基于云計(jì)算的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

褚振威 宋健 張雷

(1.山東建筑大學(xué)商學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

從全球來(lái)看，大數(shù)據(jù)分享成為時(shí)代主流。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，公司所需處理的數(shù)據(jù)已達(dá)到PB(1015字節(jié))級(jí)別。Google日均處理超過(guò)24PB的數(shù)據(jù)，而Facebook每時(shí)拍攝超過(guò)1000萬(wàn)張照片[1]。2012年起，全球數(shù)據(jù)日均增加量約2.5萬(wàn)億(1018)字節(jié)[2]。急速增長(zhǎng)的信息數(shù)據(jù)在給相應(yīng)存儲(chǔ)方式帶來(lái)挑戰(zhàn)的同時(shí)，也為企業(yè)帶來(lái)了很多機(jī)會(huì)。能否及時(shí)從大量數(shù)據(jù)中識(shí)別有用的信息并加以利用，成為企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

如今，多數(shù)傳統(tǒng)行業(yè)都在經(jīng)歷著前所未有的數(shù)據(jù)革命，建筑業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)的代表同樣面臨著大數(shù)據(jù)時(shí)代帶來(lái)的挑戰(zhàn)。在建筑工程全生命周期中，需要充分收集和利用不同學(xué)科產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)。BIM可以系統(tǒng)地捕獲多維CAD信息，以支持建設(shè)參與方之間的多學(xué)科協(xié)作[3]。BIM數(shù)據(jù)通常是3D幾何編碼，計(jì)算密集(圖形和布爾運(yùn)算)，以不同的專有格式壓縮并集成在一起。因此，不同的數(shù)據(jù)在BIM模型中進(jìn)行了整合，并持續(xù)超出建筑的使用壽命。比如，一幢3層建筑模型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)很容易就能達(dá)到50GB[4]，而這種數(shù)據(jù)以多種形式和形狀的展現(xiàn)，具有內(nèi)在的行業(yè)價(jià)值。而建筑公司是以獨(dú)特性、不確定性和復(fù)雜性為特征的項(xiàng)目組織，其數(shù)據(jù)管理方式與其他商業(yè)組織不同[5]，在進(jìn)行復(fù)雜建筑的施工過(guò)程中難以管理他們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[6]。因此，探討如何將先進(jìn)IT技術(shù)(如云計(jì)算)應(yīng)用到中等建筑公司的BIM數(shù)據(jù)協(xié)同管理中，對(duì)推動(dòng)數(shù)據(jù)管理具有重要意義。

1 文獻(xiàn)綜述

企業(yè)已經(jīng)將數(shù)據(jù)作為資源和開展活動(dòng)的重要資產(chǎn)，實(shí)施了各種捕獲、存儲(chǔ)、傳輸和再利用數(shù)據(jù)的方法[7]。存儲(chǔ)BIM數(shù)據(jù)雖對(duì)企業(yè)具有積極指導(dǎo)意義，但現(xiàn)有應(yīng)用程序仍然缺乏成功的應(yīng)用。以往的研究表明[8-9]，在中小型企業(yè)中，數(shù)據(jù)普遍保存在各自工程項(xiàng)目部中，并未統(tǒng)一儲(chǔ)存。中小企業(yè)在數(shù)據(jù)管理過(guò)程中面臨的問(wèn)題包括以下兩個(gè)方面[10]：一是施工組織者缺乏管理數(shù)據(jù)知識(shí)的組織程序；二是考慮到項(xiàng)目地域分散，同一公司的專業(yè)人士之間的溝通與合作困難而緩慢，而捕獲和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的主要限制是項(xiàng)目執(zhí)行期間缺乏時(shí)間。解決上述問(wèn)題需要最大限度地發(fā)揮信息化技術(shù)的作用，使人們能夠有效利用信息技術(shù)(IT)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并能夠快速尋找出數(shù)據(jù)中包含的信息和知識(shí)[10]。

目前，建筑中小企業(yè)對(duì)BIM數(shù)據(jù)的管理大多采用傳統(tǒng)的獨(dú)立服務(wù)器儲(chǔ)存方式。這種方式在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面提供的空間有限，并且通常是外部無(wú)法訪問(wèn)的隔離系統(tǒng)。為了改善這一現(xiàn)狀，本文提出采用云計(jì)算對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理的理念進(jìn)行相關(guān)方面的改進(jìn)。云計(jì)算具有資源共享和可靠的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能，概念一經(jīng)提出就受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始探索利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。何軍基于云計(jì)算構(gòu)建了企業(yè)危機(jī)管理系統(tǒng)，提出云計(jì)算是目前管理大數(shù)據(jù)的有效工具[11]。針對(duì)制造業(yè)項(xiàng)目管理中日益增多的數(shù)據(jù)，張向睿等基于云計(jì)算開發(fā)了一款制造業(yè)的項(xiàng)目管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)施能夠顯著的提高制造業(yè)項(xiàng)目的管理水平[12]。在對(duì)建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)管理研究方面，Jeong等提出了一個(gè)混合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用戶端層使用MongoDB臨時(shí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而中央層使用Apache Cassandra永久存儲(chǔ)傳感器生成的數(shù)據(jù)流[13]。Cheng等也使用Apache Cassandra通過(guò)查詢來(lái)提取BIM模型中的數(shù)據(jù)[14]。Lin等利用MongoDB對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)MapReduce對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理[15]。

綜合國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者將研究重點(diǎn)放在云計(jì)算對(duì)BIM數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的技術(shù)可行性層面，而關(guān)于建筑企業(yè)在數(shù)據(jù)管理中的現(xiàn)狀與需求的研究較少。因此，提出一個(gè)切實(shí)可行的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理制度相結(jié)合，對(duì)云計(jì)算在我國(guó)BIM系統(tǒng)中的有效應(yīng)用具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法

本文采用精益創(chuàng)業(yè)法(Lean Startup Methodo-logy，LSM)進(jìn)行研究。該研究方法允許最終用戶直接參與系統(tǒng)的研發(fā)，創(chuàng)建出在日常工作中所需的系統(tǒng)。之所以采用該方法主要考慮以下兩個(gè)方面：第一，了解中小建筑企業(yè)獨(dú)特的需求是使系統(tǒng)具有有用性的基礎(chǔ)；第二，本研究的主要目的是開發(fā)適用于中小企業(yè)的功能性產(chǎn)品，企業(yè)的協(xié)作和參與是必要的。LSM是一種專注于敏捷測(cè)試和學(xué)習(xí)周期的方法，用于驗(yàn)證業(yè)務(wù)思想中的假設(shè)。在LSM應(yīng)用方面，美國(guó)很多公司已經(jīng)在世界各地取得了成功，具有較高的知名度[16]。精益創(chuàng)業(yè)法提供了一種科學(xué)的方法來(lái)創(chuàng)建和改進(jìn)系統(tǒng)，并能更快地獲得用戶的需求。使用精益創(chuàng)業(yè)法，可以通過(guò)提供工具來(lái)持續(xù)測(cè)試使用愿景，使創(chuàng)建過(guò)程有條不紊地進(jìn)行。精益創(chuàng)業(yè)法的一個(gè)核心部分是“創(chuàng)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)反饋”循環(huán)，這是新產(chǎn)品開發(fā)的原則性方法[17]，將涉及“測(cè)試”和“學(xué)習(xí)”，并且必須包括可以演示因果關(guān)系問(wèn)題的可操作的指標(biāo)?！皽y(cè)試”步驟包括評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，驗(yàn)證或舍棄所提出的假設(shè)。在最后的“學(xué)習(xí)”階段，研究人員進(jìn)一步分析 “測(cè)試”步驟的結(jié)果，更多地了解他們正在嘗試解決的問(wèn)題，并決定是否重新開始循環(huán)，改進(jìn)版本的原始假設(shè)或提出全新的假設(shè)。這個(gè)過(guò)程允許將想法轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，衡量用戶的反應(yīng)，并了解用戶是否支持這一假設(shè)，然后開發(fā)最小可行產(chǎn)品(MVP)，盡快開始學(xué)習(xí)過(guò)程。一旦建立MVP，即可調(diào)整原有系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)逐步升級(jí)。精益創(chuàng)業(yè)開發(fā)模式如圖1所示。

在系統(tǒng)建設(shè)前期，首先，通過(guò)文獻(xiàn)回顧以及與相關(guān)設(shè)計(jì)單位和施工企業(yè)的BIM相關(guān)人士進(jìn)行訪談，確定目前BIM數(shù)據(jù)管理的不足；其次，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，在測(cè)試階段與6位BIM領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)行新的架構(gòu)訪談；然后，在系統(tǒng)建設(shè)中期，建立系統(tǒng)的第一個(gè)初級(jí)版本，讓現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)人員來(lái)測(cè)試該方案；最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)初級(jí)系統(tǒng)的反饋意見，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。

3 系統(tǒng)創(chuàng)建與改進(jìn)

3.1 系統(tǒng)介紹

本文所提出的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于云的共享工作區(qū)。傳統(tǒng)的BIM系統(tǒng)只提供基于Auto-ID技術(shù)和信息技術(shù)的3D模型，基于云的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成了額外的信息(例如項(xiàng)目進(jìn)度和成本)，以將原始的三維平臺(tái)擴(kuò)展到多維的平臺(tái)。其主要功能分為兩個(gè)模塊，分別是顯性的數(shù)據(jù)管理和隱性的數(shù)據(jù)管理，即企業(yè)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)和企業(yè)微博。項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和施工階段創(chuàng)建的BIM數(shù)據(jù)可以在企業(yè)BIM數(shù)據(jù)中進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸，實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的再利用，避免錯(cuò)誤的建模和施工方法在其他項(xiàng)目重復(fù)出現(xiàn)。企業(yè)微博作為一種分享和交流的平臺(tái)，允許專業(yè)人員之間更加流暢地互動(dòng)，促進(jìn)BIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速發(fā)布和傳播[18]。充分利用收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將BIM中的三維設(shè)計(jì)和建模擴(kuò)展到多維應(yīng)用，使基于解決方案的決策更加合理、精確和科學(xué)。

圖1 精益創(chuàng)業(yè)開發(fā)模式

基于云的共享工作區(qū)架構(gòu)主要考慮兩個(gè)主要組件(如圖2所示)：云服務(wù)平臺(tái)和基于Web的軟件解決方案。通過(guò)使用基于云的API公開服務(wù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)；Web應(yīng)用程序的主要目的是允許企業(yè)人員訪問(wèn)所有共享工作區(qū)的功能，包括使用微博、咨詢和評(píng)價(jià)BIM數(shù)據(jù)。

圖2 擬議的基于云的系統(tǒng)一般架構(gòu)

該系統(tǒng)識(shí)別4種類型的用戶：系統(tǒng)管理者、BIM數(shù)據(jù)上傳者、審批者和評(píng)價(jià)者。這些用戶對(duì)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的BIM數(shù)據(jù)執(zhí)行4個(gè)主要任務(wù)：

(1)上傳。系統(tǒng)顯示需要填寫與BIM數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)的表單，表單包含項(xiàng)目名稱，建筑結(jié)構(gòu)類型，模型用途(設(shè)計(jì)模型、施工模型、運(yùn)維模型)，模型的細(xì)致程度(LOD)。

(2)審核。為了確保數(shù)據(jù)中心中包含的BIM數(shù)據(jù)的可信度，每個(gè)BIM模型都必須由一個(gè)或多個(gè)批準(zhǔn)人審核，每個(gè)BIM模型的上傳都需要遵循企業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)。

(3)搜索?？梢酝ㄟ^(guò)上傳者填寫的表單，實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型的快速搜索，如BIM模型創(chuàng)建者、上傳者、審批者和項(xiàng)目的名稱、運(yùn)用階段、建模深度。

(4)評(píng)價(jià)。用戶根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)BIM數(shù)據(jù)的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的信息是為BIM模型的改進(jìn)而輸入的。

系統(tǒng)對(duì)BIM文件上傳的格式具有嚴(yán)格的要求，一般來(lái)說(shuō)，BIM中常見的文件格式可以分為3類：第一類是通常限于特定類型軟件的本地文件格式。例如，在Revit中建模的建筑物將默認(rèn)為“.rvt”，即本機(jī)Revit文件擴(kuò)展名。第二類是促進(jìn)相似創(chuàng)作軟件之間交換模型的文件格式。第三類是專門應(yīng)用(如gbXML和COBie)的文件格式。綠色建筑XML模式(gbXML)是用于構(gòu)建能量分析的文件格式。施工作業(yè)建筑物信息交換(COBie)是經(jīng)常用于設(shè)施管理的非專有數(shù)據(jù)格式。

3.2 系統(tǒng)的初步評(píng)估

為了獲得更加準(zhǔn)確的反饋信息，系統(tǒng)測(cè)試選取了兩家具有10年以上經(jīng)驗(yàn)的建筑公司。試點(diǎn)所在項(xiàng)目之一為綜合實(shí)驗(yàn)樓(建筑面積10 890m2)，另一個(gè)為商品住宅(建筑面積7578m2)。參與系統(tǒng)驗(yàn)證的團(tuán)隊(duì)包括8名BIM建模人員。在試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，從3個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估：

(1)使用ISO/IEC 25010∶2011質(zhì)量軟件標(biāo)準(zhǔn)中定義的要素對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體評(píng)估。

(2)根據(jù)系統(tǒng)可用性量表(SUS)[19]對(duì)可用性進(jìn)行評(píng)估。

(3)通過(guò)反饋的問(wèn)題確定用戶的看法和意見。

評(píng)估結(jié)果顯示了用戶對(duì)系統(tǒng)的積極評(píng)價(jià)，因?yàn)樗杏脩舳颊J(rèn)為該系統(tǒng)是BIM數(shù)據(jù)管理的有效工具，而目前多數(shù)公司并沒(méi)有完整的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。但系統(tǒng)仍有不足之處需要改善，整理測(cè)試人員反饋的問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，阻礙公司更加有效使用系統(tǒng)的問(wèn)題主要為以下兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)技術(shù)問(wèn)題，二是系統(tǒng)使用制度問(wèn)題。系統(tǒng)技術(shù)方面的問(wèn)題是無(wú)法通過(guò)多個(gè)檢索條件實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)的快速搜索；系統(tǒng)使用制度方面的問(wèn)題是缺少BIM數(shù)據(jù)上傳標(biāo)準(zhǔn)、審核人員過(guò)多影響B(tài)IM模型發(fā)布時(shí)間。

3.3 系統(tǒng)的改進(jìn)

根據(jù)評(píng)估結(jié)果和定期從企業(yè)BIM建模人員獲得的反饋信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

(1)技術(shù)改進(jìn)。在審核過(guò)程中，如果需要用戶進(jìn)行操作或者用戶上傳的BIM數(shù)據(jù)最終被發(fā)布，系統(tǒng)將以郵件的形式通知用戶。增加多檢索條件搜索功能，用戶可以選取多個(gè)檢索條件實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM數(shù)據(jù)快精確訪問(wèn)。允許用戶發(fā)表評(píng)論，并用1～5分計(jì)算(分?jǐn)?shù)越高表示越好)對(duì)BIM模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)使用制度改進(jìn)。為了讓BIM數(shù)據(jù)的批準(zhǔn)和評(píng)價(jià)更靈活，減少干擾功能，鼓勵(lì)更多用戶頻繁向系統(tǒng)輸入信息。在系統(tǒng)中添加BIM上傳標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)基于建筑信息模型的建筑工程設(shè)計(jì)過(guò)程中各階段數(shù)據(jù)的建立、傳遞和解讀，使用戶在上傳之前參考該標(biāo)準(zhǔn)，以減少審核修改次數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

文獻(xiàn)回顧和BIM相關(guān)人士的反饋結(jié)果表明，管理建筑公司的數(shù)據(jù)問(wèn)題尚未完全解決，而在中小企業(yè)中，問(wèn)題表現(xiàn)明顯。為了解決這些問(wèn)題，本文創(chuàng)建了一個(gè)基于云的共享工作區(qū)，予以幫助中小企業(yè)對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，使企業(yè)運(yùn)營(yíng)效率得到提升。

建筑公司在采用信息技術(shù)方面進(jìn)展緩慢，出現(xiàn)這種情況的原因之一是目前市場(chǎng)上提供的許多系統(tǒng)都是在沒(méi)有滿足建筑公司實(shí)際需求的情況下開發(fā)的。因此，中小型企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與企業(yè)的緊密協(xié)作，深入了解企業(yè)需求是提高信息技術(shù)在中小企業(yè)有效應(yīng)用的方法，如精益創(chuàng)業(yè)法便是解決此問(wèn)題的有效方法之一。該研究方法允許最終用戶直接參與系統(tǒng)的開發(fā)，創(chuàng)建出在日常工作中真正有用的系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念給從事建筑行業(yè)軟件開發(fā)的人員帶來(lái)啟示，引導(dǎo)使用者更好地應(yīng)用精益創(chuàng)業(yè)法，從而增加IT技術(shù)在建筑業(yè)成功實(shí)施的概率。

本文介紹的基于云計(jì)算的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不僅可以儲(chǔ)存BIM數(shù)據(jù)，也可用于評(píng)估BIM數(shù)據(jù)的完整度，促進(jìn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作和項(xiàng)目信息共享。系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以幫助其他項(xiàng)目在建筑物的設(shè)計(jì)或其他應(yīng)用中對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行重新使用。研究的不足之處在于系統(tǒng)的調(diào)研范圍不夠廣泛，該系統(tǒng)目前只在建筑企業(yè)進(jìn)行了測(cè)試，并未將設(shè)計(jì)單位和房地產(chǎn)企業(yè)納入研究范圍。為了擴(kuò)大BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的使用范圍，下一步將探索適用于整個(gè)建筑行業(yè)的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以促進(jìn)各參建方之間的信息交互。