基于云計算的半結(jié)構(gòu)化BIM數(shù)據(jù)庫

文/王永強

BIM數(shù)據(jù)庫是目前工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)，為了保證BIM數(shù)據(jù)庫的性能，需要基于云計算來進行數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。為此，必須要了解BIM數(shù)據(jù)庫的特點，使用合理的方式來構(gòu)建半結(jié)構(gòu)化的BIM數(shù)據(jù)庫。

1 BIM技術(shù)和云計算

1.1 BIM技術(shù)對數(shù)據(jù)庫的需求

BIM技術(shù)的全稱是建筑信息模型，利用三維數(shù)字技術(shù)作為基礎(chǔ)，集成建筑工程的數(shù)據(jù)信息，可以進行可視化演示，并且對工程進行檢查。BIM技術(shù)目前正在變得普遍和完整，通過對工程對象的描述，提高了對建筑工程項目建設(shè)的管理效果，受到了很多不同工程項目信賴。隨著技術(shù)水平的提升，BIM技術(shù)正在形成完整的理論、技術(shù)、標準和系統(tǒng)，但是BIM數(shù)據(jù)的儲存和傳遞都以文件的方式是進行，例如Autodesk會使用開發(fā)商特定的.rvt格式，使用Revit、Structure建立的BIM模型都是使用.rvt或者IFC格式來進行儲存和傳遞的。應(yīng)用時，通過特定的軟件來獲得模型文件，然后提取相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信息的共享。

雖然這種文件能夠有專業(yè)的信息應(yīng)用，并且在設(shè)計更改時也可以獲得全新的數(shù)據(jù)文件，并且能夠根據(jù)工程項目的不同周期來對文件進行靈活的管理，但是使用的文件依然是存在固有缺陷的。例如不同的商業(yè)企業(yè)會使用到不同的文件格式，導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)缺少一致性和唯一性，在工程各個階段的使用中比較繁瑣。因此，通過使用數(shù)據(jù)庫來儲存BIM數(shù)據(jù)就成為了一個重要的方式。

1.2 BIM數(shù)據(jù)庫

通過建立BIM數(shù)據(jù)庫，可以對BIM數(shù)據(jù)進行儲存和管理。BIM服務(wù)中可以利用子模型技術(shù)，這種技術(shù)是針對某一個流程對BIM數(shù)據(jù)提取所獲得的子集，其中包含所需要的所有信息。建筑的模型形成子信息模型能夠加成到BIM服務(wù)器，從而實現(xiàn)完整的BIM創(chuàng)建，之后通過子模型來進行服務(wù)器的信息交換，滿足對信息提取在技術(shù)和參數(shù)上的需要。BIM服務(wù)器投入使用，能夠解決信息集成和數(shù)據(jù)維護方面的問題，可以去除服務(wù)器內(nèi)不相關(guān)信息，給工程項目提供全周期的BIM技術(shù)平臺。

基于數(shù)據(jù)庫的儲存管理模式仍然需要面臨一定的問題，比如建筑項目都是涉及多個單位的，所以數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)很大，數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性和性能都會受制于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，甚至?xí)y以在現(xiàn)場應(yīng)用。其次，由于BIM數(shù)據(jù)集中在中央服務(wù)器，也會由于施工各方產(chǎn)權(quán)和安全等方面的原因?qū)е路杉m紛。

1.3 云計算結(jié)合BIM數(shù)據(jù)庫的必要性

云計算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)絡(luò)計算的發(fā)展，云計算使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)資源的共享，并且方便資源的訪問。云計算中的關(guān)鍵技術(shù)包括分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護技術(shù)、虛擬化硬件資源等等。基于云計算的數(shù)據(jù)庫，都是分布在不同云平臺上的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，能夠進行大型數(shù)據(jù)的儲存，并且可以減少數(shù)據(jù)的傳輸量，這樣就能通過縮小單個節(jié)點的數(shù)據(jù)規(guī)模，來提高查詢的效率。為此，通過使用云計算來支持BIM數(shù)據(jù)庫，可以彌補數(shù)據(jù)庫的不足，依靠云平臺的虛擬集成，就能夠形成統(tǒng)一的BIM模型，以便給用戶提供完整的服務(wù)，并且支持在工程不同生命階段的信息交互。

2 BIM數(shù)據(jù)庫類型介紹

BIM數(shù)據(jù)可以存儲結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，按照需求來進行數(shù)據(jù)的過濾和提取，BIM數(shù)據(jù)庫都是根據(jù)IFC標準進行設(shè)計，包括面向?qū)ο笮偷腂IM數(shù)據(jù)庫，關(guān)系型BIM數(shù)據(jù)庫，關(guān)系-對象型數(shù)據(jù)庫和NoSql數(shù)據(jù)庫。

2.1 面對對象型BIM數(shù)據(jù)庫

面對對象的程序設(shè)計是個常用的程序設(shè)計方法，根據(jù)IFC模型的面向?qū)ο笤O(shè)計，有學(xué)者也提出了面向?qū)ο髢Υ娴腂IM數(shù)據(jù)庫。比如目前實現(xiàn)了基于Versant Object Database的IFC型數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫比關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的效率更高。但是面向?qū)ο笮偷臄?shù)據(jù)庫還存在理論不完善等問題，并且數(shù)據(jù)庫的造價也十分昂貴，實際應(yīng)用當中的擴展性也很低。

2.2 關(guān)系型BIM數(shù)據(jù)庫

關(guān)系型BIM數(shù)據(jù)庫利用數(shù)據(jù)之間的關(guān)系來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的儲存，目前主要根據(jù)IFC模型進行設(shè)計。其中的模式在于，針對每個IFC實體，專門制作一個表，表中的一列是實體數(shù)據(jù)的屬性，另一列是屬性的值。目前的關(guān)系型BIM數(shù)據(jù)庫，有基于Sql開發(fā)的IFC數(shù)據(jù)庫；國內(nèi)開發(fā)了BIM信息集成平臺。實際應(yīng)用中，IFC實體具有很多屬性，但是很多屬性的值為空，這就導(dǎo)致關(guān)系數(shù)據(jù)庫為了能夠進行儲存工作，必須要留有大量的空間，會導(dǎo)致明顯的資源浪費。和面向?qū)ο蟮腂IM數(shù)據(jù)庫一樣，關(guān)系型BIM數(shù)據(jù)庫也有擴展性比較差的問題，導(dǎo)致在BIM數(shù)據(jù)量很多時，儲存效果非常差。

2.3 對象-關(guān)系型BIM數(shù)據(jù)庫

由于無論是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫還是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫都有擴展性不足的問題，目前通過將二者結(jié)合，有效解決了他們在應(yīng)用上的不足，形成了一種擴展關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，讓他們能夠具備面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫特征。但是目前對象數(shù)據(jù)庫也并不成熟，所以這種方式的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用仍然比較少。

2.4 鍵值型BIM數(shù)據(jù)庫

鍵值型BIM數(shù)據(jù)庫就是利用鍵值對來對BIM數(shù)據(jù)進行儲存，目前的鍵值型數(shù)據(jù)庫能夠儲存IFC數(shù)據(jù)，查詢速度很快，并且擴展性很強。但由于只是基于鍵值對來進行查詢，所以在查詢時局限性很大。

3 云端的服務(wù)層構(gòu)建

由于BIM信息需要進行跨周期、跨學(xué)科的傳遞和共享，為此在云計算方面也需要做好不同項目的協(xié)同，并且有足夠的效率，而且具備智能化的水平，滿足工程建設(shè)的實際需要。

3.1 協(xié)同

協(xié)同是面向多用戶、多終端云端系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)異地同步的信息共享和傳遞。為了滿足多學(xué)科共同協(xié)作的需要，BIM數(shù)據(jù)庫的云端需要能夠滿足不同時間、不同地點的工作方案。為此，云端的建筑項目在向數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)臅r候，必須要解決IFC格式所存在的數(shù)據(jù)冗余問題，并且能夠支持多種軟件的協(xié)同管理工作。其次在信息交換安全上，也需要避免知識產(chǎn)權(quán)被盜用或者被套用的問題，所以數(shù)據(jù)庫需要具備私有數(shù)據(jù)和公有數(shù)據(jù)混合的特性，而且能夠滿足建筑物建設(shè)不同階段中參與方角色的轉(zhuǎn)換，避免出現(xiàn)信息風(fēng)險。為了保證擴展性，還需要允許第三方數(shù)據(jù)傳輸，有效降低信息傳輸?shù)娘L(fēng)險，并且明確各方的責(zé)任。

3.2 高效

為了能夠?qū)IM數(shù)據(jù)進行高效的管理，并且擁有復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理能力，降低BIM數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度，可以建立鍵值樹作為索引，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速定位，保證數(shù)據(jù)的查詢效率。同時，還可以對于頻繁使用的數(shù)據(jù)使用觸控模式的圖形界面來提升高效性。例如可以將BIM模型和集成開發(fā)式的云技術(shù)結(jié)合，保證BIM數(shù)據(jù)庫可以高效交付。目前，BIM360能夠利用強大的計算和儲存來實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)模型的仿真和渲染。對于現(xiàn)場進度監(jiān)測耗時耗力的問題，可以用實際施工進度和計劃施工狀態(tài)進行對比，根據(jù)兩者的偏差來表達施工狀態(tài)，通過匹配記錄可以將施工的情況準確表現(xiàn)出來。

3.3 智能化

隨著人們對BIM技術(shù)的要求，云端除了能夠?qū)IM數(shù)據(jù)進行查詢，必要時也能夠?qū)IM技術(shù)進行深度分析，通過提取原始數(shù)據(jù)中的有效信息，基于數(shù)據(jù)庫來進行輔助決策、信息變動支持、自動建模等方面的工作。

在輔助信息決策上，可以根據(jù)建筑物的目標狀態(tài)和攝影測量的點云數(shù)據(jù)，形成信息決策的輔助方案，幫助進行建筑構(gòu)件和互動的工作。將數(shù)據(jù)進行對比，就能夠形成比較合理的決策方式。自動建模上，可以根據(jù)BIM數(shù)據(jù)來形成生動的3D模型，滿足使用者的需求，提升數(shù)據(jù)的交互性。如果信息發(fā)生了變動，比如工程參與各方根據(jù)需求增加了自定義屬性，需要進行同步的修改和更新。

4 基于云計算的分布式BIM數(shù)據(jù)和服務(wù)架構(gòu)

解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨笫荁IM數(shù)據(jù)庫的重要需求，通過云計算來構(gòu)建的分布式數(shù)據(jù)庫中，企業(yè)可以將數(shù)據(jù)儲存在本地的服務(wù)器中，然后根據(jù)協(xié)議要求來公開服務(wù)器中的公共數(shù)據(jù)，對私有數(shù)據(jù)做好保護避免其被隨意訪問。這樣，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的共享協(xié)議，各個參與方只是在服務(wù)器上將自己可以公開的數(shù)據(jù)公開，自己只能訪問其他參與方的公開數(shù)據(jù)。各個參與方的服務(wù)器通過云計算進行分布式的虛擬管理，能夠形成完整的BIM模型，這樣就能夠?qū)ㄖこ痰母鱾€階段來建立信息模型。同時，還可以建立所有用戶統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，讓工程參與各方都可以在任何時間、任何地點來獲取權(quán)限內(nèi)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，也能夠自動在其他節(jié)點把數(shù)據(jù)儲存，保證了數(shù)據(jù)的透明和共享。

4.1 數(shù)據(jù)庫的選擇

基于云計算的BIM數(shù)據(jù)庫需要支持數(shù)據(jù)的查詢，并且由于BIM數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量很大，所以數(shù)據(jù)庫需要具備一定的擴展性。目前，NoSql數(shù)據(jù)庫具有讀寫速度快、可以進行海量數(shù)據(jù)處理、擴展性好的特點，被充分應(yīng)用在云計算和互聯(lián)網(wǎng)當中。數(shù)據(jù)庫可以分為鍵值型數(shù)據(jù)庫、面向文檔的數(shù)據(jù)庫和面向列儲存的數(shù)據(jù)庫，使用特定的文檔進行儲存，工作時并不定義表結(jié)構(gòu)，并且能夠滿足很多復(fù)雜的查詢需要。NoSql的儲存方式以行為儲存標準，和傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫以列為標準有很大的區(qū)別。這就能夠讓數(shù)據(jù)庫能夠以列為單位進行數(shù)據(jù)的讀取，能夠儲存稀疏表，并且具有很高的擴展性。根據(jù)IFC具有的機構(gòu)化和稀疏性的特征，實際應(yīng)用中用戶可能會使用到很多不同的方式來進行數(shù)據(jù)的查詢，所以面向列的NoSql數(shù)據(jù)庫的實用性更強。

NoSql數(shù)據(jù)庫中，HBase是分布式的面向列的開源數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫已經(jīng)被很多大型的互聯(lián)網(wǎng)公司所采用，并且在長時間使用之后已經(jīng)比較成熟和穩(wěn)定，故使用HBase來作為BIM數(shù)據(jù)庫有比較好的效果。該數(shù)據(jù)庫使用了分布式數(shù)據(jù)管理模式，能夠讓用戶進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)儲存和訪問工作，并且通過不同的RegionServer實現(xiàn)了分布式的儲存。儲存中，使用行鍵來作為一行的鍵值，利用時間來標識版本，并使用列族的方式來進行不同列的定義。同一個列族會在同一個儲存區(qū)域進行儲存，不同列的數(shù)據(jù)會得到分開的儲存。在查詢時，可以根據(jù)行鍵、列族和實踐來進行快速的查詢。

4.2 基于NoSql的半結(jié)構(gòu)化BIM數(shù)據(jù)庫設(shè)計

IFC數(shù)據(jù)本身就具備一定的面向數(shù)據(jù)的特性，并且能夠針對一個表來進行結(jié)構(gòu)化的儲存工作。應(yīng)用當中，數(shù)據(jù)的訪問效率比較低，必須要進行大量的Join操作，實際應(yīng)用的效率相對低下。為此，可以使用半結(jié)構(gòu)化的儲存方法，充分發(fā)揮IFC的結(jié)構(gòu)特性。

IFC只有存在可獨立交換實體時，才能夠進行提取和修改，而且資源實體是不會被單獨訪問的，工作中只會根據(jù)可交換實體建立表，并且資源實體受到的訪問也會被記錄?？瑟毩⒔粨Q實體具有所有的屬性信息，無論是簡單類型的數(shù)據(jù)信息還是復(fù)雜類型的數(shù)據(jù)信息，都囊括在可交換實體中，并且所有的信息都被序列化成了二進制的數(shù)據(jù)儲存在相應(yīng)的單元中。為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余的問題，在應(yīng)用中關(guān)系實體和類型實體中，類型實體能夠儲存交換實體的屬性。為了避免由于同一個資源被多個可獨立交換實體采用導(dǎo)致的重復(fù)問題，可以根據(jù)其GlobalID或者名稱直接從IfcPrduct上進行提取，這樣就能夠避免過多Join操作導(dǎo)致的工作效率下降，有效提升了工作的效率。

5 結(jié)束語

BIM數(shù)據(jù)庫有著十分重要的作用，為了保證BIM數(shù)據(jù)庫的性能，需要充分利用云計算技術(shù)。為此，數(shù)據(jù)庫需要滿足協(xié)同、高效和智能化的需求。通過使用HBase來進行數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，能夠滿足實際的需求，提高工程建設(shè)的協(xié)同水平。