數(shù)據(jù)中心在后BIM時代的三維應用

羅志剛， 劉富饒， 田 軍（.江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，江蘇南京 00006；.東軟集團股份有限公司，遼寧大連 6085）

數(shù)據(jù)中心在后BIM時代的三維應用

羅志剛1， 劉富饒2， 田 軍2
（1.江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，江蘇南京 200006；2.東軟集團股份有限公司，遼寧大連 116085）

數(shù)據(jù)中心為建筑工程的BIM技術(shù)提供了更能發(fā)揮優(yōu)勢的應用場合。介紹了BIM技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應用價值，分析了BIM技術(shù)的數(shù)字化三維應用。指出BIM中的三維信息模型與成熟的游戲開發(fā)引擎等相關(guān)互動技術(shù)相結(jié)合，將使傳統(tǒng)的管理監(jiān)控軟件開發(fā)出更多的數(shù)據(jù)中心的三維展示、管理和監(jiān)控應用，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心管理的可知、可見和可控。

數(shù)據(jù)中心；建筑信息模型；三維模型；游戲開發(fā)引擎

羅志剛（1970-），男，高級工程師，從事暖通空調(diào)、數(shù)據(jù)中心及BIM應用方面的工作。

0 引 言

目前，數(shù)據(jù)中心正在向高密度發(fā)展，意味著數(shù)據(jù)中心的建設和管理能力也在逐漸面臨新的挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)中心的建設階段，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的產(chǎn)生和應用為節(jié)省成本、優(yōu)化工程做出了巨大的貢獻。BIM技術(shù)掌控數(shù)據(jù)中心建設全生命周期的信息和數(shù)據(jù)，因此有必要將BIM的價值持續(xù)應用到數(shù)據(jù)中心的管理和運營階段。

BIM中的三維信息模型，其中一項核心是可延續(xù)的產(chǎn)生價值的資源，應結(jié)合新時代的技術(shù)和環(huán)境，應用于新一代數(shù)據(jù)中心的建設當中，提供更多、更全面、更準確的信息。

1 BIM技術(shù)

1.1 建筑工程的生命周期管理

BIM以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖特點。BIM核心建模軟件如圖1所示。

圖1 BIM核心建模軟件

在建筑工程整個生命周期中，BIM可以實現(xiàn)集成管理，因此模型既包括建筑物的信息模型，同時又包括建筑工程管理行為模型。因此，在一定范圍內(nèi)可以模擬實際的建筑工程建設行為，準確評估建筑策劃設計的合理性和可行性。

1.2 特 點

BIM技術(shù)通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設計團隊及包括建筑運營單位在內(nèi)的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。具體體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）三維模型渲染動畫，給人以沉浸體驗和直接的視覺沖擊。三維的BIM模型可以作為持續(xù)渲染開發(fā)的模型基礎，大大提高了三維渲染效果的逼真性和高效性。

（2）三維可視化功能增加了時間維度，可以進行虛擬施工演練，將施工計劃與實際進展進行對比，同時進行有效協(xié)同，使施工方、監(jiān)理方等都能了解工程項目的各種狀況。BIM技術(shù)結(jié)合施工方案、施工模擬和現(xiàn)場視頻監(jiān)測，大幅減少了建筑質(zhì)量問題和安全問題，減少了返工和整改時間。

（3）與傳統(tǒng)模式相比，三維BIM的優(yōu)勢明顯，因為建筑工程等相關(guān)的工作都可以從BIM中抽出需要的信息，既可指導相應工作，又能將相應工作的信息反饋到模型中。

2 BIM技術(shù)的數(shù)字化三維應用

2.1 BIM技術(shù)的三維模型價值

BIM最直觀的特點在于三維可視化，在前期可以進行碰撞檢查，優(yōu)化工程設計，減少在建筑施工階段可能存在的損失和返工的可能性，且優(yōu)化管線排布方案。施工人員可以利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案進行施工交底、施工模擬，提高與業(yè)主溝通的能力。

BIM中的三維信息模型包含整個建筑的全部信息內(nèi)容，應用于項目規(guī)劃、設計和實施階段具有重大價值。BIM應更好地應用于建筑竣工后的運維和運營階段，以產(chǎn)生更大的價值。

由于BIM技術(shù)的強大功能和復雜關(guān)系，決定了應用人群為專業(yè)人士。如果能將BIM中的三維模型等核心資源結(jié)合，采用人機交互式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，持續(xù)應用在數(shù)據(jù)中心的運維管理、監(jiān)控管理、全景資產(chǎn)展示等后期的運維和運營階段，就可以實現(xiàn)操作方式平民化。BIM模型與Unity 3D模型如圖2所示。

圖2 BIM模型與Unity 3D模型

2.2 與游戲引擎Unity的結(jié)合

Unity可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android平臺，也可以利用Unity Web Player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。

Unity引擎主要功能模塊包括粒子系統(tǒng)、動畫系統(tǒng)、物理引擎、烘焙技術(shù)、渲染特效等組件工具，以及Unity腳本開發(fā)、輸入與控制、GUI開發(fā)、Shader開發(fā)、網(wǎng)絡開發(fā)、編輯器擴展等多種開發(fā)環(huán)境，同時提供了Asset Bundle工作流程、腳本調(diào)試與優(yōu)化、跨平臺發(fā)布等多項高級內(nèi)容。Unity核心技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 Unity核心技術(shù)架構(gòu)

BIM技術(shù)與游戲引擎技術(shù)結(jié)合，打造全新的數(shù)據(jù)中心管理監(jiān)控平臺，實現(xiàn)傳統(tǒng)管理軟件與新型游戲軟件的完美結(jié)合，采用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的運維管理需求。

3 應用于數(shù)據(jù)中心的三維技術(shù)

BIM 技術(shù)中的三維模型信息與數(shù)據(jù)中心運行數(shù)據(jù)結(jié)合，實現(xiàn)云計算園區(qū)（數(shù)據(jù)中心）、樓層、機房、機柜組和機柜、設備的三維應用，支持在三維場景中以圖形化方式展示容量、能耗、人員等各類統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。應用游戲引擎優(yōu)化技術(shù)控制場景資源的加載模式，為用戶提供高效、準確和穩(wěn)定的應用功能及操作體驗。數(shù)據(jù)中心的三維應用如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)中心的三維應用

3.1 BIM的三維模型庫管理

在數(shù)據(jù)中心建設過程中，BIM技術(shù)產(chǎn)生了巨大的三維模型數(shù)據(jù)，并記錄完整的建筑信息和真實的位置信息。通過圖形化數(shù)據(jù)庫，將所有建筑模型及相關(guān)信息進行數(shù)字化管理，并保持歷史數(shù)據(jù)的準確性，同時增加維護新設備的三維模型信息。三維模型庫管理范圍至少應包括以下幾種類型：

（1）園區(qū)環(huán)境模型，展現(xiàn)數(shù)據(jù)中心園區(qū)實景的物理結(jié)構(gòu)和大樓的整體布局。

（2）建筑物模型，對數(shù)據(jù)中心建筑外觀、主體結(jié)構(gòu)、樓層數(shù)目等物理結(jié)構(gòu)的建模，展現(xiàn)墻、門和窗戶，并根據(jù)實際情況定義其不同的材質(zhì)。

（3）機房結(jié)構(gòu)模型，包含對機房墻面、天花、地板和隔斷等物理結(jié)構(gòu)的建模，展現(xiàn)數(shù)據(jù)中心樓體內(nèi)部的機房結(jié)構(gòu)布局。

（4）機房設施模型，對機房內(nèi)的資產(chǎn)設施，如配電柜、UPS和電池等建模。

（5）機柜設備模型，展現(xiàn)與實際設備高度相似的機柜和電量儀等設備。

3.2 數(shù)據(jù)中心的全資產(chǎn)監(jiān)控

通過游戲引擎的場景編程、物理引擎和烘焙技術(shù)、燈光烘焙等技術(shù)，全景展示周邊環(huán)境、樓宇、機房及周邊房間的場景視圖；可以多場景（視角）三維展示機房，實現(xiàn)動態(tài)旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等功能；通過用戶操作可以逐級展示數(shù)據(jù)中心的樓宇、樓層和機房；真實展現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的資產(chǎn)，并可點擊展示其基礎信息和應用狀態(tài)等信息，使數(shù)據(jù)中心進入更標準的數(shù)據(jù)化管理模式。

通過集成各類監(jiān)控終端設備的接口，獲取實施監(jiān)控數(shù)據(jù)，并且通過分類管理、資源配置等功能統(tǒng)一維護監(jiān)控數(shù)據(jù)。在三維場景中實時展現(xiàn)監(jiān)控及告警信息，以多種可視化方式詮釋各類告警信息的數(shù)據(jù)。利用游戲引擎的渲染技術(shù)和音頻系統(tǒng)，當某區(qū)域或設備出現(xiàn)告警信息后，系統(tǒng)會自動采用圖形、聲音等進行告警展示。管理人員看到提示后，可以準確定位告警位置和告警設備。數(shù)據(jù)中心三維全資產(chǎn)監(jiān)控如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中心三維全資產(chǎn)監(jiān)控

3.3 游戲效果的虛擬漫游

應用游戲引擎的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可實現(xiàn)第一人稱的虛擬漫游功能，通過簡單操作、虛擬巡游于數(shù)據(jù)中心各個角落，查看各類信息。同時，依據(jù)RPG游戲的應用思維，提供縮小比例尺的同地形、小地圖導航，時刻提醒操作者目前所在的位置，展現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的場景地形圖。

通過虛擬漫游功能，可以在建筑物內(nèi)部行走，并實時顯示用戶所看到的三維場景畫面；可看到建筑裝修情況及各種儀器、儀表設備等被監(jiān)控對象。在巡視過程中，也可以在虛擬場景中執(zhí)行一些喜歡的巡視操作，可以隨時自由調(diào)整三維視角，選擇最佳瀏覽方式，獲得更佳的視覺效果。

通過三維場景虛擬漫游技術(shù)，可以進一步實現(xiàn)運維工作自動巡檢、自動漫游等功能；制定行走路線及巡檢規(guī)則，模擬數(shù)據(jù)中心運維人員的每日巡檢、每月定檢、每年定檢等運維管理工作。游戲效果的虛擬漫游如圖6所示。

圖6 游戲效果的虛擬漫游

3.4 統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的三維展示

數(shù)據(jù)中心在建設階段和運維階段，不斷地產(chǎn)生運營和管理數(shù)據(jù)。對于種類繁多、數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)，同樣可以在三維場景中更直觀、更準確地展示。

（1）能效數(shù)據(jù)。BIM節(jié)能分析技術(shù)可分析與計算持續(xù)應用于數(shù)據(jù)中心運營階段的能耗數(shù)據(jù)，在三維場景中直觀展示能耗分布情況和能效占比情況。

（2）容量數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)的空間分析技術(shù)全面抽取U位、機位、承重、功耗等容量數(shù)據(jù)，并且對容量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等操作。通過三維可視化技術(shù)，以三維視圖展現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，并且為用戶提供多種維度的搜索、統(tǒng)計功能，準確、合理地使用數(shù)據(jù)中心資源。機柜容量的三維展示如圖7所示。

圖7 機柜容量的三維展示

3.5 溫度云場的三維模擬

BIM熱能環(huán)境模擬技術(shù)，與游戲引擎的Shader開發(fā)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的實時溫度變化的仿真，并以多種色彩表示不同溫度范圍，輔助數(shù)據(jù)中心管理人員監(jiān)控和調(diào)整數(shù)據(jù)中心資源分布情況，避免延誤故障排除。溫度云場的三維模擬如圖8所示。

圖8 溫度云場的三維模擬

4 結(jié) 語

BIM在設計和施工階段已經(jīng)被廣泛應用，而在設施維護中的應用案例并不是很多，其技術(shù)的外延尚未得到有效挖掘。BIM技術(shù)在運營維護階段的實際需求非常大，尤其是對于智能建筑的運營維護。隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，BIM技術(shù)在運維階段的應用將迎來一個重要契機。未來將充分挖掘BIM技術(shù)中三維模型的信息價值，并結(jié)合交互式游戲引擎技術(shù)，將BIM技術(shù)應用于數(shù)據(jù)中心的運維和管理中，監(jiān)控數(shù)據(jù)中心的實時數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心管理的可知、可見、可控，進而打造新一代的綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心。

［1］ 何關(guān)培.BIM總論［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］ 劉濟瑀.勇敢走向BIM 2.0［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［3］ 宣雨松.Unity 3D游戲開發(fā)［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［4］ 鐘景華.新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

3D Applications of Data Center in the next Era of BIM

LUO Zhigang1， LIU Furao2， TIAN Jun2
（1.Jiangsu Post&Telecommunications Planning and Designing Institute Co.，Ltd.，Nanjing 200006，China；2.Neusoft Group Co.，Ltd.，Daliang 116085，China）

The data center provides the better application situation for the building information modeling（BIM）technology.This paper introduced the use value of BIM technology in the data center，and analyzed the digital 3D application of BIM technology.It is pointed out that the 3Dmodels of BIM are combined with the game engine and the Internet technique，which makes the traditional monitoring and management software create the modes of 3D presentation，monitoring and management in order tomake themanagement visible and controllable.

data center；building information modeling（BIM）；3D model；game engine

TU 244.5

B

1674-8417（2015）09-0026-04

2015 09 07

劉富饒（1985-），男，工程師，從事數(shù)據(jù)中心管理、大數(shù)據(jù)、BIM應用的工作。

田 軍（1982-），男，高級工程師，從事數(shù)據(jù)中心管理、云計算、大數(shù)據(jù)、BIM應用的工作。