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BIM技术与楼宇自动化融合研究绪论

时间:2016-11-23 来源:学术堂 所属分类: 楼宇自控论文 本文字数:5999字
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【题目】楼宇自动化管理中BIM技术的运用探析
【第一章】 BIM技术与楼宇自动化融合研究绪论
【第二章】BIM相关理论介绍
【第三章】BIM模型的建立
【4.1 4.2】BIM技术在安全疏散中的应用示例
【4.3 4.4】BIM技术在节能方面的应用示例
【总结/参考文献】BIM在楼宇自动化管理中的应用研究总结与参考文献
  1 绪论
  
  1.1 研究背景及意义
  
  随着国民经济的发展、科学技术水平及人们生活水平的提高,人类对家居、办公、娱乐环境的舒适性、人性化要求越来越高,这就使得智能建筑应运而生并蓬勃地得以发展起来。
  
  所谓智能建筑,一般来说主要包含三大系统构成,即楼宇自动化系统(BAS)、通信网络系统(CNS)和办公自动化系统(OAS)。其中楼宇自动化控制系统不只是智能建筑的一个重要组成部分[2],更是整个智能建筑的基石[1-2].
  
  楼宇自动化控制系统,自上个世纪八十年代后期进入建筑领域,经过三十多年的发展,其技术已然比较成熟。其控制模式是,指令→检测→收集→优化→反馈→指令。以上过程通过多次循环,从而实现各子系统机电设备运行参数的最优化以及各子系统之间配置的最优化。但由于其运作方式重控制轻管理,重设备轻人员,即使是在优化过程,也只是对机电设备主机本身而言的。而就整个楼宇自动化系统除主要设备之外诸如通路、辅助设备等的关照,要相对弱得多,至于对运维管理人员日常的维护指导功能,就更微乎其微了。而恰恰在建筑物正常使用过程中,这些除主要设备之外的通路、辅助设备,数量更为庞大、分布更为分散隐蔽、外部环境更为恶劣,故障率更为频繁。因此,若将楼宇自动化控制系统纳入对建筑物整个生命周期的管理环节,还存在着需要完善的空间:
  
  首先,新技术、新装备层出不穷,且应用量大幅增加,加之涉及的专业领域更为广阔,从而使得项目所包含的信息量更为浩瀚,仅一个建筑单体的信息量,就能达到 10 万数量级[3].比如,北京 LG 大厦,单单是深化设计就涉及到钢结构、玻璃幕墙、机电、精装修等多个专业[4];上海环球金融中心最终的设计图纸量高达70548 张[5].若仍旧沿袭机电设备(Mechanical,Electrical and plumbing,MEP)运维信息主要来源于纸质的竣工资料的这一传统模式,那么,要想准确、快捷地从大量的图纸和文件中找到所需的信息,这无疑是一种奢望。
  
  其次,通过楼宇自动化系统监测出的设备设施运行问题,往往需要拥有与之相匹配的有着丰富工作经验的运维人员,通过各种检测寻找到问题的症结所在,从而针对性地制定出影响波及最小、经济损失最小的维修方案。先不说对每一个运维人员技术素质的高要求在现实工作中是否可行,更重要的是,在处理紧急状况时,若不能迅速制定合理的针对性的方案,由于延误故障的最佳处理机会,必然会造成不必要的经济损失,甚至危及建筑物及相关人员的生命安全。
  
  而合理的应用建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)则可以完善楼宇自动化系统的上述不足之处。
  
  关于建筑信息模型(BIM),美国国家标准技术研究院给出的定义是:是对建筑实体和功能特性进行三维数字化描述的数据模型。
  
  从这一定义内容我们不难得出这样的结论:借助于 BIM 模型能精确定位的特质,通过管理维护人员前往现场用二维码扫描,PAD 等手段完整的得到这些线路的各种信息,运维人员就不难快捷地确定问题的症结所在,同时根据所指导给出的该线路的上游的控制设备信息和下游很可能隐藏在建筑物里的运行设备信息,从而就能制定出完善的维修方案,极大地提高解决问题效率。
  
  而将建筑信息模型(BIM),与楼宇自动化控制系统、灾害分析模拟软件结合起来,通过模拟制定各种应急预案,将更加贴合实际,且行动更加有效、损失更小。即使在灾害真正发生的时候,由于 BIM 模型精确定位特质,也可以为救援人员提供紧急状况点的完整信息,为指挥人员作出正确判断、制定周密救援方案、选定最合适的疏散路线,提供最直接、最强有力的技术支持[6].
  
  随着 BIM 技术优点的日益彰显,其必将,也已经在建筑行业的产业革命中掀起新一轮波澜。现在对于大型的公共建筑项目,建设单位已将要求设计单位提供完整的 BIM 模型提到了议事日程上来。
  
  纵观目前关于 BIM 的价值的研究成果,人们对其的关注点还主要集中在设计、施工阶段。正如清华大学教授张建平等教授所总结的:第一,BIM 的应用首先它是实现建筑全生命期的信息共享,然后能使项目所有的参与方能够协同工作,实现工程项目的精细化管理。第二,它能实现的可预见性和可控性的整个生命周期的建设,也就是说 BIM 技术可以支持建筑环境,经济,能源消耗,安全和其他方面的分析与仿真,从而实现虚拟设计,虚拟建设,管理和生命周期,全方位的预测与控制。第三,促进生产建设的产业模式,因为 BIM 技术可以支持设计,建设和管理的一体化,使建筑业可以促进生产方式从而发生转变。第四,使用 BIM 能够促使建筑行业的工业化发展。正如前文所说,BIM 可以使建筑物整个生命周期不同阶段的数据、过程和资源结合起来,是以 BIM 就可以打通建筑行业的产品链,保障了工业化建设的技术手段,使整个建筑行业向工业化发展[7].而对于建筑物生命周期中历时最长、要求较高,且建筑物生命周期成本最有潜力可挖的运维阶段(管理阶段和维护阶段合称,下同),发掘研究的还不够多。
  
  随着国家对建筑业信息化提出更高的要求(见住建部[2011]67 号文《2011-2015 年建筑业信息化发展纲要》),提出推广使用 BIM 技术。相信在不久的将来,必将使得越来越多的拥有 BIM 模型的建筑物投入运行。
  
  鉴于建筑物生命周期中的运维阶段,楼宇自动化控制系统技术发展较早但不够完善,而 BIM 技术起步较晚、研究较少的事实,本文尝试将自动化系统嵌入到BIM 技术中去,再置于建筑物整个生命周期中进行关照,以期探索一种快捷地、理论与实践相结合的研究途径。
  
  1.2 国内外研究现状
  
  1.2.1 国外研究现状
  
  BIM(Building Information Modeling 的缩写)技术正式进入人们的视野,虽然是二十一世纪初的事,是 2002 年由 Autodesk 公司正式提出的。但究其本义,可以上溯到二十世纪八十年代。1975 年,美国卡耐基梅隆大学的查理伊斯特曼(ChuckEastman)就已提出的“建筑描述系统(Building Description System)”,之后这一理念逐渐被注入了新的内涵--“建筑模型(Building Model)” 、“建筑产品模型(Building Product Model)”[8].
  
  “建筑信息模型”(BIM)这一理念,一经诞生,就在信息化应用较早的欧、美等国引起了广泛重视,并成功地应用于整个建筑物的全生命周期中[10],同时制定了相应的规范及国际标准。
  
  就美国而言,据麦格劳希尔的调研,尽管该项技术目前主要还是建筑承包商在使用,但项目应用增加的幅度却从 2007 年的 28%增加到了 2012 年的 71%,应用呈快速增长之势是毫无疑问的。但也出现不均衡问题,也就是建筑师对该项技术的应用热情要比机电建筑师高涨得多。美国当前涉及到 BIM 研究有三大机构,分别是:美国总务署(General ServiceAdministration,GSA)、美国陆军工程兵团(theU.S.Army Corps of Engineers,USACE)、Building SMART 联盟(Building SMARTA11iance,BSA)。
  
  而对于英国而言,根据网上一项调研问卷随机抽取样本分析结果显示:2010、2011 年英国人对于 BIM 技术应用情况的了解,只有 31%的人不仅听说过而且还有所了解;高达 48%的人只是仅听说过而已,还有 21%的人对其一无所知。在国家层面上,2011 年 5 月,英国内阁办公室在政府建设战略(Government ConstructionStrategy)文件中通过整章来阐述建筑信息模型(BIM),在报告中明确表示,到 2016年,要求项目上要做到全面协同的 3DKBIM,同时项目的全部文件要通过信息化的方式进行管理。
  
  而在标准的制定与研究方面,1997 年,国际协作联盟(IAI)组织发布了 IFC(Industry Foundation Classes )信息模型的第一个完整本。基于 IFC 标准制定了BIM 应用标准--NBIMS (National Building Information Model Standard)。随后,许多发达国家都在制定自己的 BIM 标准,以满足本国市场的需要[11].例如:美国有(United States National information modeling standard);日本建设领域信息化的标准有 CALS/EC (ContinuousAcquisition and Lifecycle Support Electronic Commerce)标准等等。
  
  在原理的研究方面,基于 BIM 技术,英国索尔福德大学的 Faraj 等人开发了WISPER(Web-based IFC Share Project Environment)平台,通过这个平台实现 IFC文件在数据库中的存读、显示、工程概预算等功能[14].加拿大基础设施研究中心(Centre for Sustainable Infrastructure Research)的 Halfawy 等人完成建筑信息集成平台的研究,开发出具备图形编辑、建筑构件数量统计、工程概预算、工程管理等功能的软件[15].
  
  总而言之,目前国外对 BIM 的研究是全方位开展的,从理论、应用、到案例分析,研究范围之广、研究成果之多都令人瞩目。更为重要的是,政府机构、企业界、学术界等建筑领域都参与到了 BIM 技术的研究活动中;能否应用 BIM 技术,俨然已成为设计和施工企业承揽项目的重要条件之一,这也反过来推高了企业对BIM 技术研究的热情,也为研究提供了充足的费用保障。在美、英等国,一般大的与建筑相关的公司都已拥有了应用 BIM 技术的实力[17];在美国三分之一的企业60%以上的项目都在使用 BIM 技术。
  
  1.2.2 国内研究现状
  
  相较而言,我国对 BIM 研究起步要晚一些,直到 2003 年,才陆续有一些研究BIM 技术的论文面世,2004 年引入了基于 BIM 技术的应用软件,并开发出了鲁班软件系列, Autodesk 公司的 Revit 系列软件也才在我国广泛的应用。总体上来说,在住建部还未对 BIM 技术重视之前,我国对 BIM 方面的研究较少,而且研究的面很窄,研究的过程中也没有组织机构的资金支持,通常上都是民间自发的研究。
  
  在研究的过程中也是以个人为主,研究人员之间的交流几乎没有。而且各个研究人员在对于 BIM 的理念理解上也各不相同,而且只是大力宣传 BIM 理念的优点,对于其存在的问题却一概不谈。在将 BIM 技术引用到国内,也是生搬硬套国外的思想,没有和中国的建筑行业的国情相结合,导致处处碰壁。而有关对 BIM 在建筑行业发展的问题,学者们对这方面的研究也缺少对策,这就导致了在前期 BIM发展异常缓慢。
  
  而且在建筑市场,目前具体的应用大多是大型公建,且主要是在设计、施工阶段,而在运维阶段的应用微乎其微。但在这一时期也有应用比较成功的两个例子,一个是杭州国际博览中心,这就是一个公建项目,从采购计划以及限额领料的管控处理,到实时三算(设计概算、施工图预算、竣工决算)的比较分析,再到后来的碰撞检测,全程利用 BIM 技术,避免了二次返工,节约了工期[18].另外一个是上海金虹桥国际中心项目,这也是一个公建项目,其在机电安装工程中使用了鲁班 BIM 技术,较好地完成了施工难点冷冻室,避免了成本与工期的双重损失[21].
  
  人们对于 BIM 技术的全面认知的还有待于普及与提高;而从国外引进的 BIM产品“水土不服”,还需要一个融合的过程,加之可资共享利用的 BIM 对象库不足,致使建立起的 BIM 模型所输入的数据源也不足[19].这种研究与应用的脱节且严重滞后的现状,显然与我国目前强盛的建筑规模不相匹配。
  
  但随着《中国商业地产 BIM 应用研究报告》与《中国工程建设 BIM 应用研究报告》的出炉,随着住建部在 2011 年 5 月提出了“十二五”建筑信息化要求的发布,这一状况发生了可喜的改观。国内多数相关大专院校,相继都新开设了 BIM工程硕士班,为 BIM 技术的研究与应用进行专业人才的培养与储备。越来越多的业主、房地产公司及建筑企业,都在努力将 BIM 技术应用到自己的施工项目中去,优化施工管理,并以此作为企业未来的核心竞争力。上海市政府 2014 年已明文要求,市政府所投资的大型项目在项目全生命周期中使用 BIM 技术,BIM 将作为招投标的一个条款被规定下来,作为衡量一个企业是否有资格参与项目建设的一个评判标准。这些改观,必将反过来大大促进对 BIM 技术研究与应用。
  
  总之,我国对 BIM 技术研究与应用的重视已经展现,就像在其他领域发展的模式一样,我们有理由相信在不久的将来,该项技术也必将得到井喷式发展与广泛的应用。
  
  1.3 论文研究内容
  
  BIM 技术在建筑物的全生命周期中都可有优异的作为,本课题主要着眼于运维阶段。借助楼宇自动化系统对建筑物内部机电设备状态的监控,利用建立的 BIM模型,PyroSim,Pathfinder,Ecotect 等软件,模拟出灾害后的情景,通过 BIM 强大的建筑信息处理能力,真实反映出灾害发生后各个设备的状态,人员疏散状况,并对建筑物运行阶段的能耗进行了分析,从而给管理人员给予指导信息和应急策略。研究内容主要涉及以下几个方面:
  
  (1)建模方案研究。根据 GB/T 25507-2010 工业类规范[20]和 JG/T 198-2007建筑对象数字化定义[21],学习和了解 IFC 标准和 EXPRESS 语言,掌握 Revit 2014,Fathfinder 等软件的用法,在此基础上,给出基于 BIM 技术的具体建模方案;(2)机电设备系统关联性参数模型研究。基于 BIM 技术模型,针对机电设备不同的系统划分,构建出上下游联动模型,并藉由此模型,研究关联设备在灾害发生中的表现。
  
  (3)火灾模拟仿真研究。利用前面获得的设备的动态 BIM 模型,再结合灾害模拟软件,模拟灾害发生过程,从模拟中发现存在的问题,并制定灾害发生时的应急预案;

        (4)人员疏散模拟仿真研究。结合构建的 BIM 模型迅速精确的定位灾害发生的方位,利用疏散模拟软件,制定消防设施分配,人员疏散路径的优化。同时对紧急疏散进行模拟仿真,并对经常发生拥挤地方的问题进行研究,给管理人员指派人员疏导人群提供思路。
  
  (5)建筑物运营阶段能耗分析。通过 BIM 模型导 Ecotect Analysis 中进行模拟,得出各个月的能耗情况的理想值,为管理人员对能耗情况起到一个量化的认识。
  
  (6)研究成果的总结,指出研究中存在的不足之处,提出改进的思路,对未来的进一步研究奠定了基础。
  
  1.4 论文组织结构
  
  BIM 技术结合安全疏散软件所包含的建筑物的结构,消防设施分配,疏散通道等,比传统的大型建筑物安全疏散系统采用的平面图或文字加图表的形式有整体性强、信息丰富、直观等不可比拟的优点。因其能真实的反映出建筑的结构,设备的位置等等信息,可以与楼宇自动化完美结合在一起。本文主要通过引入 BIM理念使用仿真软件通过进行三维建模和模拟仿真,得出结论,为管理人员提供了一些理论依据。
  
  整篇论文分为五章,对 BIM 技术与楼宇自动化在疏散方面的优势做出了分析、研究,各章节内容简述如下:
  
  第一章 绪论:重点阐述本论文提出的背景及立足点所在,并将其置于国内外研究现状进行了关照;第二章 相关理论研究与介绍:主要介绍了 BIM 的定义内涵,BIM 的技术原理和 BIM 的两种主要思想。
  
  第三章 BIM 模型的建立:主要对 BIM 的核心建模软件进行了归纳和介绍,着重介绍了 Revit 软件,并给与了具体的建模方案。
  
  第四章 BIM 技术在楼宇自动化管理中的研究示例:主要介绍了 BIM 技术在火灾模拟中的应用和在疏散模拟中的应用,并具体给出了参数的设定,疏散时间的计算和两种疏散模式的比较。最后介绍了其在建筑物运行阶段能耗分析中的应用。
  
  第五章总结与展望:提炼归纳本文结论性的东西,并对其中存在的问题进行了说明。
  
  1.5 小结
  
  本章首先阐述了 BIM 技术与楼宇自动化发展的背景,强调了新兴的 BIM 技术结合成熟的楼宇自动化系统的重要性,结合国内外的研究现状,提出了论文的研究目的与研究内容。
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