基于Hadoop大數(shù)據(jù)框架的BIM數(shù)據(jù)云平臺架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

(1.復(fù)旦大學(xué)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200433； 2.華東建筑集團(tuán)股份有限公司，上海 200041)

1 引言

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)是全壽命期工程項目或其組成部分的物理特征、功能特性及管理要素等共享信息應(yīng)用的數(shù)字化表達(dá)，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(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息模擬建筑物所具有的真實信息[1]。BIM的價值在于信息的整合，它改變了建筑行業(yè)的生產(chǎn)方式和管理模式，有效解決了建筑建造過程中多組織、多階段、全生命周期中的信息共享問題，為建筑從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠的依據(jù)。

隨著BIM技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，行業(yè)內(nèi)不再局限于工具軟件層面以及項目單體的應(yīng)用，城市級海量BIM數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析的應(yīng)用需求日益增加，目前常見的解決方案主要存在以下問題：

(1)計算資源受限，當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)化建筑信息模型系統(tǒng)都是傳統(tǒng)的集中式應(yīng)用軟件，隨著模型的規(guī)模和復(fù)雜性不斷增加，使用單機(jī)進(jìn)行BIM模型的處理和海量數(shù)據(jù)存儲變得越來越困難，BIM數(shù)據(jù)的共享和管理效率受到影響；

(2)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，各個商業(yè)化BIM軟件產(chǎn)品都有其特定的文件格式，用戶使用時必須使用特定的軟件工具，盡管現(xiàn)在已經(jīng)提出了通用的BIM數(shù)據(jù)格式，例如工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)[2]，但是各個商業(yè)軟件的數(shù)據(jù)定義邏輯和定義方法不盡相同，因此要保持導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的一致性是非常困難的，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失；

(3)側(cè)重于單個項目的管理，無法應(yīng)對大量BIM項目的綜合查詢及分析應(yīng)用；

(4)缺乏針對海量BIM數(shù)據(jù)管理的手段，業(yè)內(nèi)缺乏基于大數(shù)據(jù)框架的BIM軟件系統(tǒng)，無法滿足日益增加的城市級BIM應(yīng)用需求。

為解決這些問題，本研究提出了一個基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的BIM數(shù)據(jù)云平臺。云計算具有強(qiáng)大的計算資源整合調(diào)配能力，可以為海量的數(shù)據(jù)管理和各類應(yīng)用提供服務(wù)[3]。本文提出的BIM數(shù)據(jù)云平臺基于云計算的系統(tǒng)架構(gòu)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對符合國際標(biāo)準(zhǔn)的海量BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲、管理與分析應(yīng)用。該系統(tǒng)提供基于web的交互式可視化、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)抽取等功能，通過BIM數(shù)據(jù)的積累未來服務(wù)于建筑行業(yè)BIM大數(shù)據(jù)分析與挖掘。

2 相關(guān)研究

楊鎮(zhèn)宇和周佶等[4]對BIM云平臺的應(yīng)用優(yōu)勢與在實際運用中的局限性進(jìn)行了研究。劉維躍和孔震等[5]，針對BIM技術(shù)在項目設(shè)計階段的應(yīng)用，運用自主研發(fā)的BIM云平臺，建立項目設(shè)計階段中 BIM 技術(shù)應(yīng)用的工作流程。張紹華和焦毅等[6]，提出一種支持協(xié)同治理的BIM云平臺建模方法，將BIM應(yīng)用劃分為preBIM、BasicBIM、BIMinstance 三種形態(tài)，對每種形態(tài)的動作、流程和并行性進(jìn)行定義，構(gòu)建基于Hadoop計算框架的BIM云平臺，并通過碰撞檢測實例結(jié)果驗證了BIM云平臺在協(xié)同治理中的有效性。徐迅和李萬樂等[7]，針對建筑企業(yè)在傳統(tǒng) BIM 應(yīng)用中遇到的成本高、管理復(fù)雜等問題，提出了一種BIM私有云平臺中心的解決方案，對BIM云平臺框架進(jìn)行設(shè)計，包括存儲層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用接口層和訪問層等的設(shè)計。陳澤琳和潘運軍等[8]，提出一個面向BIM應(yīng)用的云服務(wù)框架，在Hadoop分布式軟件框架上設(shè)計了云存儲、云平臺服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)和客戶端應(yīng)用四層結(jié)構(gòu)，并通過實驗，驗證了該框架組織的建筑信息具有并發(fā)處理能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點。

商業(yè)產(chǎn)品方面，Autodesk發(fā)布了Autodesk 360[9]，這是一種基于賬戶的Web端應(yīng)用程序，使注冊用戶可以通過移動設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)查看、編輯和共享BIM，該產(chǎn)品所使用的云服務(wù)供應(yīng)商不在國內(nèi)，存在數(shù)據(jù)安全方面的問題。

已有的研究工作主要集中于BIM云平臺的架構(gòu)設(shè)計方面，對于平臺功能的具體實現(xiàn)，以及架構(gòu)設(shè)計的合理性和有效性驗證較為欠缺。在面向建設(shè)階段的各類BIM技術(shù)應(yīng)用中，涉及BIM數(shù)據(jù)管理技術(shù)的應(yīng)用還鮮見，特別是對于城市級海量BIM數(shù)據(jù)的存儲管理、分析應(yīng)用尚缺乏有效的技術(shù)解決方案。

3 平臺架構(gòu)設(shè)計

針對大數(shù)據(jù)時代海量BIM數(shù)據(jù)存儲和管理的新需求，本研究對傳統(tǒng)的BIM數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行變革，提出一種基于Hadoop大數(shù)據(jù)架構(gòu)的BIM數(shù)據(jù)云方案，如圖1所示，即在綜合運用多種數(shù)據(jù)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出BIM數(shù)據(jù)存儲管理與BIM數(shù)據(jù)處理與加工分離的技術(shù)架構(gòu)。突出了BIM數(shù)據(jù)管理的重要性并通過技術(shù)架構(gòu)的革新，實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)平臺的存儲，通過Hbase和HDFS，可實現(xiàn)PB級BIM模型的存儲與管理，是當(dāng)前城市級BIM數(shù)據(jù)管理的理想數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

對于批量上傳到平臺的IFC文件，其中包含海量的BIM模型對象，系統(tǒng)將其自動解析，以統(tǒng)一的對象名存儲在分布式列存儲Hbase數(shù)據(jù)庫上，并通過建立相關(guān)索引，秒級響應(yīng)相關(guān)的按名稱或按類型的查詢。并且該存儲結(jié)構(gòu)支持橫向擴(kuò)展，只需要增加相應(yīng)的服務(wù)器節(jié)點，即可對于新增IFC模型，在不停止現(xiàn)有服務(wù)的情況下動態(tài)擴(kuò)容。

平臺提供Web界面供用戶登錄訪問，并提供BIM數(shù)據(jù)上傳、模型3D可視化、對象查詢、屬性信息展示、子模型抽取等功能，同時可以提供API接口供其他應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用。

圖1 基于Hadoop大數(shù)據(jù)架構(gòu)的BIM數(shù)據(jù)云

4 功能實現(xiàn)

4.1 BIM數(shù)據(jù)文件解析

對于用戶上傳到平臺的BIM工程IFC文件(符合IFC2x3標(biāo)準(zhǔn))，系統(tǒng)對其自動解析和反序列化，以對象形式存儲在分布式列存儲hbase數(shù)據(jù)庫上，并通過建立相關(guān)索引，快速響應(yīng)相關(guān)的按名稱或按id的查詢。

HBase是一個分布式的、列存儲開源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是Hadoop大數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架中提供在線數(shù)據(jù)查詢功能的重要數(shù)據(jù)管理技術(shù)。HBase在本BIM數(shù)據(jù)云平臺中主要負(fù)責(zé)存儲海量的IFC數(shù)據(jù)，是所有BIM數(shù)據(jù)的共享中心。

4.2 基于WebGL的3D可視化

平臺具備IFC模型的3D可視化互操作能力，支持對BIM模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、切分、目錄樹瀏覽和透明、虛化展示等； 支持對某個視圖截圖添加注釋并保存； 在某個對象位置單擊，展示該對象的屬性列表等。

可視化互操作的實現(xiàn)基于開源WebGL引擎Xeogl，如圖2所示。Xeogl具有較好的3D視覺效果，使用攝像頭導(dǎo)航瀏覽組件，使用鼠標(biāo)，指示筆等與組件交互，快速有效地查詢組件邊界，輪廓性能和定義新的組件類型等。

圖2 基于WebGL的3D可視化

4.3 BIM對象查詢

IFC模型中大量的BIM對象，如IfcDoor，IfcWindow，IfcSpace等往往包含非常豐富各類信息。如，攝像頭A，空間B等。本系統(tǒng)支持對這些BIM對象的語義搜索功能，用戶只需要輸入相應(yīng)的對象名稱，如空間名“1130402”(113號402單元)，系統(tǒng)即返回該對象作為查詢結(jié)果，如圖3所示。上述功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是BIM對象查詢屬性的索引技術(shù)。通過屬性信息可以快速查詢對象id，并獲取相應(yīng)對象的幾何及屬性信息。

平臺可以支持精確的語義對象的查詢，如查詢某個BIM項目的外部輪廓、每一個樓層、每一個內(nèi)部空間等特定類型的對象等。

(1)建筑信息模型外部輪廓，包括墻面、樓板、窗戶、柱子等，查詢某個BIM項目的外部輪廓就是查詢出項目的這些子元素，如圖4所示。

(2)樓層查詢，通過輸入子樓層的名稱比如4樓， 4F，F(xiàn)4等，然后返回并呈現(xiàn)出bim項目相應(yīng)的樓層，如圖5所示。

(3)內(nèi)部空間查詢，通過輸入子空間的名稱如“501”，“4501”等等，然后返回并呈現(xiàn)出bim項目相應(yīng)的空間，如圖6所示。

圖3 BIM子空間對象查詢

圖4 建筑信息模型外部輪廓

圖5 建筑信息模型樓層查詢

圖6 建筑信息模型內(nèi)部空間查詢

(4)BIM內(nèi)部對象的查詢查詢。通過輸入對象名稱進(jìn)行查詢。例如，查詢“陽臺邊緣”和“攝像機(jī)”等，如圖7、圖8所示。

圖7 建筑信息模型陽臺邊緣對象查詢

圖8 建筑信息模型攝像機(jī)對象查詢

4.4 BIM子模型抽取

在精細(xì)化城市運營和運維管理中，通常需要對符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)應(yīng)用子模型進(jìn)行查詢與抽取。例如，進(jìn)行建筑疏散模擬分析時，需要抽取BIM模型的樓層、樓板、隔墻、門窗洞口、消防設(shè)施、垂直通道等BIM子模型。再例如，進(jìn)行建筑運維管理的時候，需要抽取運維所需信息，包括建筑平面布置、房間空間信息、資產(chǎn)信息、設(shè)施信息等。BIM數(shù)據(jù)云平臺支持各類BIM子模型的抽取和導(dǎo)出，例如，建筑信息模型hvac子模型抽取如圖9所示。

圖9 建筑信息模型hvac子模型抽取

5 技術(shù)創(chuàng)新

5.1 基于分布式大數(shù)據(jù)架構(gòu)支持PB級城市數(shù)據(jù)的管理

(1)平臺利用基于云的分布式并行計算資源，在Hadoop大數(shù)據(jù)處理平臺上，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲基于IFC的BIM模型數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一存儲與管理；

(2)通過分布式的加工與處理池實現(xiàn)海量模型數(shù)據(jù)的大規(guī)模分布式并行處理與響應(yīng)，基于Hadoop平臺的數(shù)據(jù)庫可以方便的支持PB級的數(shù)據(jù)存儲與管理，具有優(yōu)異的系統(tǒng)擴(kuò)展性；

(3)基于大數(shù)據(jù)分布式數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)，與Mapreduce，Spark等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)框架具有內(nèi)在的統(tǒng)一與系統(tǒng)融合性。不僅可以有效的滿足海量BIM數(shù)據(jù)的存儲與加工處理，還為大數(shù)據(jù)分析與基于人工智能算法的城市應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)平臺與條件。

5.2 基于信息交換模板的BIM子模型抽取能力

信息交換模板是在信息交換需求和軟件實現(xiàn)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的BIM信息交換電子文檔。主要形式包括電子表格，IFC Express，XML等電子文件。信息交換模板主要面向最終用戶，承載可用于機(jī)器交互和人員閱讀的BIM交換信息。

平臺提供基于信息交換模板的BIM子模型查詢與抽取功能，如圖10所示，可以根據(jù)BIM應(yīng)用的需求，抽取滿足應(yīng)用需求的BIM對象，例如查詢并下載建筑樓層、空間、建筑外層模型、各類專業(yè)模型、運維等多種子模型。與傳統(tǒng)的查詢不同的是，本系統(tǒng)可以支持基于精確的語義對象名稱的查詢，如只查詢樓頂和底板，而不必返回每層樓板等不相關(guān)的對象。

圖10 基于信息交換模板的BIM子模型查詢與抽取功能

6 結(jié)論

本研究通過Hadoop大數(shù)據(jù)框架、WebGL 3D技術(shù)和BIM信息交換模板等技術(shù)的結(jié)合，提出并實現(xiàn)了適用于海量BIM數(shù)據(jù)存儲、管理和分析應(yīng)用的BIM數(shù)據(jù)云平臺，包含以下功能：BIM數(shù)據(jù)文件解析，基于WebGL的3D可視化、BIM對象查詢、BIM子模型抽取。本平臺聚焦海量BIM數(shù)據(jù)的管理需求，通過技術(shù)架構(gòu)的革新，實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的大規(guī)模的存儲和管理，通過運用Hadoop及Hbase、HDFS技術(shù)，實現(xiàn)了可支持PB級規(guī)模的BIM模型數(shù)據(jù)的存儲與管理，是當(dāng)前城市級BIM數(shù)據(jù)管理的理想數(shù)據(jù)管理平臺。

[1] DG/TJ08-2201-2016，建筑信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] www.buildingsmartalliance.org，IFC：Industrial Foundation Classes.

[3] L.M.Vaquero，L.Rodero-Merino，J.Cáceres，M.Lindner，A break in the clouds：towards a cloud definition，ACM Comput.Commun.Rev.39(1)(2009)50-55.

[4] 楊鎮(zhèn)宇， 周佶.BIM云平臺的應(yīng)用優(yōu)勢與在實際運用中的局限性[J].山西建筑， 2016, 42(35): 255-257.

[5] 劉維躍， 孔震，曾敏，徐海林，王超軍.基于BIM云平臺的協(xié)同設(shè)計管理研究[J].價值工程， 2017, 36(32): 68-71.

[6] 張紹華， 焦毅，陳鋼.支持協(xié)同治理的建筑信息模型云平臺建模與架構(gòu)研究[J].計算機(jī)工程， 2016， 42(11)： 95-101,108.

[7] 徐迅， 李萬樂，駱漢賓，魏然，趙辰光.建筑企業(yè)BIM私有云平臺中心建設(shè)與實施[J].土木工程與管理學(xué)報， 2014, 31(02): 84-90.

[8] 陳澤琳， 潘運軍，何浥塵，齊德昱.一種基于Hadoop的BIM云服務(wù)框架和空間位置檢索算法[J].計算機(jī)科學(xué)， 2014， 41(11)： 107-111,117.

[9] 360.autodesk.com，Autodesk 360.