BIM云平臺構(gòu)建技術(shù)研究

摘 要：建筑信息模型（Building Information Modeling， 簡稱BIM） 是一種使用三維信息技術(shù)建模的新型工作模式。由于現(xiàn)有的BIM云平臺存在的硬件資源無法滿足業(yè)務(wù)拓展需求、BIM云平臺使用率較低等問題，需要對新的系統(tǒng)進(jìn)行改良工作。從BIM云平臺的背景出發(fā)，從系統(tǒng)的需求分析、性能要求出發(fā)，分析系統(tǒng)改良的系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)，解析云平臺的BIM和GIS結(jié)合的相關(guān)應(yīng)用，最后總結(jié)系統(tǒng)的建設(shè)成果。

關(guān)鍵詞：BIM云平臺；云計(jì)算；可視化；GIS

中圖分類號：U215.1;TP315 " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2022）10-0010-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)建筑工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維過程中，已大量使用信息化工具作為輔助手段[1]。然而，隨著項(xiàng)目規(guī)模的不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度也不斷增加，傳統(tǒng)的二維圖紙方式已不能滿足多專業(yè)協(xié)同高效工作的需求[2]。BIM是一種以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將建筑工程全生命周期內(nèi)的各種相關(guān)信息加以整合并進(jìn)行有效管理的一種全新工作模式。而作為近些年各行各業(yè)的研究熱點(diǎn)的云計(jì)算技術(shù)，利用其強(qiáng)大的云端計(jì)算能力解決了海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效處理問題，使得多用戶間的信息快速存儲、共享成為可能[3]。

現(xiàn)有的BIM云平臺存在的硬件資源，無法滿足業(yè)務(wù)拓展需求、網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲、用戶體驗(yàn)不佳等問題導(dǎo)致BIM云平臺使用率較低[4]，因此需要對BIM云平臺整體方案和技術(shù)路線進(jìn)行改造升級，打造集資源服務(wù)、管理服務(wù)為支撐的一體化聚合平臺的目標(biāo)。

1 BIM云平臺構(gòu)建思路

1.1 系統(tǒng)功能性需求分析

通過需求分析，能夠明確平臺的搭建目的、服務(wù)內(nèi)容和主體功能[5]。BIM云平臺以共享運(yùn)算資源為核心，以點(diǎn)帶面，充分利用優(yōu)勢資源，通過云端部署、項(xiàng)目授權(quán)使用的方式，形成集實(shí)景建模、統(tǒng)一授權(quán)、跨平臺協(xié)作等為一體的特色服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與BIM門戶、BIM應(yīng)用需求中心融合的整體服務(wù)體系。平臺面向普通用戶、管理員、超級管理員3類用戶，分別提供不同的權(quán)限。

BIM門戶以打造集資源服務(wù)和管理服務(wù)為支撐的一體化聚合平臺為目標(biāo)，通過認(rèn)證服務(wù)體系構(gòu)建人才專家?guī)?，為不同類別的用戶提供針對性的信息、資源、學(xué)習(xí)、大賽等服務(wù)，結(jié)合魯班平臺、供應(yīng)鏈金融等業(yè)務(wù)形成全產(chǎn)業(yè)鏈的聚合服務(wù)鏈條。BIM應(yīng)用需求中心主要以為管理人員、設(shè)計(jì)單位、施工單位的從業(yè)技術(shù)人員提供平臺化服務(wù)為目標(biāo)，結(jié)合BIM設(shè)計(jì)服務(wù)、BIM+GIS數(shù)據(jù)服務(wù)、BIM項(xiàng)目服務(wù)，提供用戶及組織機(jī)構(gòu)管理、BIM服務(wù)管理、GIS模型管理、項(xiàng)目與人才管理、模型管理、日志管理、資源管理等功能。

1.2 系統(tǒng)性能需求分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)越復(fù)雜，用戶對系統(tǒng)的性能要求就越高，因此系統(tǒng)性能需求分析對于系統(tǒng)的構(gòu)建有著重要的意義[6]。在系統(tǒng)可用性方面，系統(tǒng)要減少服務(wù)冗余，高效管理角色的功能模塊權(quán)限，提高相同模塊的復(fù)用性；保證數(shù)據(jù)存儲高可用，確保主庫出現(xiàn)問題后能夠自動(dòng)切換到從庫，保證數(shù)據(jù)一致性。在系統(tǒng)易用性方面，要保證系統(tǒng)的易理解性與易操作性。

在系統(tǒng)安全性方面，需遵循最小特權(quán)原則，對于請求資源的主體，只應(yīng)該分配最少的必要權(quán)限，而且應(yīng)該保證賦予權(quán)限分配的必要時(shí)間最短；各模塊都對用戶輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，以保證數(shù)據(jù)的正確性和適當(dāng)性；軟件調(diào)用組件的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)了解該組件是否存在安全問題；禁止使用過期函數(shù)。

在系統(tǒng)可擴(kuò)展性方面，在設(shè)計(jì)上必須具有適應(yīng)業(yè)務(wù)變化的能力，當(dāng)系統(tǒng)新增業(yè)務(wù)功能或現(xiàn)有業(yè)務(wù)功能改變時(shí)，應(yīng)盡可能地保證業(yè)務(wù)變化造成的影響局部化。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)信息的存儲、管理、信息交換等方面都要采用標(biāo)準(zhǔn)化，要支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、規(guī)范、平臺等，做到平臺無關(guān)性。

2 BIM云平臺的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式Spring Cloud架構(gòu)，對不同的業(yè)務(wù)功能模塊進(jìn)行拆分，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)完成自己模塊內(nèi)的功能[7]。系統(tǒng)架構(gòu)主要分為5層，分別是用戶層、網(wǎng)關(guān)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層和運(yùn)維層。微服務(wù)架構(gòu)在解決大型軟件復(fù)雜性問題上有較為突出的優(yōu)勢[8]，通過注冊中心保存各服務(wù)信息，使得服務(wù)與微服務(wù)之間的調(diào)用更加方便[9]。同時(shí)，業(yè)務(wù)按功能區(qū)分以達(dá)到高內(nèi)聚、低耦合的效果，使得開發(fā)時(shí)有更好的延展性并且減少了模塊間的功能依賴，保證在其中一個(gè)模塊出現(xiàn)問題能不影響或較少影響其他模塊的服務(wù)[10]。

從功能結(jié)構(gòu)上講，系統(tǒng)由BIM門戶、BIM云平臺構(gòu)成。BIM門戶以認(rèn)證體系為基礎(chǔ)匯集BIM用戶，通過普通用戶到BIM人員，最終到BIM專家的成長體系，為不同用戶提供針對性的服務(wù)。同時(shí)提供資源共享服務(wù)，作為連接器鏈接各用戶群，圍繞普通用戶查詢信息，BIM人員使用信息，BIM專家生產(chǎn)信息，對內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源匯集，對外實(shí)現(xiàn)資源輸出，結(jié)合積分體系并借助考核手段達(dá)成對個(gè)人、企業(yè)管理的目的。BIM云平臺以共享資源服務(wù)為核心，通過集約化的硬件資源和多個(gè)虛擬化的軟件資源，實(shí)現(xiàn)一次部署、多項(xiàng)目使用，解決多次重復(fù)購買和基層計(jì)算資源不足的問題，同時(shí)提供跨平臺的協(xié)同交互方式，提升用戶體驗(yàn)，讓操作演示更加友好。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理、個(gè)人中心、項(xiàng)目管理、BIM模型管理、GIS模型管理、BIM+GIS駕駛艙、文件資源管理、人才管理等模塊組成。

系統(tǒng)管理模塊主要由管理員操作，實(shí)現(xiàn)登錄人員信息管理，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的動(dòng)態(tài)路由管理功能；個(gè)人中心模塊實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息、通知消息、個(gè)人項(xiàng)目、個(gè)人積分變動(dòng)等個(gè)人相關(guān)信息的內(nèi)容展示；項(xiàng)目管理模塊實(shí)現(xiàn)對BIM項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容的管理，包含項(xiàng)目的認(rèn)證流程、項(xiàng)目信息管理、項(xiàng)目機(jī)構(gòu)權(quán)限分配等功能；BIM模型管理模塊實(shí)現(xiàn)對BIM模型相關(guān)內(nèi)容的管理，包含BIM模型的上傳、模型的合并及項(xiàng)目進(jìn)度的管理等功能；GIS模型管理模塊實(shí)現(xiàn)GIS模型轉(zhuǎn)化、發(fā)布、GIS數(shù)據(jù)管理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入等功能；BIM+GIS駕駛艙實(shí)現(xiàn)整體大屏、部門大屏及項(xiàng)目大屏的內(nèi)容展示。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

BIM應(yīng)用服務(wù)中心以BIM底層技術(shù)、工具服務(wù)為基礎(chǔ)，通過模塊化工具服務(wù)施工生產(chǎn)，打通上下游產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)資源和服務(wù)共享；以生態(tài)服務(wù)為依托，打造包含基于BIM的BIM設(shè)計(jì)服務(wù)（BIM云平臺）、BIM+GIS數(shù)據(jù)服務(wù)、BIM技術(shù)服務(wù)、BIM項(xiàng)目施工服務(wù)等的項(xiàng)目服務(wù)中心。

2.3.1 BIM+GIS技術(shù)

GIS平臺可以有效地管理大面積的BIM數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輕量化引擎，無須安裝任何插件即可直接在網(wǎng)頁和手機(jī)打開模型，實(shí)現(xiàn)模型的輕量化瀏覽[11]。借助BIM+GIS技術(shù)，即可通過可視化方式展示相關(guān)進(jìn)度、人員、安全、機(jī)械設(shè)備及相關(guān)資料等情況。BIM、GIS領(lǐng)域的行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在其在幾何、語義信息等方面存在較大的差異，在數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換過程中通常會伴隨大量BIM數(shù)據(jù)信息的丟失。可以采用從IFC中提取編碼信息轉(zhuǎn)換為GIS可識別的CityGML編碼語言的方法實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與GIS平臺的有效數(shù)據(jù)集成，保證BIM與GIS的融合。

2.3.2 基于WebGL的模型交互與渲染技術(shù)

WebGL內(nèi)嵌于瀏覽器中，無需搭建任何的開發(fā)環(huán)境，在多個(gè)平臺上應(yīng)用廣泛。WebGL客戶端渲染相較傳統(tǒng)的瀏覽器Active插件方式具有免安裝、輕量化、易部署的優(yōu)點(diǎn)。WebGL在瀏覽器渲染展示方面具有明顯的優(yōu)勢，同時(shí)調(diào)用Three.js開源引擎可將常用的三維數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成自身的object3D對象，簡化了調(diào)用網(wǎng)絡(luò)接口傳輸JSON三維數(shù)據(jù)的操作方式。用戶可通過瀏覽器從服務(wù)器端下載模型到本地，利用本地的計(jì)算能力，通過WebGL驅(qū)動(dòng)訪問顯卡進(jìn)行模型的交互與渲染。

2.3.3 基于云計(jì)算的BIM模型輕量化技術(shù)

在遠(yuǎn)程服務(wù)器端以云計(jì)算賦能進(jìn)行模型的渲染計(jì)算，客戶端僅作為一個(gè)可以交互的顯示器，將渲染指令發(fā)送到服務(wù)器同時(shí)接收渲染結(jié)果。這種方式可以使得對本地計(jì)算資源要求降低，可以實(shí)現(xiàn)超出本地機(jī)器計(jì)算能力的大規(guī)模模型交互繪制及應(yīng)用，同時(shí)提高數(shù)據(jù)安全性。構(gòu)建面向BIM服務(wù)的云計(jì)算體系，需要實(shí)現(xiàn)模型文件輕量化轉(zhuǎn)換、模型快速可靠傳輸、模型渲染及顯示的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中模型快速可靠傳輸是在BIM源文件輕量化轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上使用壓縮、構(gòu)件模型流、運(yùn)用緩存等技術(shù)使模型快速可靠地到達(dá)接收端。

3 BIM云平臺的應(yīng)用

普通用戶擁有操作系統(tǒng)中的各項(xiàng)基礎(chǔ)功能的權(quán)限，如申請人才認(rèn)證、新建項(xiàng)目認(rèn)證、查看個(gè)人中心、操作個(gè)人項(xiàng)目信息、查看積分變動(dòng)信息、操作BIM模型、操作GIS服務(wù)、填寫人才申請等；有操作系統(tǒng)中的各項(xiàng)與局級相關(guān)工作的權(quán)限，管理員可以完成普通用戶的操作，也可以操作當(dāng)前部門下的數(shù)據(jù)，管理某部門下的人才申請及項(xiàng)目申請的審批操作；超級管理員的工作除了操作上述普通用戶的部分及管理員的操作業(yè)務(wù)內(nèi)容外，還有操作配置系統(tǒng)屬性的功能內(nèi)容，系統(tǒng)管理部分的內(nèi)容有關(guān)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.1 BIM模型管理

BIM模型管理支持單一模型上傳管理、合并模型管理和場景管理。單一模型上傳管理支持本地模型導(dǎo)入或FTP上傳、查詢等功能。合并模型管理支持添加裝配模型、發(fā)布模型、管理已發(fā)布模型及進(jìn)行進(jìn)度方案管理及進(jìn)度任務(wù)管理。場景管理支持對場景信息的增刪改查。

3.2 GIS數(shù)據(jù)管理

GIS數(shù)據(jù)管理支持GIS服務(wù)管理、模板管理、標(biāo)簽管理、風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)管理、風(fēng)險(xiǎn)明細(xì)數(shù)據(jù)管理、攝像頭管理以及對通過物聯(lián)網(wǎng)接入的人員數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。GIS服務(wù)管理提供上傳GIS壓縮包，發(fā)布服務(wù)，實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用功能。

3.3 BIM+GIS駕駛艙

BIM+GIS駕駛艙主要包括集團(tuán)大屏和項(xiàng)目大屏，主要通過各個(gè)維度來展示系統(tǒng)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

集團(tuán)大屏內(nèi)容主要展示整體數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)內(nèi)容。具體包括：按照人才類型、單位和專業(yè)維度展示BIM人才統(tǒng)計(jì)內(nèi)容；按照是否在建設(shè)中統(tǒng)計(jì)，通過單位、類別、區(qū)域等維度展示BIM項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)信息；通過BIM人員或項(xiàng)目維度展示BIM的新增趨勢內(nèi)容；展示BIM投入排名信息。

項(xiàng)目大屏主要展示項(xiàng)目中的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：按管理人員或勞務(wù)人員分類的人員信息統(tǒng)計(jì)一覽，按工種分類的人員投入趨勢統(tǒng)計(jì)，按照機(jī)構(gòu)或類別分類設(shè)備信息一覽，按照風(fēng)險(xiǎn)等級、風(fēng)險(xiǎn)類別分組展示的安全隱患統(tǒng)計(jì)；按照風(fēng)險(xiǎn)等級、風(fēng)險(xiǎn)類別分組展示的危險(xiǎn)趨勢統(tǒng)計(jì)，可以點(diǎn)擊視頻投放、播放、重播、暫停操作的攝像頭一覽。

4 結(jié)語

BIM最大程度整合了社會的有效資源，提高效率和控制力，并且?guī)椭鷮?shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與綠色設(shè)計(jì)的理念。在結(jié)合GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)融合云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)模型的輕量化瀏覽，并將項(xiàng)目進(jìn)度、人員等情況通過可視化方式展示，提升了用戶體驗(yàn)，有利于用戶對項(xiàng)目信息的整體把控，促進(jìn)了高效工作；實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享與協(xié)同工作，保障了數(shù)據(jù)安全，同時(shí)降低了對硬件資源的要求。平臺結(jié)合GIS技術(shù)，在三維信息平臺上進(jìn)行二次開發(fā)，大大提升了平臺的實(shí)用價(jià)值，在一定程度上滿足了用戶對BIM業(yè)務(wù)拓展的需求。

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