基于云計算的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設計研究*

褚振威 宋健 張雷

(1.山東建筑大學商學院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學管理工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

從全球來看，大數(shù)據(jù)分享成為時代主流。隨著信息化技術的快速發(fā)展，公司所需處理的數(shù)據(jù)已達到PB(1015字節(jié))級別。Google日均處理超過24PB的數(shù)據(jù)，而Facebook每時拍攝超過1000萬張照片[1]。2012年起，全球數(shù)據(jù)日均增加量約2.5萬億(1018)字節(jié)[2]。急速增長的信息數(shù)據(jù)在給相應存儲方式帶來挑戰(zhàn)的同時，也為企業(yè)帶來了很多機會。能否及時從大量數(shù)據(jù)中識別有用的信息并加以利用，成為企業(yè)發(fā)展的關鍵。

如今，多數(shù)傳統(tǒng)行業(yè)都在經(jīng)歷著前所未有的數(shù)據(jù)革命，建筑業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)的代表同樣面臨著大數(shù)據(jù)時代帶來的挑戰(zhàn)。在建筑工程全生命周期中，需要充分收集和利用不同學科產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)。BIM可以系統(tǒng)地捕獲多維CAD信息，以支持建設參與方之間的多學科協(xié)作[3]。BIM數(shù)據(jù)通常是3D幾何編碼，計算密集(圖形和布爾運算)，以不同的專有格式壓縮并集成在一起。因此，不同的數(shù)據(jù)在BIM模型中進行了整合，并持續(xù)超出建筑的使用壽命。比如，一幢3層建筑模型的設計數(shù)據(jù)很容易就能達到50GB[4]，而這種數(shù)據(jù)以多種形式和形狀的展現(xiàn)，具有內(nèi)在的行業(yè)價值。而建筑公司是以獨特性、不確定性和復雜性為特征的項目組織，其數(shù)據(jù)管理方式與其他商業(yè)組織不同[5]，在進行復雜建筑的施工過程中難以管理他們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[6]。因此，探討如何將先進IT技術(如云計算)應用到中等建筑公司的BIM數(shù)據(jù)協(xié)同管理中，對推動數(shù)據(jù)管理具有重要意義。

1 文獻綜述

企業(yè)已經(jīng)將數(shù)據(jù)作為資源和開展活動的重要資產(chǎn)，實施了各種捕獲、存儲、傳輸和再利用數(shù)據(jù)的方法[7]。存儲BIM數(shù)據(jù)雖對企業(yè)具有積極指導意義，但現(xiàn)有應用程序仍然缺乏成功的應用。以往的研究表明[8-9]，在中小型企業(yè)中，數(shù)據(jù)普遍保存在各自工程項目部中，并未統(tǒng)一儲存。中小企業(yè)在數(shù)據(jù)管理過程中面臨的問題包括以下兩個方面[10]：一是施工組織者缺乏管理數(shù)據(jù)知識的組織程序；二是考慮到項目地域分散，同一公司的專業(yè)人士之間的溝通與合作困難而緩慢，而捕獲和存儲數(shù)據(jù)的主要限制是項目執(zhí)行期間缺乏時間。解決上述問題需要最大限度地發(fā)揮信息化技術的作用，使人們能夠有效利用信息技術(IT)儲存數(shù)據(jù)，并能夠快速尋找出數(shù)據(jù)中包含的信息和知識[10]。

目前，建筑中小企業(yè)對BIM數(shù)據(jù)的管理大多采用傳統(tǒng)的獨立服務器儲存方式。這種方式在數(shù)據(jù)存儲方面提供的空間有限，并且通常是外部無法訪問的隔離系統(tǒng)。為了改善這一現(xiàn)狀，本文提出采用云計算對BIM數(shù)據(jù)進行存儲和管理的理念進行相關方面的改進。云計算具有資源共享和可靠的數(shù)據(jù)儲存等功能，概念一經(jīng)提出就受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。一些國內(nèi)外學者開始探索利用云計算技術對數(shù)據(jù)進行管理。何軍基于云計算構建了企業(yè)危機管理系統(tǒng)，提出云計算是目前管理大數(shù)據(jù)的有效工具[11]。針對制造業(yè)項目管理中日益增多的數(shù)據(jù)，張向睿等基于云計算開發(fā)了一款制造業(yè)的項目管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實施能夠顯著的提高制造業(yè)項目的管理水平[12]。在對建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)管理研究方面，Jeong等提出了一個混合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用戶端層使用MongoDB臨時存儲結構化數(shù)據(jù)，而中央層使用Apache Cassandra永久存儲傳感器生成的數(shù)據(jù)流[13]。Cheng等也使用Apache Cassandra通過查詢來提取BIM模型中的數(shù)據(jù)[14]。Lin等利用MongoDB對BIM數(shù)據(jù)進行存儲，通過MapReduce對數(shù)據(jù)進行分布式處理[15]。

綜合國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學者將研究重點放在云計算對BIM數(shù)據(jù)儲存的技術可行性層面，而關于建筑企業(yè)在數(shù)據(jù)管理中的現(xiàn)狀與需求的研究較少。因此，提出一個切實可行的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理制度相結合，對云計算在我國BIM系統(tǒng)中的有效應用具有一定現(xiàn)實意義。

2 研究方法

本文采用精益創(chuàng)業(yè)法(Lean Startup Methodo-logy，LSM)進行研究。該研究方法允許最終用戶直接參與系統(tǒng)的研發(fā)，創(chuàng)建出在日常工作中所需的系統(tǒng)。之所以采用該方法主要考慮以下兩個方面：第一，了解中小建筑企業(yè)獨特的需求是使系統(tǒng)具有有用性的基礎；第二，本研究的主要目的是開發(fā)適用于中小企業(yè)的功能性產(chǎn)品，企業(yè)的協(xié)作和參與是必要的。LSM是一種專注于敏捷測試和學習周期的方法，用于驗證業(yè)務思想中的假設。在LSM應用方面，美國很多公司已經(jīng)在世界各地取得了成功，具有較高的知名度[16]。精益創(chuàng)業(yè)法提供了一種科學的方法來創(chuàng)建和改進系統(tǒng)，并能更快地獲得用戶的需求。使用精益創(chuàng)業(yè)法，可以通過提供工具來持續(xù)測試使用愿景，使創(chuàng)建過程有條不紊地進行。精益創(chuàng)業(yè)法的一個核心部分是“創(chuàng)建-測試-學習反饋”循環(huán)，這是新產(chǎn)品開發(fā)的原則性方法[17]，將涉及“測試”和“學習”，并且必須包括可以演示因果關系問題的可操作的指標。“測試”步驟包括評價系統(tǒng)的性能，驗證或舍棄所提出的假設。在最后的“學習”階段，研究人員進一步分析 “測試”步驟的結果，更多地了解他們正在嘗試解決的問題，并決定是否重新開始循環(huán)，改進版本的原始假設或提出全新的假設。這個過程允許將想法轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，衡量用戶的反應，并了解用戶是否支持這一假設，然后開發(fā)最小可行產(chǎn)品(MVP)，盡快開始學習過程。一旦建立MVP，即可調(diào)整原有系統(tǒng)，實現(xiàn)逐步升級。精益創(chuàng)業(yè)開發(fā)模式如圖1所示。

在系統(tǒng)建設前期，首先，通過文獻回顧以及與相關設計單位和施工企業(yè)的BIM相關人士進行訪談，確定目前BIM數(shù)據(jù)管理的不足；其次，對系統(tǒng)架構進行初步的設計，在測試階段與6位BIM領域的專家學者進行新的架構訪談；然后，在系統(tǒng)建設中期，建立系統(tǒng)的第一個初級版本，讓現(xiàn)場專業(yè)人員來測試該方案；最后，根據(jù)現(xiàn)場人員對初級系統(tǒng)的反饋意見，對系統(tǒng)進行改進升級。

3 系統(tǒng)創(chuàng)建與改進

3.1 系統(tǒng)介紹

本文所提出的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于云的共享工作區(qū)。傳統(tǒng)的BIM系統(tǒng)只提供基于Auto-ID技術和信息技術的3D模型，基于云的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成了額外的信息(例如項目進度和成本)，以將原始的三維平臺擴展到多維的平臺。其主要功能分為兩個模塊，分別是顯性的數(shù)據(jù)管理和隱性的數(shù)據(jù)管理，即企業(yè)BIM數(shù)據(jù)庫和企業(yè)微博。項目在設計和施工階段創(chuàng)建的BIM數(shù)據(jù)可以在企業(yè)BIM數(shù)據(jù)中進行存儲、傳輸，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的再利用，避免錯誤的建模和施工方法在其他項目重復出現(xiàn)。企業(yè)微博作為一種分享和交流的平臺，允許專業(yè)人員之間更加流暢地互動，促進BIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速發(fā)布和傳播[18]。充分利用收集到的實時數(shù)據(jù)，將BIM中的三維設計和建模擴展到多維應用，使基于解決方案的決策更加合理、精確和科學。

圖1 精益創(chuàng)業(yè)開發(fā)模式

基于云的共享工作區(qū)架構主要考慮兩個主要組件(如圖2所示)：云服務平臺和基于Web的軟件解決方案。通過使用基于云的API公開服務，實現(xiàn)通過網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行訪問；Web應用程序的主要目的是允許企業(yè)人員訪問所有共享工作區(qū)的功能，包括使用微博、咨詢和評價BIM數(shù)據(jù)。

圖2 擬議的基于云的系統(tǒng)一般架構

該系統(tǒng)識別4種類型的用戶：系統(tǒng)管理者、BIM數(shù)據(jù)上傳者、審批者和評價者。這些用戶對系統(tǒng)中存儲的BIM數(shù)據(jù)執(zhí)行4個主要任務：

(1)上傳。系統(tǒng)顯示需要填寫與BIM數(shù)據(jù)內(nèi)容相關的表單，表單包含項目名稱，建筑結構類型，模型用途(設計模型、施工模型、運維模型)，模型的細致程度(LOD)。

(2)審核。為了確保數(shù)據(jù)中心中包含的BIM數(shù)據(jù)的可信度，每個BIM模型都必須由一個或多個批準人審核，每個BIM模型的上傳都需要遵循企業(yè)BIM標準。

(3)搜索。可以通過上傳者填寫的表單，實現(xiàn)對BIM模型的快速搜索，如BIM模型創(chuàng)建者、上傳者、審批者和項目的名稱、運用階段、建模深度。

(4)評價。用戶根據(jù)自己的工作經(jīng)驗對BIM數(shù)據(jù)的內(nèi)容進行評價，評價的信息是為BIM模型的改進而輸入的。

系統(tǒng)對BIM文件上傳的格式具有嚴格的要求，一般來說，BIM中常見的文件格式可以分為3類：第一類是通常限于特定類型軟件的本地文件格式。例如，在Revit中建模的建筑物將默認為“.rvt”，即本機Revit文件擴展名。第二類是促進相似創(chuàng)作軟件之間交換模型的文件格式。第三類是專門應用(如gbXML和COBie)的文件格式。綠色建筑XML模式(gbXML)是用于構建能量分析的文件格式。施工作業(yè)建筑物信息交換(COBie)是經(jīng)常用于設施管理的非專有數(shù)據(jù)格式。

3.2 系統(tǒng)的初步評估

為了獲得更加準確的反饋信息，系統(tǒng)測試選取了兩家具有10年以上經(jīng)驗的建筑公司。試點所在項目之一為綜合實驗樓(建筑面積10 890m2)，另一個為商品住宅(建筑面積7578m2)。參與系統(tǒng)驗證的團隊包括8名BIM建模人員。在試點實驗結束時，從3個部分對系統(tǒng)進行評估：

(1)使用ISO/IEC 25010∶2011質(zhì)量軟件標準中定義的要素對系統(tǒng)進行整體評估。

(2)根據(jù)系統(tǒng)可用性量表(SUS)[19]對可用性進行評估。

(3)通過反饋的問題確定用戶的看法和意見。

評估結果顯示了用戶對系統(tǒng)的積極評價，因為所有用戶都認為該系統(tǒng)是BIM數(shù)據(jù)管理的有效工具，而目前多數(shù)公司并沒有完整的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。但系統(tǒng)仍有不足之處需要改善，整理測試人員反饋的問題時發(fā)現(xiàn)，阻礙公司更加有效使用系統(tǒng)的問題主要為以下兩個方面：一是系統(tǒng)技術問題，二是系統(tǒng)使用制度問題。系統(tǒng)技術方面的問題是無法通過多個檢索條件實現(xiàn)對BIM數(shù)據(jù)庫的快速搜索；系統(tǒng)使用制度方面的問題是缺少BIM數(shù)據(jù)上傳標準、審核人員過多影響B(tài)IM模型發(fā)布時間。

3.3 系統(tǒng)的改進

根據(jù)評估結果和定期從企業(yè)BIM建模人員獲得的反饋信息對系統(tǒng)進行改進。

(1)技術改進。在審核過程中，如果需要用戶進行操作或者用戶上傳的BIM數(shù)據(jù)最終被發(fā)布，系統(tǒng)將以郵件的形式通知用戶。增加多檢索條件搜索功能，用戶可以選取多個檢索條件實現(xiàn)對BIM數(shù)據(jù)快精確訪問。允許用戶發(fā)表評論，并用1～5分計算(分數(shù)越高表示越好)對BIM模型進行評價。

(2)使用制度改進。為了讓BIM數(shù)據(jù)的批準和評價更靈活，減少干擾功能，鼓勵更多用戶頻繁向系統(tǒng)輸入信息。在系統(tǒng)中添加BIM上傳標準，用于指導基于建筑信息模型的建筑工程設計過程中各階段數(shù)據(jù)的建立、傳遞和解讀，使用戶在上傳之前參考該標準，以減少審核修改次數(shù)。

4 結語

文獻回顧和BIM相關人士的反饋結果表明，管理建筑公司的數(shù)據(jù)問題尚未完全解決，而在中小企業(yè)中，問題表現(xiàn)明顯。為了解決這些問題，本文創(chuàng)建了一個基于云的共享工作區(qū)，予以幫助中小企業(yè)對BIM數(shù)據(jù)進行管理，使企業(yè)運營效率得到提升。

建筑公司在采用信息技術方面進展緩慢，出現(xiàn)這種情況的原因之一是目前市場上提供的許多系統(tǒng)都是在沒有滿足建筑公司實際需求的情況下開發(fā)的。因此，中小型企業(yè)應加強與企業(yè)的緊密協(xié)作，深入了解企業(yè)需求是提高信息技術在中小企業(yè)有效應用的方法，如精益創(chuàng)業(yè)法便是解決此問題的有效方法之一。該研究方法允許最終用戶直接參與系統(tǒng)的開發(fā)，創(chuàng)建出在日常工作中真正有用的系統(tǒng)。系統(tǒng)的設計理念給從事建筑行業(yè)軟件開發(fā)的人員帶來啟示，引導使用者更好地應用精益創(chuàng)業(yè)法，從而增加IT技術在建筑業(yè)成功實施的概率。

本文介紹的基于云計算的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)不僅可以儲存BIM數(shù)據(jù)，也可用于評估BIM數(shù)據(jù)的完整度，促進項目團隊之間的協(xié)作和項目信息共享。系統(tǒng)的一個顯著優(yōu)點是可以幫助其他項目在建筑物的設計或其他應用中對BIM數(shù)據(jù)進行重新使用。研究的不足之處在于系統(tǒng)的調(diào)研范圍不夠廣泛，該系統(tǒng)目前只在建筑企業(yè)進行了測試，并未將設計單位和房地產(chǎn)企業(yè)納入研究范圍。為了擴大BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的使用范圍，下一步將探索適用于整個建筑行業(yè)的BIM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以促進各參建方之間的信息交互。