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BIM工具不断进化,数据才是本质

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BIM为解决数据问题而生


BIM一词,缘起于美国乔治亚理工学院之Charles M. Eastman(1999)所出版之“Building Product Models”一书,书中即说明提出建筑物之组件化信息模型组构原理,从建筑物语汇设计、计算机建模演化及信息交换标准等,亦于中谈到信息建筑的概念、ISO-STEP 与 IFC 等标准格式之定义,完全以建筑物为中心导向,叙述建物组构组件之数据塑模理论,BIM 的概念及技术亦有雏形。而后,部分的建筑师及 Autodesk 公司的副总裁Phil Bernstein(其本身具建筑师背景及美国建筑师协会 FAIA 会员),开始使用BIM 一词来说明其公司相关 AEC 产品的理念及解决方案,建筑产业分析师 Jerry Laiserin 故藉此展开营销,提出标准化的信息交换格式,促使现行主流三大绘图相关设计软件大厂 Autodesk、Bentley 及 Graphisoft 加入,导入 BIM 的概念及技术于产品中,改善建筑产业数字展现之方式,以协助数字信息交流及协同合作。


美国国家 BIM 标准(National BIM Standard,简称 NBIMS,2017年1月正式发布)内容涉及建筑生命周期的四个阶段:规划、设计、施工和运营,包含 BIM 模型标准和最佳实务的确立、技术开发、部署/实施方案,以及项目规划和生命周期管理,甚至包含建筑信息相互操作性标准、必要的工作流、相关BIM应用软件等,而针对后续运营维护阶段的使用服务,NBIMS 已将 COBie(Construction Operations Building Information Exchange)技术纳入其标准之一。


数据资产定义


NBIMS在2.1.3条中明确定义数据资产。数据资产的项目交付应该清晰完整地定义在设计合同与施工合同中,尤其在合同已经执行后制定项目BIM执行计划(PXP或BEP)时。业主数据资产权应清晰定义在PxP中,该定义具有法律效率,业主至少具有被定义在PxP中作为项目交付的数据资产的使用权。数据资产包括:


1)模型文件(BIM、CAD)

2)绘图文件(CAD、垫资表格如PDF文件和/或图形数据文件)

3)电子手册

4)采集于BIM的图标文字信息文件

5)其它相关的必要项目信息辅助文件



数据生命周期的四个阶段


1)定义阶段:规划、标准化和准备,数据定义一定基于实际的数据需求,从项目角度是业主和FM方的需求才是最终数据需求;若基于企业效率和竞争力,则是各企业级需求;

2)收集阶段:可执行性、可协调性与有效性是数据收集阶段的要求,目前的BIMer绝大多工作在此阶段,随着科技与相关工具的不断进化,此阶段手段会越来越多,效率会越来越高;

3)交互阶段:主要指数据交互过程与技术,不同软件工具、不同的软件系统平台、各种控制系统等需要实用同一源数据需要交互接口才能识别和处理,这个阶段需要很强的底层软件开发能力,也涉及大量各层级标准,通常只需熟悉相关标准和知道交互逻辑就可以了,底层的东西都会被相关专业机构定义好,即使有大量个性化需求,只要能清晰描述与定义需求,也是委托相关专业机构进行结构开发就OK,除非切入开发自主知识产权的软件或软硬体系的产品;

4)维护阶段:持续不间断的数据管理,设计数据的更新、补充、优化以及新应用的支持等等,某种程度包含上面三个阶段。



项目不同阶段BIM模型中数据不同组成


1)设计阶段:图形数据在BIM模型中的比重很大,只需要相对少的特征数据,包括可视化结构物理空间数据、精准的文档、能源与环境分析数据、市场数据等。

2)施工阶段:特征数据已占主导了,包括施工模拟、项目、成本、进度等数据。

3)运维阶段:对图形数据的需求更少了,最主要是特征数据,包括运维程序、设备位置、保养信息等。



建筑生命周期中数据的价值


在建筑生命周期中数据可以发挥如下价值(价值自下而上):


1)数据就是数据,不知道要干什么。

2)特别报告或者例外报告,看看发生了什么,比如出个模拟视频或效果图。

3)标准报告,清晰及时的描述状态,并与计划进行比较看看趋势。

4)分析,找到数据之间的关联性,或者通过控制试验及A/B比对测试找到问题原因。

5)预测模拟,预测将发生什么。

6)模拟与优化,进行最优方案选择。



建筑运营阶段的BIM数据


设计施工阶段:建筑设计或施工过程的BIM数据包括进度、预算及合同等,并要能及时相应变更需求;其中还应包含后期运营或整修更新中所需要部分数据,这些数据可以来自于有关建筑文档或采购文档中。该过程中主要的数据相关人为:建筑师、工程师、承包商及项目评估者。


日程运营阶段:日程运营中需要建筑室内人员活动线路、空间规划数据,设备替换需要保修、产品说明书、保养等数据,人员疏散计、编码规则数据,管理合同需求及谈判所需数据、租赁合同完结、空间空置状态等潜在可转租数据等。该阶段数据相关人包括设施经理、运营经理、安全与职业健康经理、维护经理、保安经理、项目首席代表、风险经理等。


整修更新:核心租户优化、适应新标准的有效照明方案等。此阶段数据相关人包括建筑师、工程师、承包商、评估者、能源经理、环境经理等。



业主对FM数据需求及数据获取成本


业主支付AEC团队更多费用开发BIM模型和数据交互需求及方法,在资产运营周期中业主能便捷地加载所需参数、分析、报告、标尺及透视等数据,从而节省更多的费用。


下图中蓝色线条是传统手工方法的数据获取成本曲线,红色的为采用BIM+FM交互可运行的数据获取方法的成本曲线,我们能明显看出:BIM方法对比传统方法,在设计阶段数据获取成本增加了,在施工阶段数据获取成本是降低的,而在运营阶段数据获取成本是显著降低的。



忽略FM信息的代价


下图中实线为信息在不同阶段的价值,虚线为信息的成本,随着项目在生命周期中前进,数据价值成本差越来越大,意味着所需数据越早识别、定义与采集价值越大。



从美国实际的统计数据也可清晰看到这一点:


1)71%的FM信息是纸本记录的,很难甚至无法获取;

2)FM经理平均花费10–30%的工作时间用来寻找所需信息;

3)维修部门平均花费30–70%的时间等待信息、部件或者其他部门完成相关工作;

4)每年有$0.23/平方英尺的运维费用是由不准确的信息所导致的;

5)资产设施的信息平均需要18–24个月才能导入CMMS系统中。


FM信息缺失的常见原因


1)建筑完工并开始运营后才开始收集FM所需信息;

2)BIM中所含的数据及其机构不符合运维系统需求;

3)FM所需信息分散且难以收集 (DVD,多个BIM Model,PDF);

4)业主方需要重新开始收集数据 (Laser Scanning);

5)资产保修信息通常已经大部分缺失;

6)业主方往往不够重视FM工作,指派的基层员工往往不具备相关技能;

7)数据源过多,FM数据的收集和整理往往是手动完成;

8)FM部门往往没有和设计施工部门共同工作的经历。


传统上,业主将一栋建筑物交给建筑师设计、交给承包商施工后验收,当建筑物盖好转移给业主时,过去的作法承包商将汇整各项竣工图数据以纸本或简单电子文件的形式缴交给业主,业主或后续的运营维护者接手后,在进行日常运作或维修时,往往才发现资料与实际设施不一致。


如同Java程序语言所主张的Write once, run anywhere,建筑物的相关数据应也是由第一位数据提供者(可能是建筑师或承包商),在当下即建立,供后续阶段的项目参与者使用。在美国陆军工兵署的推动下,COBie(Construction Operations BuildingInformation Exchange)标准建立便是朝此目标迈进,希望建筑师、承包商,以致于建筑项目的各参与人皆可输入数据供后续方便地使用。目前各界普遍认为 BIM 技术应整合COBie 的工具,让业界自行选择 BIM 软件来应用数据。


数据交互标准COBie与IFC


COBie与IFC并不相同,IFC主要含有几何信息与设施的一般属性,一般属性可能不够仔细到足以应付后续维护管理用,但COBie则主要为下游数据用途,故几何属性部分较简化。IFC从早期的IGES (Initial  Graphics  Exchange Specification)到STEP (STandard for the Exchange of Product model data),到Product Data Exchange using STEP (PDES),以至于今日的IAI IFC与NBIMS标准,不同CAD之间工程图说的交换一直是其重要目标,故其几何表达能力相当好,足以应付建筑物的各式形状。但两标准也有兼容处,事实上IFC 的 IFC2*3 标准便定义Basic FM Handover视界,即为 COBie 标准。


COBie的应用背景包含目前建筑合约,在施工完成时承包商需要提供空间、系统与设备的配置图、设备列表、使用说明、保证书、稀有件清单、维修保养建议时程等相关信息。在所有的建筑工程项目完工验收后,项目管理人员会收集及汇整各项竣工图纸,并提供大量的纸本、CD 或是电子文件档案给设施管理人员或业主进行保管,期望这些信息可以帮助设施管理人员进行运营维护及设施管理等相关作业,但这些信息往往被放在档案室中,不再被继续传递或使用于运营阶段。但是对于运营阶段设施维护当中,往往这些设备相关数据,扮演非常重要的角色,可以得知各个阶段相关设施设备的数据,可以在后续运营时期利用参考,不仅减少成本的支出,也增加管理效率。 随着 BIM 技术的应用在建筑行业中持续增加,一些建筑业主开始探究如何利用BIM 模型以维护及管理他们的设施。而施工运营建筑信息交换(COBie)标准即是在运营维护阶段,针对设施管理的部分所产生出之标准,透过包含建筑信息模型信息的电子数据表格 SpreadSheet 或 IFC 格式来传递信息,被认为是信息有效被传递的解决方法,将有助于信息从 BIM 模型中传递至设施管理阶段。


底层建筑信息分类编码标准


Uniformat 分类


英国于1961年起采行并经英国皇家建筑师学会 (Royal Institute for BritishArchitects, RIBA)持续更新维护的 CI/SfB (Construction Index/Standard for Buildings)系统[24]。它是建筑业交流信息的一种通用语言,用分别代表建筑物理环境、构件、组成材料、及活动四个字段代表一笔建筑信息,每个字段使用标准的对照表格,出各类细项的编码。美国的 Uniformat 编码最早是由美国国防部制定,用于项目实施全过程的信息分类标准。它按项目构成和部位对项目信息进行分解和编码。该编码的第一层由12个项目构成。目前,在国际上许多针对过程项目进行的信息分类标准,往往是在设计的前期应用 Uniformat 标准作为建立项目信息分类标准。Uniformat 的建筑组件分类标准如表17所示。第一层依次为下部结构、外壳、内装、服务、设备装潢、特殊施工及拆除、及建筑基地工作等7大主组组件(Major Group Elements),第二层则可做为规划阶段概估预算的22组群组组件(Group Elements),第三层则为个别组件(Individual Elements)共 79 类,原始的分类可以多达七层。


Uniformat 编码最初意图是为了解决设计时间的估计问题;Uniformat 的定位主要针对工程项目全周期的编码结构用于描述、成本分析和工程管理的建筑信息分类标准,为了在项目规划及初步设计时间,能以简要的文字叙述方式,针对建筑组件表达功能或成效需求,而不必以产品概念描述,造就了不同于以往惯用以产品分类的钢要规范估价方式,而用建筑组件分类的估价方式,在设计的任何阶段,快速地由不同替代方案的模型中提取数量,搭配数据库中的价格信息,提供所需的成本数据。



MasterFormat 分类


MasterFormat是由美国建筑标准协会 CSI 及加拿大建筑标准协会 CSC 所颁布。起初只用于北美地区的建筑项目的规范编排标准,它透过 Divisions Titles 和 Sections numbers 的编码系统来组织建筑要求、产品和活动的数据,并作为建筑师、承包商和分包商供货商之间的沟通平台,帮助其实施业主的要求、工期目标和成本控制要求,以及合约里的施工规范的编排。它即把工程分为16个项目(Divisions),如表18。每个分项工程又包括若干编号的分层工程(SectionFormat,由5位数字组成)。


MasterFormat 的定位在于工程项目实施阶段信息、数据数据与管理编码的系统,同时提供工作成果的详细成本数据。MasterFormat 的分类方法是采用工种/材料的分类,倾向于符合建筑工程分工组织实施的方式,并以此来组织设计要求、成本数据以及施工文文件等信息和数据。这种建筑信息的分解和组织更加符合工程施工阶段的信息处理习惯。Masterformat 编码系统采用了按分层项工程和材料分类对工程项目进行分类和编码的系统,与其他的编码系统相比,更符合建筑工程分工组织实施的方式,因此其慢慢从规范编码系统发展为以此来组织设计要求、组织招标和合约要求、图纸说明、成本数据以及施工文文件等信息和数据,从而更加符合工程施工阶段的信息处理习惯,因此大量建造项目的工程列表也开始按 MasterFormat 编码系统进行建构。



随着新材料出现、各个产业结构的转变、工法的创新与变更,原本的17种分类已日渐不敷使用。为了因应其需求,于2004年将建筑信息的纲要分类(Master Format)扩充为50种的规模。



OmniClass分类


建筑信息总分类(OmniClass)比组件分类(Uniformat)和纲要分类


(MasterFormat)涵盖更广,可弥补以往分类系统的不足,是欧美共同订定的总分类法,就是要纳入参与建筑环境的所有空间、对象、人员机具、及进行的活动等。OmniClass 综合了多个现有建筑分类标准,它有利于建筑项目对于每个项目在各阶段的各个内容的控制,有助于对工程的管理与控制、让每个项目项目各个人员提供信息并交流的编码工具。尤其在建筑、设计、施工之间信息沟通提供交流的方式,另外,工程编码为工程的信息数据收集和整理提供了标准。是多重面向的建筑信息分类方式,以两个数字为一层,用多层的数字码来描述对象的特性,例如 11-35 11 代表以功能区分的建物类别为「制造业的厂房」,22-22 11 13 代表工作成果中的「给水管路」,23-27 39 00代表产品中的「管道」,则可用「22-22 11 13 : 23-27 39 00 < 11-35 11」代表「制造业厂房给水系统中的水管」。


由于建筑信息复杂多样,人们观察研究建筑对象的角度也各不相同。所以OmniClass 分类体系采用面分法,同时在每个面内采用线分法。这种分类方法一方面能够适应建筑信息复杂多样的特点,另一方面又能够充分继承已有的各种传统分类的成果。其分类体系由15个分类表(table)即15个分面(facet)组成,分别是如表20,这15个分面从不同的角度对建筑领域的各种对象进行了描述和组织,它们可以独立使用,也可以与其他方面联合使用。通过对这些分类表的合理取用,可以表示建筑领域的各种信息。采用“形状”、“颜色”和“材料”三个分类表就可以准确描述一个对象。



建筑信息总分类采用的15个表号及内容


OmniClass 的编码系统是最新的总归纳版是基于现下国际上通用的工程信息标准,比如ISO 12006-2标准、UniFormat分类、MasterFormat分类…等等。大部份国家也似乎都朝向 OmniClass 的编码体系,且目前大部分 BIM 软件接支持 OmniClass分类。



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