昆明新机场机电设备安装4D管理与运维管理BIM应用

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昆明新机场机电设备安装4D管理与运维管理BIM应用

Christinalyc   发表于：2013-4-11   来源：筑龙BIM网   浏览次数：5224次   10

i【摘要】2012首届“龙图杯”全国BIM（建筑信息模型）大赛二等奖获奖项目：昆明新机场机电设备安装4D管理与运维管理BIM应用。

作者：张建平清华大学土木系教授、博士生导师

余芳强清华大学博士研究生

一、工程背景
1、工程名称：昆明新机场（昆明长水国际机场）航站楼
2、工程类型：机场航站楼、机电设备工程
3、项目完成单位：清华大学、北京城建集团、昆明新机场指挥部

清华大学土木工程系张建平课题组多年致力于施工过程模拟以及施工进度和资源动态管理、控制的关键技术——4D-CAD的研究和应用，并在BIM和建筑生命期管理方面的研究处于国内领先地位。

工程设计单位：北京建筑设计研究院

北京建筑设计研究院1979年开始实行事业单位企业化管理，1992年开始享有对外经营权，成为改革开放后最早进入国际建筑市场的国内著名设计企业之一。1998年通过ISO9001质量管理体系认证。
4、工程周期：2009年5月——2012年5月
５、相关软件应用：
AutodeskRevitArchitecture
AutodeskRevitMEP
GIServer

基于BIM的昆明新机场航站楼机电工程4D系统【自主研发】

基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备信息管理平台【自主研发】
机场机电设备安装工程综合施工技术知识管理平台【自主研发】
６、BIM应用评价与反馈：

“本课题所研发的4D施工管理系统能适应机电安装工程的实际需求，可实现多层次的4D模拟和动态管理，辅助施工方案优化，为多参与方的协作和交流提供可视化的集成管理平台；知识管理平台则为用户管理和查询工程资料与专业知识提供了网络化的平台，极大地提高了机电工程施工管理水平和效率。该系统适用于大型、复杂建筑机电工程的施工管理，可促进工程项目的信息化管理，建议进一步推广应用。”
——北京城建集团昆明新机场机电设备安装项目部经理颜钢文
本课题所研发的信息管理平台能实现机场航站楼机电设备运营管理智能化,实现机电设备运行的全过程信息支持、多维信息管理以及动态的实时信息查询，为机电设备运行及管理提供科学的信息化管理手段。通过使用系统可以极大提高工作效率和管理水平，节省资源，降低成本的目的，具有很大的社会、经济效益。
——昆明新机场航站楼运营总监向雪松

二、正文

基于BIM的昆明新机场机电设备安装4D管理系统与信息管理

工程概况：
昆明新机场总建筑面积435400m2,由南侧主楼（A区）、南侧东西两翼指廊（E、F区）、中央指廊（B区）和北侧Y形指廊（C、H、G区）七大区组成，地上三层（局部四层）、地下三层。机电安装工程总包北京城建集团和分包中国八局共同负责消防水、暖通、给排水和电气等分部工程施工，而弱电、智能建筑、行李系统和电梯等分部工程由709研究所、中船重工昆船公司等多个单位承包。

图1昆明新机场航站楼工程鸟瞰图

BIM的应用简介：
本项目针对机场机电设备安装和运行管理的实际需求，首次将先进的BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）和4D（4Dimension）技术应用于机场机电安装及运行管理中，开发并应用基于BIM的昆明新机场机电设备安装4D管理系统（4D-BIM系统）。通过建立基于BIM的机电设备4D信息模型，支持机电设备安装和运行的数据共享和集成管理，实现机场航站楼机电设备安装工程施工进度的4D动态管理以及施工过程模拟的4D可视化，为机电设备安装、运行及管理提供科学的信息化管理手段。在该项目中BIM具体包括BIM建模、BIM在施工管理中应用和BIM在运维信息管理中应用三个方面。
另外，鉴于机电设备安装工程庞大、复杂、局部区域设备集中等特点，本项目创造性提出基于BIM的多层次4D模型，其结构如图2所示，包括宏观4D模型、微观4D模型、系统示意图模型和轴线模型四个层次。不同层次的4D信息模型是根据不同需求从整体BIM中提取的4D模型，用于实现不同层次的4D施工模拟和管理。其中，宏观4D模型由简化的整体3D模型和整体进度关联形成，支持整个机电设备安装工程的宏观4D施工模拟。其3D模型应在施工图设计时建立，并可采用三维轴线表示小尺寸管道（轴线模型），支持基于轴线的管道渲染。微观4D模型由局部、详细的3D模型及相应的详细进度计划组成，用于展现机电设备集中部位的管道及设备布置状况和施工过程，支持动态的施工管理。其3D模型应在深化设计阶段建立，且只需针对复杂、重点的部位建立详细3D模型，从而在满足实际需求情况下节省大量建模工作。系统示意图模型由某一机电系统的示意图几何模型和该机电系统的整体进度计划关联形成，可展现单个机电设备系统的整体布局和设备逻辑关系，在宏观模拟时辅助机电系统的逻辑关系展示。

图2基于BIM的机电设备安装工程多层次4D模型

系统简介：

1、基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备安装4D管理系统
本项目结合基于多层次4D模型的动态施工管理技术，在清华大学已有4D-GCPSU系统进行了二次开发，实现了基于BIM的昆明新机场航站楼机电安装4D管理系统，如图3所示。其系统架构如图4所示，包括数据库、数据接口、图形平台、模型管理平台、4D信息模型、4D微观管理模型以及4D宏观管理模块。该系统是基于网络的4D管理系统，4D信息模型集中存储在中央数据库，同时各个应用端会保存本地数据备份，从而支持协同工作的同时，减少网络传输，提供系统性能。具体包括BIM模型导入、进度计划导入、4D模型创建、3D模型浏览、信息查询、4D施工过程模拟、4D施工进度管理、施工文档管理等功能。

2、基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备安装4D管理系统
如图5所示，基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备安装4D管理系统是清华大学与昆明新机场建设指挥部等参与单位共同研发，以BIM数据库为基础，实现基于GIS和Web的航站楼的运维管理及多维信息查询，具体包括物业信息管理、机电信息管理、流程信息管理、库存信息管理、报修与维护管理、系统管理。

图3基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备安装4D管理系统

图4基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备安装4D管理系统架构

图5基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备安装4D管理系统

BIM建模：
1、宏观建筑模型：
包括墙、楼板、门窗、楼梯等构件，为展示机电设备布局提供空间参考。

图6建筑BIM模型

2、宏观机电设备系统模型：
包括室内给排水系统、供电干线、通风空调等机电系统的管线和设备，譬如室内给排水模型包括污水排水管、废水排水管、生活热水给水管、生活热水回水管、集水坑、排污泵等构件。

图7宏观机电BIM模型

3、精细模型：
建立了值机岛、罗盘箱、走廊顶部等局部的详细模型。譬如值机岛模型包括钢结构、风管、桥架、线槽、消防水管、地板、配电柜、水炮、摄像机等20多类构件。

图8值机岛详细BIM模型

图9走廊顶部详细机电BIM模型

基于BIM的多层次4D施工管理：
基于多层次BIM和4D模型，本项目实现了航站楼机电设备安装工程的多层次4D施工过程模拟和管理：
1、宏观4D施工模拟
如图10所示，应用多层次4D技术实现排水系统宏观4D模型和系统示意图4D模型的同步模拟，弥补3D视图难以展现辅助MEP系统逻辑结构的不足。模拟中，3D视图中应用颜色和可见性等方式展示4D施工过程，系统示意图视图则用颜色在MEP系统示意图中同步标识各部分的当前施工状态。3D视图中，建筑模型只作为空间位置参考，根据需要适时显示，且设为半透明，以免遮挡MEP构件。

图10 A区排水系统宏观及系统示意图施工模拟

2、值机岛精细4D施工模拟
值机岛的机电体系包括强电、通风、消防、弱电、航显和行李等十多个专业，是航站楼中机电系统最复杂和最集中的区域，涉及土建总包、装饰装修、机电总包、消防总包、弱电总包和行李总包6家单位，实际施工中面临多专业交叉作业、操作空间有限和成品保护等挑战；且施工方一直未协调一致，建立统一的进度计划。因此在BIM应用过程中，各单位负责人首先以4D系统为平台，通过4D施工过程模拟、前置任务分析等功能分析施工方案中存在的工作面冲突、工序搭接不合理等问题，当场协商和调整进度计划。图11展示了通过4D模拟发现的值机岛中罗盘箱原始施工方案存在的问题，并用对比鲜明的不同颜色表示各施工单位正在施工的构件。最终，通过反复的模拟、交流和优化，形成较为合理的值机岛施工进度计划，共包括67个工序。但由于工期紧张，仍存在多专业同步施工，因此各施工单位通过微观4D施工过程模拟挖掘实际施工可能存在的施工空间冲突、成品破坏等问题，协商解决方案；这些信息均附加到4D模型中。在实际施工中，施工人员便可基于微观4D模型，合理安排施工过程，避免施工冲突、破坏成品等问题，保障工程顺利进行。单个值机岛的4D模拟如图12所示，6种不同的颜色表示6个施工单位正在施工的构件，并标出了各阶段施工中需注意的问题。鉴于昆明新机场航站楼共有8个值机岛，机电系统几乎一样，因此建立的进度计划和4D模型可直接用于指导其他值机岛的施工。

图11罗盘箱施工模拟与优化

图12值机岛施工过程模拟与分析

3、宏观4D施工管理

通过4D模型中计划进度与实际进度的对比，可以分析当前工作的进展状况，了解落后的任务，并有针对性地进行进度控制，如图13所示。也可用图形表现进度进展状况，如图所示，绿色表示提取完成，蓝色表示按时完成，黄色表示滞后完成。该方式可让用户一目了然地了解整体工作进展状况，快速掌握进度滞后的区域，实现重点的进度监控。用户也可查询任意选中施工单元的所有前置任务及其是否完成、计划开始时间、计划结束时间、负责单位和注意事项等信息。图14展示的是对排水系统管道施工任务的前置任务分析。并可按负责单位对前置任务过滤以及导出Excel报表，如图15所示，辅助施工方与其他单位交流。如图16所示，进度变更分析功能可以帮助用户分析当某一任务延后后，对其他任务或整体进度的影响情况。展示的是压力排水管道严密性试验滞后一天对其他任务的影响情况，可见会导致重力排水管道严密性试验滞后完成，从而导致B3排水系统安装总体滞后。

图13进度对比分析

图14前置任务分析

图15导出前置任务

图16 进度变更分析

4、精细4D施工管理
基于建立的精细4D模型，可进行进度对比分析，了解工程实际进展情况。图17展示了当“吊顶安装”滞后后，对其他任务的影响情况，分析发现对烟感设备的安装和地板的时候有影响，但不会影响总工期。图18展示了地板安装任务的所有前置任务，可辅助装修总包了解由弱电总包负责的综合布线、机电总包负责的称重台安装等工作是否完成，避免窝工、返工等问题发生。用户还可以将任意一天需要完成的工作，及其前置任务完成情况等信息导出到Excel报表，用于多参与方之间的交流，图19展示了2011年6月26日4D进度的Excel报表。

图17进度变更分析

图18前置任务分析

图19导出4D进度状态

基于BIM的昆明新机场航站楼机电设备信息管理：
1、昆明新机场航站楼物业信息管理应用
在系统中可以很方便的对房间、柜台、商铺等的分配和物业数据进行维护，而且可以根据用户的不同需求进行各种数据的统计和分析，并且导出用户需要的Excel表，方便用户进行各种文档存档等工作。在系统中用地图显示整个机场的情况，使用户能够直观的了解机场的整体布局是否合理，房间的使用和分配是否满足旅客的需求，通过各种数据的统计和分析以及结合地图的展示，可以为机场的整体运营提供更好的支持。具体如图20所示。

图20房间管理及其信息查询

2、昆明新机场航站楼机电信息管理应用
机电信息管理系统把各个专业的管道布线都非常直观的在地图中显示出来，而且对各专业的上下级逻辑关系都能清楚的展现出来，这样就能方便的让维修工人快速、方便的查看到整个机电的逻辑关系和管道布线，及时做出正确的判断，避免给机场的正常运营带来不便。
在运营过程中，可能会出现某个配电间出现故障，需要在这个配电间的上级进行断电，这时就必须知道这个配电间的上级是谁，并且需要知道断电会对哪些区域或者设备有影响，会不会影响机场的正常运营，甚至在维修过程中有可能需要知道从配电间上级到配电间的桥架走向。
在系统中，不仅可以查找到各级别的上下级关系，还能直观的看到相互之间的桥架走向，帮助用户更快、更好的了解整个电气干线的走向及逻辑关系。具体如图21所示。

图21TA1逻辑结构查询及其信息管理

3、昆明新机场航站楼流程信息管理应用
在系统中输入旅客所在位置，及输入登机口编号，就能查询出这位旅客从值机岛到登机口的路径信息，及值机岛与登机口的距离信息和人的正常步伐可能需要的时间信息，这样旅客就能根据这些信息判断出自己的登机时间是否充足等，如图22所示。

图22登机流程展示

4、昆明新机场航站楼库存信息管理应用
库存信息管理系统不仅可以查找到机场航站区内的仓库位置，而且能很方便的查找到所需物品所在的仓库，及物品的数量和对应的一些相关信息，比如规格、尺寸等，这样就能让用户更快的了解到所需物品的信息。
机场运营过程中可能会根据实际需要对仓库的位置进行更改，仓库信息功能就是动态的对仓库进行管理。仓库有可能会分为机电专用的仓库和物业专用的仓库，在仓库信息功能中对仓库进行设置来对其他功能提供数据支持。
5、昆明新机场航站楼报修与维护信息管理应用
在系统中可以很容易的查看最近3个月时间内报修的总体数量；如查看最近3个月维修组维修人员接单数量的比较；再如最近3个月内，报修单整体的完成情况、无需维修、正在维修中的各自百分比等。月度保修信息统计入图23所示。

图23月度报修信息统计

创新点：
1) 首次提出基于BIM的多层次4D模型，支持用户根据实际需求建立不同粒度的BIM模型，可极大地缩减建模工作量，促进BIM技术在大型、复杂机电设备安装工程中的应用。
2) 首次将BIM技术应用于机场机电设备安装工程，基于多层次BIM模型实现宏观和微观4D动态施工管理，为中、高层管理者监控整体机电设备安装工程的施工过程提供了可视化的平台，也可辅助现场管理者和工程师针对机电设备集中区域实现微观4D施工过程模拟、施工方案优化和动态施工管理。
3) 首次将BIM模型直接应用于运维管理，实现施工阶段与运维管理的信息共享。将BIM与GIS技术相结合，所开发的基于BIM的昆明新机场航站楼运营管理系统和应用，有效提高了运维管理水平和效率，为BIM技术在运营阶段的应用提供了新的方法、技术和系统。

结语：

本项目针对机电安装工程特点，建立BIM模型，开发了相应的基于BIM的4D施工管理系统和运维管理平台，并结合实际解决了一系列机电安装工程动态施工管理和运维管理技术。通过实际应用表明，BIM和4D技术可有效辅助机电设备工程的施工过程模拟和动态管理，为多参与方的协作提供平台，可显著提升施工效率和管理水平；基于BIM和GIS的运维管理技术可充分共享施工阶段建立的BIM模型，实时查询和监控多维运维管理信息，支持航站楼日常运维中的物业管理、机电管理、流程管理、库存管理以及报修与维护等工作，有效提高了管理水平和效率，为相关决策提供了有力支持。

作者：张建平、余芳强