建筑企業(yè)BIM構件管理與構件庫管理云平臺開發(fā)

(鄭州大學 土木工程學院，鄭州 450001)

引言

建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)是一個多維的信息模型集成技術，它集成了建筑項目全生命周期中所有相關信息(包括設計、施工、運維等信息)，實現(xiàn)了建筑信息模型和建筑行為模型[1]的有機結合。BIM技術是一個動態(tài)協(xié)同過程，在建設項目全生命各階段，建設項目所有參與方(包括政府主管部門、業(yè)主、設計、施工、監(jiān)理、造價咨詢等單位)都能共享模型信息，提高建設項目質量和效益，減少錯誤和風險的目標。

目前建筑行業(yè)已步入信息化時代，BIM技術也已經成為建筑業(yè)信息化革命的重要標志，在實際應用的過程中不斷體現(xiàn)其價值。根據(jù)智能市場分析報告可知BIM在一些國家已經強制實施，例如美國，英國和其他一些發(fā)達國家[2]。在我國某些地區(qū)，BIM 的應用呈逐步上升趨勢，例如上海地區(qū)，根據(jù)2018年度報建信息匯總表顯示，新增項目BIM 應用率高達88%，相較于2017年呈現(xiàn)一定的增長，穩(wěn)中有升。建筑企業(yè)對BIM技術的應用和發(fā)展離不開BIM信息資源的積累，而BIM構件作為建筑企業(yè)BIM應用過程中開發(fā)積累的BIM資源，體現(xiàn)了建筑企業(yè)BIM應用的成熟度和競爭力。BIM構件庫的系統(tǒng)性和完備性對于建筑企業(yè)BIM模型的創(chuàng)建和應用，以及BIM建模的效率起到了非常重要的作用。因此開發(fā)和維護完備的BIM構件庫管理系統(tǒng)，提升構件庫的應用水平和管理水平是影響建筑企業(yè)BIM技術應用的重要因素。

但是目前建筑企業(yè)對BIM構件的命名、分類、編碼和流程缺乏標準化管理，對BIM構件的管理多采用個人計算機終端以插件形式進行管理，較少采用服務器和系統(tǒng)平臺進行，存在BIM構件標準化程度低，管理流程效率低，軟硬件成本高，構件庫擴展困難，缺乏BIM構件管理平臺的支持等問題。近年來，隨著云計算和云服務器在各個領域的應用，以及BIM云技術的不斷發(fā)展，建立BIM構件的分類和編碼標準，完善BIM構件的管理流程，結合云計算和云服務器技術，開發(fā)建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)，為建筑企業(yè)BIM構件庫管理提供了可行的技術標準和技術路線。

1 Cloud-BIM

Cloud-BIM是一種基于互聯(lián)網的新型管理和服務模式，能夠將云計算技術和BIM技術有機集成。Redmond等[3]根據(jù)對11位專家半結構化訪談的結果，提出利用云計算技術搭建BIM應用集成平臺Cloud-BIM平臺來解決BIM技術應用過程中的數(shù)據(jù)共享和交互問題。Chen等[4]基于云計算技術研究了能夠用于BIM模型在線存儲、瀏覽和大數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)架構。Matthews等[5]基于Cloud-BIM技術對建筑設施管理系統(tǒng)進行設計。該平臺主要包括BMS系統(tǒng)、BIM系統(tǒng)、FM數(shù)據(jù)集、CMMS系統(tǒng)和智能儀表盤五部分。用戶通過智能設備可以隨時查看建筑設備信息，實現(xiàn)對建筑構件的監(jiān)測和維護。

國內的研究主要包括何清華等[6]對云&BIM系統(tǒng)的概念進行界定，并提出了云&BIM系統(tǒng)的實施框架?？蚣馨ǎ涸品掌骱蛿?shù)據(jù)庫、軟件應用程序采用的數(shù)據(jù)類型、設備上的應用程序、終端設備、項目參與者和參與職能等五層。畢振波等[7]認為新興的、待采用BIM技術的相關單位與傳統(tǒng)的已經擁有BIM基礎設施單位相比，更適合采用云模式，并提出基于云計算的BIM技術應用框架。陳小波[8]針對BIM&云管理體系存在的安全風險，基于云平臺構建出BIM管理系統(tǒng)安全防護體系。李英攀[9]基于Cloud-BIM技術平臺建立了綠色施工管理的應用框架，分析了施工參與單位如何利用Cloud-BIM技術平臺充分發(fā)揮其在綠色施工管理中的作用，以保證綠色施工的實現(xiàn)。

通過以上文獻分析可以看到目前對Cloud-BIM的研究主要集中于框架層面和應用層面上。對框架層面的研究仍然集中在理論探討上，相對缺乏對Cloud-BIM框架體系的系統(tǒng)分析和實現(xiàn)的研究，從而導致Cloud-BIM框架體系無法落地，難以在實際項目中進行應用； 對應用層面的研究主要集中在對基于Cloud-BIM項目協(xié)同平臺的開發(fā)和實現(xiàn)上，相對缺乏對基于Cloud-BIM模型信息平臺和BIM構件資源平臺的開發(fā)和實現(xiàn)的相關研究。因此本研究將針對建筑企業(yè)內部BIM構件管理的現(xiàn)有問題，利用云計算和云服務器技術，分析不同用戶的功能需求和業(yè)務流程，設計系統(tǒng)物理架構和邏輯架構，建立基于公有云的建筑企業(yè)BIM構件庫管理平臺，提高建筑企業(yè)BIM構件的管理水平和管理效率，實現(xiàn)BIM資源的高效復用和不斷積累。

2 BIM構件庫及構件管理標準

2.1 BIM構件及BIM構件庫

目前在建筑領域，對BIM構件的定義還未形成一致觀點。英國“AEC(UK)BIM Standard for Autodesk Revit”[10]認為，BIM構件是可以在多個模型中重復使用的個體圖元，如門、家具、幕墻面板、樓梯、柱、墻等，用戶可以將BIM構件通過插入、移動和旋轉等操作放置到所需位置。綜合不同研究對構件的定義，BIM構件在本研究是指建筑信息模型中能夠更換的實體組成部分，它能夠實現(xiàn)特定的功能，滿足BIM模型的接口標準，并可以通過不同構件的復用組合來生成BIM模型。它的特性包括復用性、參數(shù)化、獨立性及集成性。Arayici等[11]在研究中指出，BIM建模工作存在大量的重復性工作，通過BIM內容庫的建立可以有效降低建模工作的冗余，提高建模效率。Almaimani等[12]針對伊斯蘭風格的建筑形式復雜，信息量大的特點，提出基于BIM建立伊斯蘭風格的建筑構件庫。王茹等[13]基于中國建筑信息模型標準框架對BIM構件進行標準化研究。在研究中提出了BIM構件的信息深度等級劃分標準、編碼標準、命名標準、創(chuàng)建標準以及BIM構件庫的創(chuàng)建標準流程。

建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)指的是按照企業(yè)BIM構件整體規(guī)劃，建立BIM構件并對構件進行測試和審核，將符合需求的構件按照統(tǒng)一標準進行命名、分類、編碼和信息深度等級劃分，并上傳至構件庫中對構件進行集中存儲和管理，以方便構件的檢索和復用的數(shù)據(jù)庫。BIM構件庫管理系統(tǒng)涵蓋BIM構件的產生、獲取、處理、存儲以及使用的多個環(huán)節(jié)，貫穿建筑企業(yè)生產、經營和管理的全過程。通過BIM構件庫管理系統(tǒng)對BIM構件進行科學有效管理，有利于建筑企業(yè)通過構件重用來提高企業(yè)建模的效率和質量，通過BIM信息資源的積累來提高BIM技術應用水平，增強企業(yè)核心競爭力。

2.2 BIM構件管理命名標準

對BIM構件進行標準化命名是構件入庫之前的重要操作。BIM構件命名應盡可能反映構件的本質特征，能夠區(qū)分不同構件。應該注意的是，BIM構件庫管理系統(tǒng)中構件的命名和BIM項目中構件的命名并不完全相同。BIM項目中的構件命名應反映出構件所在樓層編號、圖紙中該構件編號和構件尺寸等信息，以方便后期運用構件進行工程量統(tǒng)計以及施工模擬等工作。而BIM構件庫管理系統(tǒng)中的構件命名是為了幫助用戶快速識別、檢索、定位和理解構件，以方便構件管理和重用。本研究基于簡明性、規(guī)范性和合理性，提出了BIM構件的命名標準，如表1所示。

表1 BIM構件命名標準及示例

專業(yè)命名規(guī)則命名示例建筑 特征(材料、功能)+構件名稱雙扇平開鋼質防盜門結構 特征(材料、功能)+構件名稱砼矩形過梁給排水管道系統(tǒng)族:自帶類型系統(tǒng)族:管道類型管件管件名稱—連接方式彎頭—絲扣管路附件管路附件名稱—尺寸范圍—連接方式電動蝶閥-80～250mm-法蘭設備設備名稱臥式離心泵暖通管道系統(tǒng)族:自帶類型系統(tǒng)族:管道類型風管系統(tǒng)族:自帶類型系統(tǒng)族:矩形風管管件管件名稱—連接方式三通—法蘭管路附件管路附件名稱—尺寸范圍—連接方式Y型過濾器-50～500mm-法蘭設備設備名稱風冷熱泵機組電氣設備設備名稱煙感火災探測器橋架系統(tǒng)族:自帶類型系統(tǒng)族:帶配電的電纜橋架橋架配件系統(tǒng)名稱+橋架種類梯式電纜橋架水平彎頭

對BIM構件進行科學合理地分類是云服務器中構件結構化存儲的基礎，也是用戶對構件進行樹狀結構分級檢索的基礎。目前經常使用的構件分類方法為線性分類法和面分類法，本研究綜合這兩種分類方法，首先按照線性分類法將BIM構件分為三個層級，第一層級代表專業(yè)，如：建筑、結構、電氣等； 第二層級代表構件類別，如建筑專業(yè)下有墻、柱、板、門、窗等； 第三層級代表構件類型，如門類別的構件下有平開門、推拉門、折疊門等； 如圖1所示。在對BIM構件進行線性分類后，對同一類型下的BIM構件按照面分類法進行分類。構件面分類法是按照構件的不同屬性信息，將構件分到不同“面”中，如表2所示。如平開門類型下的構件按照構件的功能、材質、尺寸等獨立屬性可以分到不同的“面”中。該BIM構件分類體系，前三個層級的分類采用線性分類法，能充分反映類目之間的隸屬關系和邏輯關系，構件分類框架簡單，條理清晰； 第三個層級下的構件采用面分類法進行分類，構件易于擴充，新構件容易加入現(xiàn)有構件體系。

圖1 BIM構件線性分類標準

表2 平開門類型下BIM構件面分類標準示例

屬性面A(功能)面B(材質)面C(尺寸)平開門01進戶門01木門01700×2100mm02室內門02鋼門02800×2100mm03防火門03鋁合金門03900×2100mm04防盜門05鐵門041000×2100mm05抗爆門06玻璃門051800×2400mm———示例A03+B02+C03代表平開鋼制防火門900×2100mm

2.3 BIM構件編碼標準

在建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)中，BIM構件數(shù)量龐大，每個構件承載的信息繁多，內容復雜。隨著BIM構件庫管理系統(tǒng)的不斷擴展，構件管理的難度將不斷增加。因此，每個構件實體都需要分配唯一一個計算機能夠識別、處理，按照統(tǒng)一編碼規(guī)則形成的構件代碼，作為標識構件的唯一依據(jù)。本研究參考GB 50500-2013《建設工程工程量清單計價規(guī)范》中的編碼原則，提出BIM構件的編碼標準[14]。BIM構件編碼采取五級編碼，共設13位阿拉伯數(shù)字來表示，前9位編碼為剛性編碼，后4位編碼為流水編碼[15]。剛性編碼采用工程量清單計價規(guī)范的前九位編碼，按照清單附錄進行設置，是固定不變的； 流水編碼不同于工程量清單計價規(guī)范的后三位編碼，并非根據(jù)工程量清單項目進行設置，而是根據(jù)同一型號構件按照不同細部構造、不同尺寸等進行流水形式的自由編碼。不同型號構件的流水編碼可以相同，滿足構件編碼擴展的需要。如圖2所示，在房屋建筑裝飾工程中的門窗工程中，以金屬防火窗0001號窗為例，對BIM構件編碼進行示例。

圖2 BIM構件編碼標準示例

3 BIM構件庫管理系統(tǒng)分析和設計

3.1 BIM構件庫管理系統(tǒng)的功能需求和性能需求分析

建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)的需求分析包括功能需求和性能需求分析兩部分，功能需求分析主要針對普通用戶和管理員用戶的功能需求。普通用戶主是指建筑企業(yè)內部的BIM建模人員，BIM構件創(chuàng)建人員和BIM構件使用人員。普通用戶功能包括操作構件、查看庫內公告和管理個人信息等三個模塊。

BIM構件庫管理員是建筑企業(yè)內部負責對BIM構件及構件信息、用戶及用戶信息以及公告信息等進行更新、維護和檢查的相關人員。除了具有普通用戶的所有功能，管理員還具有管理和維護BIM構件庫的相關功能權限，包括管理構件、審核構件、管理公告、管理用戶信息和管理個人信息等功能，如圖3所示UML用例圖。

除了需要滿足普通用戶和系統(tǒng)管理員功能性需求，建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)需進一步滿足管理信息系統(tǒng)的相關性能需求，其主要包括：安全性需求，可靠性需求，可擴充性需求，易使用性需求，健壯性需求，可移植性需求。

圖3 管理員功能模塊UML用例圖

圖4 普通用戶搜索，查看、下載構件UML序列圖

3.2 BIM構件庫管理系統(tǒng)的主要功能設計

操作構件模塊是普通用戶功能模塊的核心部分，主要實現(xiàn)普通用戶搜索，查看、下載和上傳BIM構件，圖4所示為普通用戶搜索，查看、下載構件UML序列圖。普通用戶進入登錄界面，輸入賬號和密碼進行登錄。登錄成功后，界面轉換到功能選擇界面，顯示用戶可以選擇的功能； 普通用戶選擇操作構件，界面轉換到操作構件界面，顯示用戶可以對BIM構件進行的操作； 普通用戶通過基于BIM構件分類的樹狀結構分級檢索方式結合基于BIM構件名稱的模糊檢索方式來檢索構件，系統(tǒng)提交請求查詢構件數(shù)據(jù)到構件處理業(yè)務層，并通知數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢結束后，返回BIM構件數(shù)據(jù)，由操作構件界面顯示構件的查詢結果； 普通用戶選中BIM構件下載，系統(tǒng)將BIM構件庫存路徑提交到構件處理業(yè)務層，并通知FTP服務器下載構件。下載成功后，提示用戶下載成功。

普通用戶上傳BIM構件的具體過程如圖5所示，其中用戶進入操作構件界面之前的過程與搜索、查看和下載構件完全一致。普通用戶進入操作界面后，選擇上傳構件，添加上傳構件界面，顯示用戶需要填入的BIM構件信息； 普通用戶填寫B(tài)IM構件信息，并選擇構件文件上傳，系統(tǒng)將構件文件和構件信息提交到構件處理業(yè)務層，通知FTP服務器上傳構件，通知數(shù)據(jù)庫添加構件信息，上傳成功后，提示用戶上傳成功。

圖5 普通用戶上傳構件UML序列圖

針對管理員用戶，管理構件模塊主要實現(xiàn)管理員搜索、查看、下載和上傳BIM構件，并在此基礎上實現(xiàn)修改、刪除和更新BIM構件。其中BIM構件搜索、查看、下載和上傳的實現(xiàn)過程與普通用戶功能模塊完全相同。管理員進入登錄界面，輸入賬號和密碼進行登錄。登錄成功后，界面轉換到功能選擇界面，顯示管理員可以選擇的功能； 管理員選擇管理構件，界面轉換到管理構件界面，顯示管理員可以對BIM構件進行的操作； 管理員通過基于BIM構件分類的樹狀結構分級檢索方式結合基于BIM構件名稱的模糊檢索方式來檢索構件，系統(tǒng)提交請求查詢構件數(shù)據(jù)到構件處理業(yè)務層，并通知數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢結束，返回BIM構件數(shù)據(jù)，由管理構件界面顯示構件查詢結果； 管理員修改BIM構件信息，系統(tǒng)發(fā)送構件信息數(shù)據(jù)到構件處理業(yè)務層，并通知數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)更新成功后，由管理構件界面顯示構件信息更新成功。管理員查詢到BIM構件信息后，也可選中BIM構件并刪除，系統(tǒng)提交構件編碼和構件庫存路徑到構件處理業(yè)務層，并通知FTP服務器刪除構件，通知數(shù)據(jù)庫刪除構件數(shù)據(jù)。刪除成功后，由管理構件界面顯示BIM構件刪除成功。

3.3 BIM構件庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計

基于公有云的建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)選擇Oracle數(shù)據(jù)庫來存儲和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它支持JDBC(Java DataBase Connectivity，Java數(shù)據(jù)庫連接)。Java應用程序通過調用JDBC，可以與數(shù)據(jù)庫連接，向數(shù)據(jù)庫發(fā)送SQL語句以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的構件、用戶以及公告等信息的添加、修改和刪除等操作。

通過對基于公有云的建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)進行需求分析和功能設計后，抽象出系統(tǒng)中的實體主要有五類，包括普通用戶、系統(tǒng)管理員、下載區(qū)構件、審核區(qū)構件和公告。

4 云服務器設置及系統(tǒng)功能測試

4.1 云服務器設置

建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)使用阿里云ECS服務器，其軟硬件配置為：CPU內核2GB，寬帶峰值1Mbps，地域為華北，操作系統(tǒng)Windows Server 64位中文版，專有網絡。服務器開通后，其主要設置包括ECS服務器實例設置，ECS服務器的遠程連接設置，F(xiàn)TP站點的創(chuàng)建和配置，以及Oracle數(shù)據(jù)庫的安裝和配置。

安全組是云服務器網絡安全的一種方法，可以設置云服務器的訪問控制，根據(jù)系統(tǒng)安全需要，每臺ECS服務器實例均應設置最少一個安全組。安全組是一個邏輯上的分組，通常指具有相同安全保護需求并且在同一地域內的ECS服務器實例組成。在本系統(tǒng)的設置中共創(chuàng)建了四個安全組，其它實例可以訪問本系統(tǒng)的ECS服務器實例。如圖6所示，后兩個安全組是系統(tǒng)自動為ECS實例創(chuàng)建的。其中TCP協(xié)議3389端口能夠用于Windows遠程桌面連接，ICMP協(xié)議能夠用于在IP主機和路由器之間傳遞控制消息。前兩個安全組是創(chuàng)建BIM構件庫管理系統(tǒng)時添加的安全組。其中TCP協(xié)議1521端口能夠用于和數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換，TCP協(xié)議21端口能夠用于利用FTP工具實現(xiàn)BIM構件文件的上傳、下載和刪除。安全組優(yōu)先級數(shù)值越小，優(yōu)先級別越高，可以看出前兩個安全組明顯優(yōu)先于后兩個安全組。

圖6 ECS服務器安全組的創(chuàng)建和配置

4.2 系統(tǒng)功能測試

普通用戶進入BIM構件庫管理系統(tǒng)的登錄界面，輸入賬號和密碼進行登錄。BIM構件的檢索方式包括兩種類型：基于BIM構件分類的樹狀結構分級檢索，以及基于BIM構件名稱的模糊檢索。用戶首先選中BIM構件所屬的二級分類節(jié)點，此時BIM構件屬性列表會顯示該節(jié)點目錄下的所有構件詳細屬性信息。用戶可以直接在構件屬性列表中選中需求的BIM構件，進行屬性信息、二維視圖和三維視圖的查看。當該二級分類節(jié)點下構件數(shù)目眾多時，用戶也可以輸入BIM構件名稱或名稱中關鍵詞對構件進行二次檢索。在檢索到相應的BIM構件以后，就可以對BIM構件進行下載、上傳等操作。以單扇平開鋼質防火門為例，圖7所示為用戶搜索和查看BIM構件，圖8為下載BIM構件，圖9為上傳BIM構件。

圖7 搜索和查看BIM構件界面

圖8 下載BIM構件界面

圖9 上傳BIM構件界面

BIM構件庫管理系統(tǒng)的管理員用戶登陸系統(tǒng)以后具有管理構件、審核構件、管理公告、管理用戶信息和管理個人信息等功能。管理員操作構件的界面和普通用戶基本相同，但是操作功能增加“刪除”按鈕。管理員修改BIM構件，可以直接在構件屬性列表中進行修改。

5 結論

本研究探討了BIM構件標準化的管理方法與管理流程，分析了BIM構件庫系統(tǒng)的功能需求和性能需求，結合系統(tǒng)開發(fā)，以需求分析成果為目標，提出將建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)搭建在公有云平臺上，設計了基于公有云的建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)的技術架構、物理架構、邏輯架構和模型，建立了基于公有云的建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)。并從ECS服務器的創(chuàng)建和遠程連接、FTP站點的創(chuàng)建和配置、Oracle數(shù)據(jù)庫的安裝和配置以及ECS服務器安全組的創(chuàng)建和配置五個方面出發(fā)來部署云服務器，通過應用軟件編程來實現(xiàn)系統(tǒng)； 在此基礎上最終完成了基于公有云的建筑企業(yè)BIM構件庫管理系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)工作。本系統(tǒng)利用公有云平臺節(jié)約成本，安全可靠，動態(tài)擴展等特點，為企業(yè)BIM構件庫管理提供了可行的技術路線，實現(xiàn)了BIM構件的不斷積累和高效復用，促進了BIM技術在建筑企業(yè)內部的應用和推廣。