基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)

楊 錦

（西安培華學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,陜西西安 710125）

裝配式建筑是將工廠制作好的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件實施裝配安裝，生成現(xiàn)代化建筑，其優(yōu)點是綠色環(huán)保、施工效率高、保證建筑的可持續(xù)性，在建筑行業(yè)施工方面應(yīng)用廣泛，已成為現(xiàn)代建筑業(yè)的主流設(shè)計方向［1-3］。目前裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成仍處于初級階段，實際施工中裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的信息傳輸與集成速度慢導(dǎo)致裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件建造成本高、設(shè)計周期長等問題［4-6］。

但是以往裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成非常局限，如王琛等，研究基于JSP的裝配式建筑信息化管理平臺［7］，在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成過程中，采用Java Server Pages（JSP）動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)對裝配式建筑框架實施信息集成，由于該系統(tǒng)比較繁瑣復(fù)雜，導(dǎo)致裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成效率不佳；邱凱等，研究基于RFID和區(qū)塊鏈的預(yù)制構(gòu)件管理系統(tǒng)［8］，在裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成中，利用RFID技術(shù)對每個構(gòu)件作為唯一標志實施信息集成。由于該系統(tǒng)智能化程度不高導(dǎo)致裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成效果差。建筑信息管理系統(tǒng)（Building Informatics Management，BIM）可提升裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成效率；云計算是用戶通過客戶端獲取所需的動態(tài)信息資源。云端BIM是將BIM與云計算技術(shù)相結(jié)合，綜合兩者優(yōu)點和功能，設(shè)計基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)，滿足裝配式建筑用戶對預(yù)制構(gòu)件的信息需求，保證裝配式建筑質(zhì)量。

1 基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提高裝配式建筑的預(yù)制構(gòu)件信息集成效率，設(shè)計基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)，基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)是由硬件層、數(shù)據(jù)層、云平臺層、網(wǎng)絡(luò)層、用戶層組成。在硬件層的支持下，將裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層對接收裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息實施信息采集、編碼、分類，并存儲在BIM數(shù)據(jù)庫，云平臺層提取BIM數(shù)據(jù)庫信息，采用自適應(yīng)關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法與云端BIM技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)信息集成，將集成后的信息反饋給網(wǎng)絡(luò)層并呈現(xiàn)給用戶層。

1.2 系統(tǒng)硬件

硬件層包括能滿足存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)荣Y源服務(wù)的多種設(shè)備，包括存儲器、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等。基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)的硬件，由存儲資源、高速光纖交換機、服務(wù)器集群、負載均衡器、局域網(wǎng)等組成。存儲資源為存儲海量信息提供容量支持，具體分為備份磁盤與主磁盤；采用高速光纖交換機實現(xiàn)存儲資源與服務(wù)器集群的信息交換、傳輸；服務(wù)器分為高速與低速服務(wù)器，高速服務(wù)器對信息實施處理與管理，主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器［9］，用戶認證服務(wù)器是低速服務(wù)，實現(xiàn)對用戶登錄權(quán)限管理；為了符合并發(fā)用戶訪問標準，使用負載均衡器可提高信息服務(wù)效率；局域網(wǎng)保證了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量與信息傳輸速度。

1.3 數(shù)據(jù)層設(shè)計

由結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)層的核心數(shù)據(jù)庫——BIM數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)據(jù)層可實現(xiàn)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的共享，數(shù)據(jù)層流程如圖1所示。數(shù)據(jù)層主要負責(zé)信息數(shù)據(jù)的采集、編碼、分類、存儲等功能。BIM數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)層的核心，通過多媒體、紙質(zhì)等方式進行裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息采集。將采集到的信息實施裝配式建筑結(jié)構(gòu)分解，并將分解后的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息實施信息編碼后進行分類存儲到BIM數(shù)據(jù)庫。為了提高信息使用效率，按照裝配式建筑設(shè)計的實際需求，提取BIM數(shù)據(jù)庫存儲的相應(yīng)信息［10-12］。

圖1 數(shù)據(jù)層流程Fig.1 Data layer flow

1.4 裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成

云平臺層是由服務(wù)層模塊、資源模塊組成。服務(wù)層模塊為了符合用戶的信息需求，重新整合軟件功能服務(wù)，為系統(tǒng)運行提供計算支持。資源模塊通過虛擬化實現(xiàn)多個操作系統(tǒng)共享一個服務(wù)器，利用云計算實施信息計算，提供分布式的信息管理。資源模塊提取BIM數(shù)據(jù)庫中的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息，采用自適應(yīng)關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法與云端BIM技術(shù)相結(jié)合實施裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成。

設(shè)置裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息分布有限集，在特征空間里，f(xm)表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的聯(lián)合分布函數(shù)。為裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的標量序列和，裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息提取的分組檢測，用公式（1）描述，即

其中，BIM信息調(diào)度用R(h)描述。

當用信息集成n個區(qū)域的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件時，子空間用[Ex-3En，Ex+3En]表示，同時在子空間內(nèi)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息訓(xùn)練數(shù)據(jù)的特征信息符合平衡解約束條件［13］，求解裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的模糊集成度水平，用公式（2）描述，即

其中，yi為裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的荷分離特征量，裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的適應(yīng)度函數(shù)為Ti∈{T1，T2，T31，T32}、Oj，f1，…，Oj，fn，裝配式建筑進度信息(Oj，f1，Oj，fn)的邊值為統(tǒng)計時間窗口大小Ti，est為子空間的約束條件，當?shù)诙窝b配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息提取的分組檢測值大于第一次值時，φkt表示裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的區(qū)域模板函數(shù)。

在云端BIM技術(shù)下，求解裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成特征量(xi，yi)，特征解的優(yōu)化用公式（3）描述，即

其中，l1，l2，…，lp為裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息提取的集成特征集。

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的集成在有限域邊界條件下，通過自適應(yīng)關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法與云端BIM技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成的自適應(yīng)集成輸出，用公式（4）描述，即

其中，Rx(τ)為有限域邊界條件，m為信息數(shù)量。

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的優(yōu)化提取按照信息集成結(jié)果，采用公式（4）求解最大的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成的自適應(yīng)集成輸出值。

利用粗糙集聚類分析方法，獲取裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成的BIM信息集成的判決統(tǒng)計量，用公式（5）描述，即

其中，裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成的BIM信息的統(tǒng)計特征值為K，且β1>0，β2>0；最大回歸分析的量化值為λmax。

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成的尋優(yōu)控制是通過合簇內(nèi)數(shù)據(jù)的集成聚類分析方法實現(xiàn)。為了求解裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的BIM信息集成均方根誤差［14-15］，通過主成分特征檢測方法得出。當均方根誤差符合MSE=E[(|e(n)|2]>K時，選取較小的α1，α2實施裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成處理，裝配式建筑的信息集成與管理，通過分層推進方法實現(xiàn)，得出裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成的統(tǒng)計概率分布，用公式（6）-（7）描述，即

若ai，bi∈V，b1，b2∈V'，通過高維相空間重組方法實施信息重構(gòu)，得出裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成結(jié)果，用公式（8）描述，即

2 實驗結(jié)果與分析

利用Matlab軟件實施實驗分析，實驗設(shè)置某項目的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息，其中設(shè)置120∶1的配筋率、100個獨立信息數(shù)據(jù)、240 MPa屈服強度。裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息類型包括樓梯2種共35件、墻板3種共125件、樓板4種共20件、10件陽臺板、10件梁柱等信息。

為測試裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的集成效率，將本文系統(tǒng)與文獻［7］基于JSP的裝配式建筑信息化管理系統(tǒng)、文獻［8］基于RFID和區(qū)塊鏈的預(yù)制構(gòu)件管理系統(tǒng)進行對比。測試三種系統(tǒng)集成不同的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息過程中耗費的時間，用圖2描述。由圖2可知，本文系統(tǒng)集成不同類型裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息時間明顯高于其他兩種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的平均集成時間為26.6 ms，分別比文獻［7］系統(tǒng)、文獻［8］系統(tǒng)的平均集成時間節(jié)省20.6 ms、8.1 ms，本文系統(tǒng)集成不同類型裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件下信息時間柱形圖呈現(xiàn)出穩(wěn)定態(tài)勢，而其他兩種系統(tǒng)集成時間柱形圖波動較大，說明本文系統(tǒng)的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成時間最短且趨于平穩(wěn)。

圖2 集成時間Fig.2 Integration time

統(tǒng)計三種系統(tǒng)集成不同裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件類型信息的精度，用圖3描述。由圖3可知，本文系統(tǒng)集成不同類型裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的精度明顯高于其他兩種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的平均集成精度為99.02%，而文獻［7］系統(tǒng)、文獻［8］系統(tǒng)的平均集成精度分別為72.66%、82.46%，說明本文系統(tǒng)的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成精度高。

圖3 集成精度Fig.3 Integration accuracy

在不同時間記錄三種系統(tǒng)集成實驗裝配式預(yù)制構(gòu)件信息后總體裝配式預(yù)制構(gòu)件信息中的獨立信息數(shù)量，結(jié)果用圖4描述。由圖4可知，采用本文系統(tǒng)集成后，總體裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息中的獨立信息數(shù)量明顯低于其他兩種系統(tǒng)。說明本文系統(tǒng)的集成效果最佳，降低了裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件獨立信息數(shù)量，增加集成的信息量，本文系統(tǒng)的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息的集成效果較好。

圖4 獨立信息數(shù)量Fig.4 Number of independent information

為了驗證三種系統(tǒng)的魯棒性，檢測三種系統(tǒng)進行裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成過程的變化幅值情況，結(jié)果用表1描述。由表1可知，本文系統(tǒng)能快速達到穩(wěn)定幅值，實現(xiàn)穩(wěn)定后，可一直保持在一個平穩(wěn)區(qū)間，說明本文系統(tǒng)具有較高的魯棒性；其他兩種系統(tǒng)需較長時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)同時幅值波動較大，其中文獻［6］系統(tǒng)一直處于上升態(tài)勢并未實現(xiàn)穩(wěn)定，因此本文系統(tǒng)的魯棒性更優(yōu)。

表1 魯棒性能分析Tab.1 Robust performance analysis

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)彌補以往信息集成系統(tǒng)的劣勢，可對裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息實施高效集成。但因裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成是比較專業(yè)的領(lǐng)域，本文系統(tǒng)目前還處在初步開發(fā)階段，下一步主要的研究方向為以下幾個方面。

（1）與建筑行業(yè)和信息技術(shù)領(lǐng)域的專家合作，提升系統(tǒng)開發(fā)的性能。

（2）采用更先進的技術(shù)與基于云端BIM的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成系統(tǒng)相結(jié)合，優(yōu)化升級系統(tǒng)，使處理裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件信息集成效果更佳。

（3）拓展本文系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，將本文系統(tǒng)運用在更多的行業(yè)內(nèi)，深入研究系統(tǒng)實際應(yīng)用效果。