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基于三维设计技术(BIM)的机房工程应用解决方案

随着计算机、互联网、物联网、云计算、大数据等技术及应用的发展,计算机机房已经变得越来越重要,已成为了国民经济发展中的信息枢纽。我国计算机机房建设市场规模近几年呈现出良好的发展态势,近几年的年均增长达到10%以上。有资料显示,截至201312,仅仅在北京经济技术开发区落地的云计算项目投资额已超过200亿元。仅机房而言,全国的云计算机房、IDC机房、大数据机房以及政府企事业单位自建机房近几年每年的投资额数量巨大

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随着信息技术的飞速发展,用户对数据中心需求的增长,计算机机房工程逐渐形成了一个庞大的朝阳行业。计算机机房是为大型电子信息设备或集中放置的电子信息网络设备建造的运行环境的场所。随着相关技术应用的深入,计算机机房设备越来越多,设备密集度越来越高、机房建设和运维变得越来越复杂。一般来将机房建设包括机房装修、机房供配电系统(包括机房内的主设备用电、辅助设备用电)、防雷接地、UPS系统、机房新风系统、机房空调系统、机房综合布线、环境监控(漏水检测系统、温湿度探测、烟雾探测、配电柜、空调、UPS)、机房消防报警及灭火系统、机柜及KVM系统等几个部分,涉及到土建装修、空调通风、给排水、电气、消防、弱电等很多专业,这使得机房工程建设和运维具有很强的专业性特点。

计算机机房的建设和运维越来越复杂,急需可行的方法和工具去解决。针对计算机机房的计算机辅助设计和运维管理则应运而生。采用目前最先进的三维设计软件,可以极大提升计算机机房的设计质量、降低设计成本和建设成本,提高工作效率,也为后续精细化运维管理打下很好的基础。而基于三维模型的可视化综合运维管理一方面可以在计算机机房的三维模型上集成机房的运维信息,进行直观展示,对于计算机机房的运维水平有着十分显著的提升。

本文在介绍三维设计以及基于三维模型的运维技术的基础上,展示其在计算机机房工程中的应用案例,并给出未来计算机机房工程的BIM应用解决方案。

1. 计算机机房的发展现状

自计算机诞生之后,计算机机房一直有着十分重要的地位。早期由于计算机对环境要求很高,所以计算机机房的建设标准很高,随着计算机的性能提升,一般的计算机对环境要求已经降低到可以适应日常办公环境,但高端计算机和相关设备对环境仍然有很高的要求。

计算机机房按照用途大概可以分为一般性单位机房、IDC机房以及云计算机房。一般性单位机房一般规模较小,而IDC和云计算机房规模较大。

计算机房的第一阶段主要是提供场地、电源、网络线路、通信设备、基础电信资源和设施的托管和线路维护服务。第二阶段是90年代中进入互联网时代之后,互联网高速发展带动了网站数量激增,各种互联网设备如服务器、主机、出口带宽等设备和资源的集中放置和维护需求提高,主机托管、网站托管是主要业务类型,这个阶段互联网数据中心(IDC)被广泛认可。IDC企业围绕主机托管服务也提供包括数据存储管理、安全管理、网络互联、出口带宽的网络选择等服务,IDC成为企业IT基础设置的核心。第三阶段的数据中心概念被扩展,大型化、虚拟化、综合化数据中心服务是主要特征,尤其是云计算技术引入后,数据中心突破了原有的场地出租、线路带宽共享、主机托管维护、应用托管等服务,更注重数据的存储和计算能力的虚拟化、设备维护管理的综合化。新型数据中心采用高性能基础架构,实现资源按需提供服务,并通过规模运营降低能耗。

随着计算机机房或数据中心的规模扩大,计算机机房的建设和运维暴露出越来越多的问题。

在建设阶段,早期计算机机房规模较小,往往可以根据简单的设计示意图即可开展施工,而随着规模的扩大,这种简单设计模式导致施工时出现碰撞更改设计、材料损耗大、工期无法控制等问题,使得设计和施工的成本大大增加,机房工程项目逐步变的没有利润。

在运维阶段,从运维人员状况“工作超负荷,身体遭荒废。饮食无规律,进餐不科学。工作压力大,生活评价低。”中就可以看出目前存在的问题。由于计算机机房规模越来越大,设备越来越密、业务越来越集中,计算机机房的运维管理风险和管控难度急剧上升,面临越来越多的挑战。一次负面的印象需要很长时间才能挽回;任何宕机都可能导致经济损失和客户流失。据统计,计算机机房中的80%的宕机是由于变更引起的,修复时间的80%都用于去发现到底之前变更了什么,而一旦发现问题,80%的问题都可以马上得到修复。计算机机房的运维急需一个全方位的运维管理系统,掌握数据中心的状态和变更影响,了解并优化数据中心资源,及时发现和快速定位问题所在,降低运营风险。

而三维设计技术(BIM)的发展使得运维管理可以进入全三维、可视化、综合集成、自动化和智慧化时代。

2. 三维设计技术(BIM)及其应用

三维设计技术(BIM)的基础是计算机辅助设计(CAD)以及计算机图形学,一般的三维CAD软件包括三维建模、碰撞检查、三维校审、图表生成、图标编辑以及支撑软件运行的参数化图形库管理、工程数据库管理、模板库管理等功能,有的CAD软件还包括分析计算、一致性检查、协同设计管理等功能。

CAD技术是指设计人员在计算机系统的辅助之下,根据产品加工或工程建设程序进行设计的一项技术,可为设计人员提供各种快速、有效的工具和手段,缩短设计工期、优化设计结果、提高设计质量、降低设计和制造或建造成本,以达到最佳的设计效果。CAD技术产生于本世纪50年代后期,当时主要用于航空和军事工业中。随着计算机软硬件技术和计算机图形学、互联网等技术的发展,CAD技术和应用发展迅速,目前大多数行业已广泛使用CAD软件,CAD技术的应用已经成为衡量设计单位设计能力的重要指标。CAD技术的发展和应用水平也己成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志。CAD技术有力地促进了高新技术的发展、新产品的迅速更新换代、大型工程的大规模建设,进而推动的经济和社会的全面发展。例如,在CAD软件的辅助下,波音777大型客机实现了“无纸设计”和“无纸制造”,使得设计成本下降30%以上;大型工程的建设成本可降低5%左右。

CAD软件按照其设计对象大致可分为2个大类:一类用于产品设计,如机械零部件、电子芯片、服装、电器设备等;另一类用于工程设计,如道路、桥梁、大坝、工厂、建筑、舰船、计算机机房等。这两类CAD存在明显的差异,产品类CAD对产品的细节或精度要求很高,设计成果以三视图为主;工程类CAD则对细节要求不高,而对宏观结构要求较高,这是因为工程模型一般占用内存较大,而如果对细节要求高的化,目前的计算机能力无法满足需要。工程CAD的输出成果多种多样且数量较多,因为对从模型自动生成图纸和材料表等有较高的要求。不同专业对图纸和材料表有不同的要求,平立剖面图的绘制往往需要满足工程规则。

BIM的设计对象一般有两个方面,即基础设施和工业,基础设施方面如长输管道(水、电、油、气等)、建筑、道路、桥梁、港口、机场、大坝等;工业方面,设计对象主要包括流程工厂、离散工厂、混合工厂、舰船等。机房工程涉及建筑、暖气通风、电气、桥架、支吊架等专业,完全可以使用BIM软件来进行设计。下面两个图分别展示用BIM软件建立的计算机机房中电缆及桥架三维模型、暖气和通风三维模型,在模型建立完成之后,软件可自动生成所需要的平立剖面图、ISO图(等轴测无比例管线图)、材料表等设计成果。

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目前应用较好的工程类CAD软件供应商国外的主要有BentleyAVEVAInterGraphAutoDesk等,国内的供应商主要有中科辅龙、理正、博超、天正、建研院、盈建科、广联达等,能够提供工程的全生命期(研究、设计、建造、运营、改造等)需要的设计和管理软件,如协同管理、工艺总平面图设计、工艺自控流程图设计、管道设计、结构设计、建筑设计、设备设计、暖通设计、给排水设计、电气设计、自控设计、电缆桥架设计、支吊架设计、三维模型校审、预制设计、质保追溯、分析计算等,在如石油、石化、化工、电力、冶金、轻工、纺织、医药、市政、环保、交通、水利等领域有着较为广泛的应用。

BIM软件的应用,极大提高了设计效率和质量,通过设计优化以及精细化管理工具,可以降低设计和建造成本。据统计,对于绘制一张图纸而言,传统手工绘制一般需要二天,而使用计算机辅助直接绘制二维图纸则需要2小时,使用BIM软件,在完成建模之后,软件可在几秒内自动完整图纸的绘制和标注。手工绘制方式具有绘图不够精确、工作量大、设计优化困难、冲突检查困难等问题,BIM软件则可大大减少繁杂的绘图工作量,使得设计人员可以将注意力更多集中在设计优化方面,进而加快工程建设进度和降低建设成本。下图是某设计单位使用中科辅龙的PDSOFT系列软件开展一个工程设计项目后给出的统计结果,其中设计工作量减少了25%,效率提升一倍,收益增加10%,客户满意度提升了20%

三维设计技术使得设计人员能够开展大型规模的工程设计,如果没有三维CAD软件,飞机、高铁、三峡大坝等工程设计和建设要顺利进行是不可想象的。

除了设计阶段的获得的好处之外,通过BIM软件,可以避免设计碰撞,减少错误,减少返工;提高预制深度,加快施工进度;精准的材料统计,减少建设成本。设计优化、工期缩短以及材料的节省等使得工程建造成本有较大的降低,也可提升工程建造完成后的运营效率和效益。

3. BIM技术在计算机机房工程建设中的应用

在计算机机房工程中使用BIM软件起步较晚,主要是由于早期的计算机机房不够复杂,但随着计算机机房的规模越来越大以及设备越来越多、越来越密,应用BIM进行计算机机房设计成为了必然的选择。

北京中科天博电源科技有限公司自2014年起,开始尝试在计算机机房工程设计中使用BIM软件,已经取得了有价值的成果。

3.1. 计算机机房工程项目介绍

本项目所涉机房总面积500平米,用BIM设计软件进行机房动力供配电系统、机房不间断电源供配电系统、机房制冷系统的设计。

机房动力供配电系统方面,机房采用双路供电,大楼低压配电室为一层整个机房供电系统提供两路630A电源,致一层UPS配电间两个输入总柜;UPS装置为机柜、门禁等弱电系统提供电源,本工程设计两台UPS设备。

根据机房用电负荷的要求,机房UPS系统采用两台200KVA UPS2xN的方式对机房机柜供电,且配置单机30分钟的后备电池。UPS配电系统设计四台UPS电源进线柜(两台一组),两台UPS出线柜、两台精密配电柜,为机房的服务器等设备提供电源。

制冷系统方面,网络机房采用制冷量60KW下送风机房精密空调系统3套(21备)、UPS配电间采用制冷量30KW上送风机房精密空调系统2套(11备),其他人员活动区域采用多联机舒适性空调。

3.2.所使用的软件

本项目设计过程中采用了中科辅龙公司提供的BIM软件PDSOFTTeamWork,该软件中集成了建筑设计系统(PDSOFT Arch)、暖气通风设计系统(PDSOFT HVAC)、电缆及桥架设计系统(PDSOFT Cable)、管道设计系统(PDSOFT 3DPiping)、支吊架设计系统(PDSOFT Support)。

3.3.设计过程

本次设计使用PDSOFT TeamWork,将建筑、设备、线缆、管道分别进行三维建模,如图1所示,最后整合在一起,形成机房工程三维模型,如图2所示。在在模型的基础上生成各类工程图纸和材料表,完成设计。

3.4 设计成果示例

PDSOFT软件,可以自动生成工程施工图纸及材料明细材料表,部分设计成果如图所示。


3.5. BIM的优势

利用三维设计软件,可准确、轻松地建立想要的机房工程三维模型,并且在此基础上可以完成许多2D绘图软件无法做到功能。

(1)三维展示。可以很方便地与业主及集成商进行沟通,三维模型可直观反映设计阶段、建设中和建设完成后的效果。

(2)模型检查。软件可自动进行楼体、设备、支架、管道、风道、线缆间的碰撞检查,防止出现碰撞而导致无法施工;在建模时,软件提前植入的规范性检查可防止设计错误发生;另外通过生成的高质量图片还能及时发现和纠正设计阶段不易察觉的错误,提高设计质量。

(3)快速生成各类二维图纸。

(4)材料统计。快速生成准确施工用材料(电缆,管道,风道等)清册,节约材料成本。

(5)提高工作效率。三维设计软件可有效减少重复劳动,减轻了设计人员劳动强度,缩短设计周期,提高设计效率,降低设计成本。

(6)数字化交付。为后续机房的可视化运维以及数字机房、智慧机房建设奠定基础。

4.BIM技术在计算机机房运维中的应用展望:智慧机房

三维机房模型是数字机房的基础,数字机房是人和物理世界之间的全新纽带

如同互联网改变了人与人的交流一样,数字机房也将会改变人与物理机房的互动,将催生出无数今天我们还不知道的新应用、新商业模式、甚至新的产业。

随着物联网、云计算、大数据等产业的发展,计算机机房规模越来越大、设备越来越密、业务越来越集中,计算机机房的运维管理面临越来越多的挑战。而基于三维模型的计算机机房可视化运维管理则可很大程度上解决目前机房运维所面临的问题。

机房运维管理涉及电缆、管道、门禁、视频、动环监控、动力配套、空调、消防、防雷、机柜、封闭通道、IT设备等管理,涉及的内容较多。在机房三维模型的基础上,可以实现以下功能:

(1)整体信息集成到三维模型。通过三维模型,可以将机房管理中的各类管理数据集成到三维模型上,如门禁、视频、3D内嵌视频、BA系统等,进而解决机房管理中的信息孤岛现象,实现机房运维的有效集成,形成机房运维的大数据。

(2) 机房信息的可视化展示。机房信息,如机房能效、机房用电、机房热点、动环监控信息、空调位置和状态、智能仪表信息等,均可和机房空间及三维模型关联展示,各类设备状态可快速查询和定位,方便用户动态掌握机房运维全局情况。

机房信息可视化可包括机房展示及巡视、实时设备诊断及报警显示、机房及机柜的温湿度环境、机房动力及负荷分布、机房安全防范、机房IT监测、机房资产、设备容量管理等很多方面。

(3)在线监测。机房运维相关仪表信息、视频监控信息等均可实时传送到机房三维模型中,通过三维模型或二维模型进行展示,实现在线监测和预警功能。各前端智能仪器(如温湿度采集器,智能电流表)通过直接或传感器不断采集前端设备(如进线柜、母联柜、出线柜,消防报警系统,门禁系统,各漏水检测点,环境温湿度测量,电池组,各空调机,各台UPS等)的数据(如电量,电压,温度,湿度,信号状态等等),对这些数据的分析和利用将大大提升机房安全和运行效率。

(4)设备等资产管理。机房中的设备等资产主要包括独立设备、架式设备、板卡级、端口级可视化、管线、桥架、电缆等,通过三维模型可以实现机房的精细化管理,从原先的设备级或管线级提升到部件级,可以极大提升管理效率和降低运维成本。资产可视化管理可帮助运维机构提升资产管理水平,减少在资产查找、盘点、统计方面的无效投入,通过资产信息与模型信息相关联,实现”“合一的管理模式,同时利用资产可视化的灵活查询,运维人员可以方便获取所需信息,从而有效支撑IT运维的过程。

(5)大数据分析。开展节能降耗和降低运维成本为目的的大数据分析。利用运维所累积数据,可以进行故障诊断分析、变更影响分析、动力优化分析等。

(6)其他应用。基于三维模型以及可视化功能,可以构造智能机房或智慧机房的各类应用,这些应用举例如下:机房安全防范、操作培训、安全应急演练、检维修管理、巡检管理、改造管理、企业形象展示等。

5. 总结及致谢

本文介绍了将BIM技术引入计算机机房工程的一些实践工作,并对进一步将三维图形技术引入到计算机机房运维后的应用做了展望,期望能够给相关单位一些启发。本文的相关工作起步不久,相信仍有很多改进之处,我们愿意和相关单位或人员进行广泛的交流,来促进机房工程行业的发展。

本文在写作过程中得到了北京中科辅龙计算机技术股份有限公司的帮助,在此表示感谢。


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