輕量化BIM私有桌面云系統在工程項目中的應用

張 宇 張 亮

上海建工集團工程研究總院 上海 200129

BIM技術的出現是建筑施工行業的一次重大革命，極大地促進了行業的科技進步、轉型升級與創新發展，對整個行業的發展趨勢轉變產生了不可估量的影響[1]。近年來，隨著BIM技術與大數據技術、物聯網技術、云計算等信息技術的不斷融合發展，建筑施工管理也逐漸由人工方式向著信息化、智能化管理方向升級轉化，既顯著提升了管理效率和效果，還節省了大量的工程管理成本。

本文通過對輕量化BIM私有云系統在上海嘉定再生能源利用中心項目中的具體應用與成效進行系統分析，總結出了一套切實可行的工程信息化建設解決方案，為私有云的進一步落地推廣創造條件。

1 技術背景

云計算（Cloud Computing）是一種基于互聯網的計算方式，通過這種方式，共享的軟硬件和信息資源可以按需提供給計算機和其他終端使用[1]，它是網格計算、分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化和負載均衡等計算機技術與網絡技術發展融合的產物[2]。云計算按照服務方式可以劃分為公有云、私有云和混合云；按照服務類型可以劃分為基礎設施服務云、平臺服務云和軟件服務云[3]。

虛擬化技術是云計算技術的重要支撐技術，它可以擴大硬件的容量，簡化軟件的重新配置過程[4]。虛擬化技術種類繁多，如桌面虛擬化、服務器虛擬化、系統虛擬化等均屬于其范疇。

桌面虛擬化技術是一種將計算機用戶使用的個人計算機桌面與物理計算機相隔離的技術。在桌面虛擬化系統中，用戶的桌面操作系統都是運行在后臺的服務器上；通過遠程桌面交付協議，將運行在服務器上的桌面影像傳送到用戶的訪問終端，同時桌面交付協議也將用戶訪問終端上的鼠標、鍵盤、觸摸（有觸摸功能的智能設備）等指令發送到后臺的虛擬桌面上，完成操作交互。其核心就是遠程桌面交付協議，傳輸的主要為人機交互數據，同時是一種高效率的數據交換協議，采用了大量的數據壓縮、加密和連接優化技術，保證了用戶的使用體驗以及數據安全[5]。

在工程建設行業踐行數字化建造理念的過程中，BIM技術與云計算技術作為基礎應用技術是不可或缺的，二者的集成應用能有效地實現終端設備的協同，數據的處理、存儲與資源共享，提升各方的協同工作效率，降低BIM技術應用門檻。

2 BIM系統架構模式

目前，業內使用的BIM技術系統架構模式基本為如下2種：

1）單機模式。即每位用戶擁有一個圖形工作站，BIM軟件安裝在獨立的工作站上，BIM模型數據也存儲在本地。

2）基于產品數據管理（PDM）的模式。即企業建立一個BIM數據管理平臺，集中保存和管理企業內部所有的BIM模型數據。每位用戶仍舊各自擁有一臺圖形工作站，在本地圖形工作站上安裝、運行BIM軟件，完成當前任務后，通過網絡將BIM模型上傳至PDM服務器，由PDM服務進行統一存放和管理，以便于后續的工作。

這2種系統架構模式都存在硬件成本高、數據安全性差、系統管理復雜等問題。為此，我們在上海嘉定再生能源利用中心項目中創建了輕量化BIM私有桌面云系統，有效地解決了上述問題。

3 項目概況

3.1 項目概況

本項目建設地點位于上海市嘉定區外岡鎮古塘村，規劃用地面積約7.17 hm2。本項目服務范圍為上海市嘉定區，日處理生活垃圾量1 500 t，年處理生活垃圾總量為500 000 t。擬設置3條日處理500 t生活垃圾的爐排焚燒線，每條焚燒線年運行8 000 h（圖1）。

圖1 項目效果圖

3.2 BIM總體應用目標

上海嘉定再生能源中心項目要求在工程建設全生命周期內應用BIM技術，項目所有參與方必須應用BIM技術提高專業服務水平，提升項目品質。

在設計階段，要求BIM咨詢單位統籌管理設計方及設計顧問，應用BIM技術完成設計和顧問工作，并交付BIM成果。

在施工階段，要求BIM咨詢單位指導、配合業主管理和應用BIM技術對工程建設過程中的施工進度、質量、安全、成本等進行全面管控。輔助業主督促各施工單位、監理等參建單位進行BIM應用的推廣。

在運維階段，要求BIM咨詢單位指導業主研究、開發BIM在垃圾焚燒發電行業的應用，并與原有的系統管理控制平臺有效對接。

4 輕量化BIM私有桌面云系統解決方案

4.1 基本原理

輕量化BIM私有云系統的基本原理可以簡單地描述為將所有的BIM應用程序放在云端（應用服務器端）運行，通過網絡將應用程序的操作界面傳送至地端；地端電腦將包括鼠標移動、鍵盤敲擊等在內的指令通過網絡傳送到云端服務器，經過云端服務器的處理，將用戶操作后的圖像優化壓縮再傳回地端顯示。地端電腦并不參與應用程序計算，而僅處理云端發送的應用程序界面和應用程序操作傳輸，這也是輕量化BIM私有云系統物美價廉的優勢所在。而在這一過程中，我們除了需要關注云端硬件的性能外，還要關注傳輸速度對網速的要求。在地端電腦的使用過程中，要保證其傳輸速度能夠等同或接近于服務器端的速度，而且經過優化的圖像傳輸所占用的網絡帶寬遠遠小于模型數據傳輸的帶寬。

4.2 系統設計

4.2.1 邏輯架構

整個平臺邏輯由4個邏輯功能塊組成：

1）操作系統模塊。操作系統模塊完成對平臺服務器硬件的管理、實時多用戶環境、用戶登錄授權等工作。

2）Remote Desktop Services模塊。該模塊旨在實現桌面遠程傳輸的服務，即可將整個服務器的操作界面（Windows Desktop）發送給地端進行顯示。系統采用Microsoft的RDS組件實現，該組件是Windows Server的一個組件，通過特定的選擇安裝即可完成部署。同時該服務可在多臺服務器之間實現基于桌面對話級別的負載均衡，即多個用戶同時使用本平臺時，可以按照不同的用戶連接分配在不同的物理服務器中，并且這種分配是可以根據硬件環境的不同在管理端配置的。這樣，不同配置的服務器所承載的用戶比率就會不完全相同，性能高的硬件可承擔更大比率的用戶，性能低的計算機承載小比率的用戶。

3）Remote Application模塊。該模塊主要實現了將一個應用的操作界面（如Revit）發布到地端的操作。這樣用戶端通過桌面圖標就可以直接連接到服務器上，同時打開并操作相應的應用程序；而在屏幕的傳輸上僅發送這個應用程序的界面，這樣在用戶端看來其運行的效果與在地端本地運行的效果完全一致，用戶基本無法感知這個應用的計算承載是在地端計算機上還是在服務器之上。通過該模塊，我們可以將不同的應用部署在不同的云端物理機系統上，這樣用戶在操作不同的應用程序時，可以利用到多物理計算的資源，從而提高客戶端的整體應用性能。還可以實現用戶應用授權的配置，這樣就可以阻止那些沒有必要使用Revit的用戶打開Revit應用程序，占用系統資源。

4）應用程序模塊。它是用戶需要通過云平臺使用的軟件集合，通過一些規定程序的安裝和配置便可經Remote Application進行發布。發布后的應用在完成安裝后，用戶可以在地端計算機的桌面上看到一個如同本地應用程序一樣的圖標，可以如同打開本地應用程序一樣的打開云端應用程序。

4.2.2 物理架構

本項目輕量化BIM私有桌面云系統采用3臺Revit工作站組成Revit工作站群；1臺管理服務器采用虛擬化配置，均衡負載，安裝5塊3 T硬盤N＋1冗余后實現12 T的項目級專業存儲；1臺24口全千兆交換機，用于網絡傳輸數據交換；1臺防火墻隔離服務器與用戶環境；6臺云終端，滿足建設單位BIM咨詢（4臺）、建設單位（2臺）的使用；10～15臺普通PC終端，供設計、工代、總包、監理等其他配合方使用（圖2）。

圖2 物理架構示意

5 系統建設總結

5.1 應用承載評估

輕量化BIM私有桌面云系統的應用承載主要分為3類：

1）云承載。本項目主要使用的設計、溝通、協調軟件為Microsoft、Autodesk、騰訊和瀏覽器應用，這些應用均可以通過云發布的方式進行部署，也可以通過云進行應用。輕量化私有云技術對OpenGL是完全支持的，因此從實際效果來看非常順暢。

2）本地承載。本項目的施工管理軟件主要為廣聯達的算量和BIM 5D，這些軟件雖然都可以通過云端部署和運行，但由于系統搭建時未采用Rdp協議棧中更高端的RemoteFX技術，導致DirectX的遠傳支持效果很差，經常發生鼠標漂移、顯示滯后的狀況，幸好地端電腦采用了桌面級的構架，故本地計算機的性能和顯示能力有了一定的保障，這些工程管理的軟件尚能較好地在本地計算機中運行。

3）PC承載。只有lumion在平臺所搭配的客戶端上無法流暢運行。經過分析，Lumion采用的DirectX 3D驅動技術完全不支持OpenGL，而且對顯卡的要求較高，故無論通過云模式和本地模式，均無法完美運行，因此本項目另行配置了一臺較高系統配置的PC機配合GTX960 4G顯卡來承擔Lumion的使用。

綜上，云平臺的應用承載的覆蓋率在90%以上，特別是對應用運行要求較高的Autodesk系列設計工具都能較好地支持。

5.2 性能承載評估

5.2.1 多用戶承載

系統自2015年6月建立以來，共開設賬戶49人，從高峰時觀察來看，最高并發人數為37人，每臺應用服務器承載人數為9人，基本在設計允許的負載范圍內，并未發生無法登錄和登錄后應用無法打開的狀況。

由于Rdp連接斷開后，系統策略設定并不釋放用戶Session，導致部分已經停止使用的用戶未及時釋放資源，后調整策略為對于2 h無重連請求的，Session系統將自動注銷，釋放內存和臨時緩沖資源。

5.2.2 大模型的承載

測試了全項目最大的綜合模型，模型大小為1.2 GiB，首次打開（無本地SSD緩沖）用時2 min14 s，再次打開（有服務端SSD緩沖）用時57 s。模型打開后，開啟全專業顯示，拖動、旋轉略有卡頓現象，在0.5～1.0 s之間，對比高性能PC略顯弱勢。

5.2.3 大計算的承載

開啟Naviswork的渲染功能，承載當前任務的應用服務器的CPU資源全部被使用，導致在這臺物理計算機上的其他用戶發送性能急劇下降，我們同時測試了3D Max渲染，效果相同。由于輕量化云在構架方面上的原因，未對CPU占用作分割和限制，故造成單任務在多線程執行的狀況下可以完全使用物理機上的所有CPU資源。

6 結語

輕量化BIM私有桌面云系統在上海嘉定再生能源利用中心項目中的建設使用，在應用上滿足了BIM設計與工程管理的基本需求，有效地降低了中等規模項目BIM硬件平臺的建設成本，為項目級的BIM管理平臺建設提供了新的思路。