2020 年 5 月,国家卫生健康委发文要求我国医院应构建医疗、服务、管理“三位一体”的智慧医院系统,为患者提供更高质量、更高效率、更加安全、更加体贴的医疗服务。智慧后勤是智慧医院的重要组成部分。面对各种新的挑战,须要大胆改变传统后勤管理的旧方式、旧理念,顺应时代发展趋势,实现更高质量的发展。建筑信息模型（BIM）技术的应用贯穿了建筑的设计、施工、运行直至生命周期的终结,各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中,各方人员可以基于 BIM 进行协同工作,有效提高工作效率。随着互联网、物联网、大数据分析、人工智能技术的不断完善和进步,BIM 对于信息数据的高融合特性使之成为新兴技术应用的良好载体。增强现实技术（AR）在我国 的发展还处于萌芽状态。目前该技术主要用于 AR 眼镜、地图导航、购物平台等,刚刚开始应用于工业领域。

在医院建筑建设及管理领域, BIM 技术主要应用于建筑设计、施工等阶段,既有建筑的 BIM 构建及应用有待探索。同时 AR 技术在医院建筑中的应用也是少之又少的 。目前大部分医院由于人员更替等历史原因,有的既有建筑存在图纸缺失的情况,有的既有建筑虽然图纸齐全,但是随着医疗功能变更、医院临时改动,实际建筑与原有图纸不符。这些情况不利于维修保养,同时改造时会造成返工与超预算。针对上述痛点,我院尝试在反向测绘基础上建立 BIM,同时进行 BIM+AR 技术的应用,为医院后勤管理人员提供基于 BIM 运维的新思路、新视角。

1、BIM 技术在医院既有建筑中的应用

我院从建设范围、建筑面积、 BIM 应用方式、基于 BIM 的运维涉及的专业以及外设应用等方面对比了同级别的几家医院,如表 1 所示。

表1 医院运维中的BIM应用对比

通过研究文献发现：国外基于 BIM 的建筑运维主要集中在设备管理、 BIM 与计算机维修管理系统(CMMS) 的 结合应用、建筑的数据采集和能耗监控；国内基于 BIM的建筑运维主要集中在整合资产信息、建筑空间维护管理、建筑安全管理、集成 GIS 与 BIM 进行运维等。

目前国内医院的 BIM 应用往往局限于单个阶段或局部应用点, BIM 存储的医院基础建筑信息未能与后勤管理数据有效集成与联动, BIM 尚难带来真正的运维效益,因此,基于 BIM 的医院智慧运维管理仍需多方面的探索与应用。

近年来,虽然已有一些医院建设项目将 BIM 技术应用于设计、施工、运维阶段,但是：在实际运行管理过程中各自为政,数据不互通的情况较为常见,特别是在多院区的管理过程中不能统一协调；改造时仍然大量使用二维图纸,且图纸参数等与实际不符；运维管理人员素质参差不齐,缺乏痕迹管理,人员培训存在不到位的情况,甚至不清楚阀门的上下级关系,为维修过程带来麻烦。

在医院既有建筑的运维中,在图纸不全或者缺乏 CAD 图纸的情况下,对既有建筑进行反向测绘并构建 BIM,然后基于 BIM 开展运维工作的实践案例不多, BIM+AR 的应用更为少见。这些技术的应用,可以增强沟通、共享数据,促进紧密合作,同时可以实现可视化管理、模拟培训、修缮方案可行性评估、减少管线碰撞等。

2、既有建筑反向测绘建模的难点及应对方法

反向测绘建模是一种将现有建筑物或结构物的实际尺寸和形状转化为数字模型的过程。它通过使用激光扫描仪、摄影测量技术等工具来获取建筑物的精确测量数据,然后将这些数据转化为数字模型。

我院的反向测绘建模实践既是一种全新的尝试与挑战,同时又是年代久远的既有建筑数字化重构 的无奈选择和必然途径,其难点和应对方法主要包括以下几个方面。

（ 一 ）测量精度

反向测绘建模对测量数据的要求相对较高,否则会影响模型的准确性和精度。

第一,优先选择高质量、高精度的测量工具,如激光扫描仪、摄影测量设备等,从而大幅度提高反向测绘的工作效率。

第二,在既有建筑缺乏精确图纸材料的情况下,须要增加测量点密度,但同时须要平衡测量数据的质量和数量之间的关系,以避免过多的测量点导致测量时间过长、数据处理难度增大。

第三,在获取现场测量数据之后,要及时进行处理和优化,如去噪、对齐、配准等,可以通过专业的软件和算法来实现,以确保模型的准确性和精度。

第四,建筑运维人员互相紧密配合,在测量过程中加强质量控制,进行校验和核对,检查数据质量和正确性。

第五,要建立标准和规范,以确保测量过程的一致性和可重复性。

（ 二 ）数据处理

在反向测绘建模过程中,为了保证数据的准确性和完整性,可以手动进行去噪、对齐和配准等处理,但推荐通过一些点云处理软件自动完成。此外,一些 BIM 软件如 Revit、 Tekla 等也提供了反向测绘建模功能,可以直接导入点云数据并进行处理。

为了处理采集过程中的一些无效、重复或不必要的信息,可以采用平滑、滤波、采样等去噪方法,去除数据中的噪声和异常值；另外,在数据采集过程中,不同的采集设备、场景和时间可能导致数据之间存在偏移和不一致,可以采用点云配准、特征匹配、标志物匹配等方法进行处理,调整不同数据之间的偏移和旋转,使其重叠和对齐；同时,须要将不同来源的数据进行整合,以生成完整的模型。

（ 三 ）算法优化

反向测绘建模算法优化的主要方法包括多源数据融合、人工智能自动识别、标准化数据格式和建模规范、人机交互技术和云计算等多种手段。鉴于目前国内既有建筑 BIM 建模的标准规范仍处于探索实践阶段,而且相关案例较少,推荐优先采用激光雷达、摄影测量、全景相机等多种数据源融合技术,并且利用云计算技术,实现大规模数据的存储、处理和共享,提高模型的可访问性和扩展性。

（ 四 ）现场管理

因医院楼宇功能各不相同,使用时间及要求也不一样,因此要了解各区域的特点和安全风险,同时,节假日及晚上是反向测绘的最佳时间。在反向测绘建模过程中须要进行大量的协调工作,特别是有些隐藏管线须要拆开天花板进行探测,甚至有些区域和位置会影响临床工作的正常开展,须要对测绘人员及位置进度等进行详细规划和安排,测绘后及时修复。建议医院内部管理人员与实际测绘人员一同参与测绘工作。

（ 五 ）数据校验和核对

对于测量数据的准确性要在现场进行校验。除测量完成后及时与院方管理人员进行沟通之外,现场各专业监管人员、技术人员、使用人员要对实际测绘数据进行逐一分级确认,例如将设备的尺寸大小与说明书、台账信息核对,管路阀门的位置由实际维修人员校核等。

3、基于 BIM 的智慧管理平台搭建

目前我院老院区在建的基于 BIM 的智慧管理系统已覆盖了总院的所有楼宇,建设总体目标为：实现建筑内部水、电、气、空调等管网情况的可视化显示；核实全院地下及楼层管线的埋深、材质、形状、走向,优化目前管线资源的统筹利用与科学布局,为将来改造建设提供有效辅助；同时对模型进行轻量化处理,可在网页实时观看；结合 AR 技术,在重点楼层开展试点工作（图 1）。

图 1 全院建筑的信息模型

（ 一 ）建设方针

以工作流为基础,将设施设备基础信息、运行台账、维保记录、核心指标参数等全生命周期信息统一汇总到 3D 数字化档案库中；实现不同专业领域、不同区域运维负责人员之间的信息互通；对可能发生的灾害进行预防和主动干预；完善并丰富资产与设施设备的运行管理手段,改“人治”为“数治”。

以 BIM 为载体：实现同一系统内不同设备之间的信息关联；实现设施设备运行状态与其空间位置 的信息融合,帮助运维人员快速精准定位；为医院化整为零、实施网格化管理提供基础条件；实现医院各部门数据共享,可在同一载体上进行协同工作。

围绕运维实际需要,采用 AR 等一系列新技术：全方位保障医院设施设备安全稳定运行；为不同专业运维人员的协同合作和权责划分提供协助；降低运维人员专业门槛及学习时间成本；聚焦于精细化管理,全面提高后勤保障服务质量和管理水平。

（ 二 ）基于 BIM 对既有监控系统进行轻量化处理

对基建信息、运维信息的转化和冗余进行处理,在完成 BIM 建设的基础上,对配电系统、特种设备、能源、空调、台账、机房等既有监控系统进行轻量化处理,具体内容包含五个方面：实现各专业现有系统的全面整合,做到维保事项可视、可控、可追溯,形成事前预防、事中监督、事后评估的全过程管理；实现信息群岛,对采集的数据进行分类筛选、利用,真正实现大数据的一站式管理；增强可视化程度,界面的互动效果更好；当发生突发事件时,可快速调取相关参数信息,提高应对及保障水平；与 AR等新技术相结合,实现巡查中的数据信息获取,同时辅以培训手段,提高工作人员的实操能力（图 2）。

图 2 基于 BIM 进行轻量化处理

（ 三 ）建设过程

阶段一：基础数据收集。对院区既有建筑的基础数据进行汇总,先后收集各专业纸质图纸,调研摸排设施设备和计量器具并列出清单,多方协同核对图纸与现场数据匹配度,对图纸进行扫描并转化成 CAD 电子档案。

阶段二：现场勘测及图纸深化。在现有数据基础上,对现场进行实地勘察和重新测绘。针对实施过程中发现的图纸偏差较大、部分区域勘察困难等情况,院内及时召开协调会议,确认由医院物业人员协同完成后续勘察及校验工作。

阶段三：BIM 建模及模型校核。结合前期图纸和现场勘测数据,开展 Autodesk Revit 建模、楼层设备管路加载、碰撞测试和反复校准、图像显示效果渲染、模型碰撞修复等工作。再结合模型与实际情况进行模型校核,校核确认后对模型进行精细化、轻量化和信息化处理。

阶段四：重点楼层 AR 技术应用试点。在建筑信息模型中对某区域进行深化及 AR 建模,校核 AR模型与现场实景的定位偏差。目前已完成门诊区域的实景定位,实现了该楼层 AR 技术的初步应用。

4、AR 技术应用的注意事项

与 VR 技术完全虚构的沉浸式场景不同, AR 技术利用交互技术、显示技术、多种传感技术进行虚实融合,进一步提高了使用者对真实场景的感知能力,通过视觉、听觉、触觉的感知获得一种新的感官体验。AR 的优势是真实感更高、硬件要求更低；其缺点是对有关模型精度的要求更高。

AR 与 BIM 较强的可视化能力的契合度非常高,在数据共享和功能模块衔接良好的情况下,可以提供良好的使用体验和易用性,特别是在隐蔽工程查询和培训教学方面的应用效果尤为突出。但该项技术的应用非常依赖 BIM 数据的完整性和准确性,又要兼顾数据量和复杂性,须要反复推敲在视图中快速处理、渲染大量的 BIM 数据与清晰直观地展示复杂的结构和细节之间的平衡点。同时 AR 技术的应用须要配备较高性能的图形处理器和专业的软件环境,这就需要较高的成本和技术门槛（图 3）。

图 3 AR 技术在医院隐蔽管网方面的应用

5、BIM、AR 在医院中的应用场景

（ 一 ）信息联动，精准定位

触发预警条件后,直接显示关联区域、相关参数和其他要素信息,提高决策响应效率和准确度。当发生突发应急响应事件时（如水管漏水）：传统的流程是电话报修、人员到现场查看,若涉及多个科室,须跨部门沟通协调；而基于 BIM 的智慧后勤运维管理系统可直接显示故障信息、水阀上下级关系等有关信息,同时可快速调取相关参数信息,如管径、尺寸、材质等,提高了应对及保障水平。

（ 二 ）信息统一载入，多部门协同作业

医院各部门均可以 BIM 为载体,上传相关信息,形成大数据 3D 档案库,永久保存,调阅方便（预留开放数据接口）。

当科室根据工作需求进行装修时,传统的做法是不同单位的协调讨论体现在文字记录和二维图纸上,现场隐蔽工程难以精确定位,施工过程中发生碰撞和错位等问题后只能返工重做。而基于 BIM 的智慧后勤运维管理系统,使用 AR 辅助增强可视化程度,界面的互动性和交流效果更好。不同单位的人员在统一模型上开会讨论,施工之前就可以在模型上进行碰撞测试,避免了理解误差、重复施工等问题。

（ 三 ）直观展示隐蔽工程，提高培训成效

通过建立在 BIM、 AR 技术基础上的可视化模型,提供沉浸式培训,学习交流等时间成本大幅缩减,降低了人员的技术门槛,有效提高管理人员决策效率和运维人员实际操作准确度。

对于新员工,传统的培训和实操模式是开大会（频率低）、老师傅带（依赖人员）、核对图纸（不直观且有误差）、口头讨论（不同专业之间沟通效率低）。而基于BIM的智慧后勤运维管理系统利用移动设备,将模型与现场进行比对,用可视化模型进行现场教学讨论,直观查看所有隐蔽工程位置信息和设备参数等详细信息,增强培训的深度体验感,提高操作人员及管理人员的实际操作能力。

本文内容来自：

姚晶珊，侯占伟. 既有医院建筑运维中 BIM 及 AR 应用实践：复旦大学附属华山医院老院区既有建筑信息化改造实践和探索[J].中国医院建筑与装备，2023,24(7):59-63.

作者单位：

复旦大学附属华山医院