輕量化BIM私有桌面云系統(tǒng)在工程項目中的應(yīng)用

張 宇 張 亮

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 200129

BIM技術(shù)的出現(xiàn)是建筑施工行業(yè)的一次重大革命，極大地促進(jìn)了行業(yè)的科技進(jìn)步、轉(zhuǎn)型升級與創(chuàng)新發(fā)展，對整個行業(yè)的發(fā)展趨勢轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了不可估量的影響[1]。近年來，隨著BIM技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算等信息技術(shù)的不斷融合發(fā)展，建筑施工管理也逐漸由人工方式向著信息化、智能化管理方向升級轉(zhuǎn)化，既顯著提升了管理效率和效果，還節(jié)省了大量的工程管理成本。

本文通過對輕量化BIM私有云系統(tǒng)在上海嘉定再生能源利用中心項目中的具體應(yīng)用與成效進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)出了一套切實可行的工程信息化建設(shè)解決方案，為私有云的進(jìn)一步落地推廣創(chuàng)造條件。

1 技術(shù)背景

云計算（Cloud Computing）是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件和信息資源可以按需提供給計算機和其他終端使用[1]，它是網(wǎng)格計算、分布式計算、并行計算、效用計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、虛擬化和負(fù)載均衡等計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物[2]。云計算按照服務(wù)方式可以劃分為公有云、私有云和混合云；按照服務(wù)類型可以劃分為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)云、平臺服務(wù)云和軟件服務(wù)云[3]。

虛擬化技術(shù)是云計算技術(shù)的重要支撐技術(shù)，它可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程[4]。虛擬化技術(shù)種類繁多，如桌面虛擬化、服務(wù)器虛擬化、系統(tǒng)虛擬化等均屬于其范疇。

桌面虛擬化技術(shù)是一種將計算機用戶使用的個人計算機桌面與物理計算機相隔離的技術(shù)。在桌面虛擬化系統(tǒng)中，用戶的桌面操作系統(tǒng)都是運行在后臺的服務(wù)器上；通過遠(yuǎn)程桌面交付協(xié)議，將運行在服務(wù)器上的桌面影像傳送到用戶的訪問終端，同時桌面交付協(xié)議也將用戶訪問終端上的鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸（有觸摸功能的智能設(shè)備）等指令發(fā)送到后臺的虛擬桌面上，完成操作交互。其核心就是遠(yuǎn)程桌面交付協(xié)議，傳輸?shù)闹饕獮槿藱C交互數(shù)據(jù)，同時是一種高效率的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，采用了大量的數(shù)據(jù)壓縮、加密和連接優(yōu)化技術(shù)，保證了用戶的使用體驗以及數(shù)據(jù)安全[5]。

在工程建設(shè)行業(yè)踐行數(shù)字化建造理念的過程中，BIM技術(shù)與云計算技術(shù)作為基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)是不可或缺的，二者的集成應(yīng)用能有效地實現(xiàn)終端設(shè)備的協(xié)同，數(shù)據(jù)的處理、存儲與資源共享，提升各方的協(xié)同工作效率，降低BIM技術(shù)應(yīng)用門檻。

2 BIM系統(tǒng)架構(gòu)模式

目前，業(yè)內(nèi)使用的BIM技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)模式基本為如下2種：

1）單機模式。即每位用戶擁有一個圖形工作站，BIM軟件安裝在獨立的工作站上，BIM模型數(shù)據(jù)也存儲在本地。

2）基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）的模式。即企業(yè)建立一個BIM數(shù)據(jù)管理平臺，集中保存和管理企業(yè)內(nèi)部所有的BIM模型數(shù)據(jù)。每位用戶仍舊各自擁有一臺圖形工作站，在本地圖形工作站上安裝、運行BIM軟件，完成當(dāng)前任務(wù)后，通過網(wǎng)絡(luò)將BIM模型上傳至PDM服務(wù)器，由PDM服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一存放和管理，以便于后續(xù)的工作。

這2種系統(tǒng)架構(gòu)模式都存在硬件成本高、數(shù)據(jù)安全性差、系統(tǒng)管理復(fù)雜等問題。為此，我們在上海嘉定再生能源利用中心項目中創(chuàng)建了輕量化BIM私有桌面云系統(tǒng)，有效地解決了上述問題。

3 項目概況

3.1 項目概況

本項目建設(shè)地點位于上海市嘉定區(qū)外岡鎮(zhèn)古塘村，規(guī)劃用地面積約7.17 hm2。本項目服務(wù)范圍為上海市嘉定區(qū)，日處理生活垃圾量1 500 t，年處理生活垃圾總量為500 000 t。擬設(shè)置3條日處理500 t生活垃圾的爐排焚燒線，每條焚燒線年運行8 000 h（圖1）。

圖1 項目效果圖

3.2 BIM總體應(yīng)用目標(biāo)

上海嘉定再生能源中心項目要求在工程建設(shè)全生命周期內(nèi)應(yīng)用BIM技術(shù)，項目所有參與方必須應(yīng)用BIM技術(shù)提高專業(yè)服務(wù)水平，提升項目品質(zhì)。

在設(shè)計階段，要求BIM咨詢單位統(tǒng)籌管理設(shè)計方及設(shè)計顧問，應(yīng)用BIM技術(shù)完成設(shè)計和顧問工作，并交付BIM成果。

在施工階段，要求BIM咨詢單位指導(dǎo)、配合業(yè)主管理和應(yīng)用BIM技術(shù)對工程建設(shè)過程中的施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本等進(jìn)行全面管控。輔助業(yè)主督促各施工單位、監(jiān)理等參建單位進(jìn)行BIM應(yīng)用的推廣。

在運維階段，要求BIM咨詢單位指導(dǎo)業(yè)主研究、開發(fā)BIM在垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用，并與原有的系統(tǒng)管理控制平臺有效對接。

4 輕量化BIM私有桌面云系統(tǒng)解決方案

4.1 基本原理

輕量化BIM私有云系統(tǒng)的基本原理可以簡單地描述為將所有的BIM應(yīng)用程序放在云端（應(yīng)用服務(wù)器端）運行，通過網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用程序的操作界面?zhèn)魉椭恋囟?；地端電腦將包括鼠標(biāo)移動、鍵盤敲擊等在內(nèi)的指令通過網(wǎng)絡(luò)傳送到云端服務(wù)器，經(jīng)過云端服務(wù)器的處理，將用戶操作后的圖像優(yōu)化壓縮再傳回地端顯示。地端電腦并不參與應(yīng)用程序計算，而僅處理云端發(fā)送的應(yīng)用程序界面和應(yīng)用程序操作傳輸，這也是輕量化BIM私有云系統(tǒng)物美價廉的優(yōu)勢所在。而在這一過程中，我們除了需要關(guān)注云端硬件的性能外，還要關(guān)注傳輸速度對網(wǎng)速的要求。在地端電腦的使用過程中，要保證其傳輸速度能夠等同或接近于服務(wù)器端的速度，而且經(jīng)過優(yōu)化的圖像傳輸所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕?/p>

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 邏輯架構(gòu)

整個平臺邏輯由4個邏輯功能塊組成：

1）操作系統(tǒng)模塊。操作系統(tǒng)模塊完成對平臺服務(wù)器硬件的管理、實時多用戶環(huán)境、用戶登錄授權(quán)等工作。

2）Remote Desktop Services模塊。該模塊旨在實現(xiàn)桌面遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆?wù)，即可將整個服務(wù)器的操作界面（Windows Desktop）發(fā)送給地端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)采用Microsoft的RDS組件實現(xiàn)，該組件是Windows Server的一個組件，通過特定的選擇安裝即可完成部署。同時該服務(wù)可在多臺服務(wù)器之間實現(xiàn)基于桌面對話級別的負(fù)載均衡，即多個用戶同時使用本平臺時，可以按照不同的用戶連接分配在不同的物理服務(wù)器中，并且這種分配是可以根據(jù)硬件環(huán)境的不同在管理端配置的。這樣，不同配置的服務(wù)器所承載的用戶比率就會不完全相同，性能高的硬件可承擔(dān)更大比率的用戶，性能低的計算機承載小比率的用戶。

3）Remote Application模塊。該模塊主要實現(xiàn)了將一個應(yīng)用的操作界面（如Revit）發(fā)布到地端的操作。這樣用戶端通過桌面圖標(biāo)就可以直接連接到服務(wù)器上，同時打開并操作相應(yīng)的應(yīng)用程序；而在屏幕的傳輸上僅發(fā)送這個應(yīng)用程序的界面，這樣在用戶端看來其運行的效果與在地端本地運行的效果完全一致，用戶基本無法感知這個應(yīng)用的計算承載是在地端計算機上還是在服務(wù)器之上。通過該模塊，我們可以將不同的應(yīng)用部署在不同的云端物理機系統(tǒng)上，這樣用戶在操作不同的應(yīng)用程序時，可以利用到多物理計算的資源，從而提高客戶端的整體應(yīng)用性能。還可以實現(xiàn)用戶應(yīng)用授權(quán)的配置，這樣就可以阻止那些沒有必要使用Revit的用戶打開Revit應(yīng)用程序，占用系統(tǒng)資源。

4）應(yīng)用程序模塊。它是用戶需要通過云平臺使用的軟件集合，通過一些規(guī)定程序的安裝和配置便可經(jīng)Remote Application進(jìn)行發(fā)布。發(fā)布后的應(yīng)用在完成安裝后，用戶可以在地端計算機的桌面上看到一個如同本地應(yīng)用程序一樣的圖標(biāo)，可以如同打開本地應(yīng)用程序一樣的打開云端應(yīng)用程序。

4.2.2 物理架構(gòu)

本項目輕量化BIM私有桌面云系統(tǒng)采用3臺Revit工作站組成Revit工作站群；1臺管理服務(wù)器采用虛擬化配置，均衡負(fù)載，安裝5塊3 T硬盤N＋1冗余后實現(xiàn)12 T的項目級專業(yè)存儲；1臺24口全千兆交換機，用于網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)交換；1臺防火墻隔離服務(wù)器與用戶環(huán)境；6臺云終端，滿足建設(shè)單位BIM咨詢（4臺）、建設(shè)單位（2臺）的使用；10～15臺普通PC終端，供設(shè)計、工代、總包、監(jiān)理等其他配合方使用（圖2）。

圖2 物理架構(gòu)示意

5 系統(tǒng)建設(shè)總結(jié)

5.1 應(yīng)用承載評估

輕量化BIM私有桌面云系統(tǒng)的應(yīng)用承載主要分為3類：

1）云承載。本項目主要使用的設(shè)計、溝通、協(xié)調(diào)軟件為Microsoft、Autodesk、騰訊和瀏覽器應(yīng)用，這些應(yīng)用均可以通過云發(fā)布的方式進(jìn)行部署，也可以通過云進(jìn)行應(yīng)用。輕量化私有云技術(shù)對OpenGL是完全支持的，因此從實際效果來看非常順暢。

2）本地承載。本項目的施工管理軟件主要為廣聯(lián)達(dá)的算量和BIM 5D，這些軟件雖然都可以通過云端部署和運行，但由于系統(tǒng)搭建時未采用Rdp協(xié)議棧中更高端的RemoteFX技術(shù)，導(dǎo)致DirectX的遠(yuǎn)傳支持效果很差，經(jīng)常發(fā)生鼠標(biāo)漂移、顯示滯后的狀況，幸好地端電腦采用了桌面級的構(gòu)架，故本地計算機的性能和顯示能力有了一定的保障，這些工程管理的軟件尚能較好地在本地計算機中運行。

3）PC承載。只有l(wèi)umion在平臺所搭配的客戶端上無法流暢運行。經(jīng)過分析，Lumion采用的DirectX 3D驅(qū)動技術(shù)完全不支持OpenGL，而且對顯卡的要求較高，故無論通過云模式和本地模式，均無法完美運行，因此本項目另行配置了一臺較高系統(tǒng)配置的PC機配合GTX960 4G顯卡來承擔(dān)Lumion的使用。

綜上，云平臺的應(yīng)用承載的覆蓋率在90%以上，特別是對應(yīng)用運行要求較高的Autodesk系列設(shè)計工具都能較好地支持。

5.2 性能承載評估

5.2.1 多用戶承載

系統(tǒng)自2015年6月建立以來，共開設(shè)賬戶49人，從高峰時觀察來看，最高并發(fā)人數(shù)為37人，每臺應(yīng)用服務(wù)器承載人數(shù)為9人，基本在設(shè)計允許的負(fù)載范圍內(nèi)，并未發(fā)生無法登錄和登錄后應(yīng)用無法打開的狀況。

由于Rdp連接斷開后，系統(tǒng)策略設(shè)定并不釋放用戶Session，導(dǎo)致部分已經(jīng)停止使用的用戶未及時釋放資源，后調(diào)整策略為對于2 h無重連請求的，Session系統(tǒng)將自動注銷，釋放內(nèi)存和臨時緩沖資源。

5.2.2 大模型的承載

測試了全項目最大的綜合模型，模型大小為1.2 GiB，首次打開（無本地SSD緩沖）用時2 min14 s，再次打開（有服務(wù)端SSD緩沖）用時57 s。模型打開后，開啟全專業(yè)顯示，拖動、旋轉(zhuǎn)略有卡頓現(xiàn)象，在0.5～1.0 s之間，對比高性能PC略顯弱勢。

5.2.3 大計算的承載

開啟Naviswork的渲染功能，承載當(dāng)前任務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器的CPU資源全部被使用，導(dǎo)致在這臺物理計算機上的其他用戶發(fā)送性能急劇下降，我們同時測試了3D Max渲染，效果相同。由于輕量化云在構(gòu)架方面上的原因，未對CPU占用作分割和限制，故造成單任務(wù)在多線程執(zhí)行的狀況下可以完全使用物理機上的所有CPU資源。

6 結(jié)語

輕量化BIM私有桌面云系統(tǒng)在上海嘉定再生能源利用中心項目中的建設(shè)使用，在應(yīng)用上滿足了BIM設(shè)計與工程管理的基本需求，有效地降低了中等規(guī)模項目BIM硬件平臺的建設(shè)成本，為項目級的BIM管理平臺建設(shè)提供了新的思路。