BIM引擎及其應用研究

張金輝 張其林，3 常治國

(1.上海同磊土木工程技術有限公司，上海 200433；2.上海土木工程結構健康監測工程技術研究中心，上海 200092；3.同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

引言

目前在土木工程領域，Revit Server、CATIA、以及國內的PKPM BIM[1]等已經可以實現設計的協作，雖然在設計管理[2]和信息技術方面還有提升和優化的空間。但后續的施工階段，乃至運營階段，尤其在管理中應用BIM，還是有不少的困難，或者說是有其特定的需求尚未得到滿足，妨礙著BIM的應用?？偟膩砜矗墙ㄖ袠I本身的復雜性造成的，比如不同的項目情況有各種差異，周期長、不可預見問題多，工作界限不恒定，分工時有變化，有些環節要權宜處理等； 而相比的工廠生產線生產，則其步驟、環節、要求、標準等會相當清晰和一致。進一步分析BIM，可以梳理出以下幾方面的問題或需求：

(1)管理工作總是充滿調整、變化，建筑行業尤甚，因此管理信息系統很多功能被設計成可配置式的，以適應調整變化； 為降低發布調試的復雜度，通常還會采用Browser/Server的架構。當前BIM的圖形桌面端“重型”應用難以適應，即便可二次開發也會嚴重依賴原平臺而遷移不易，如BIM-QR[3]。

(2)管理要把各種細節信息組織成為有機的整體，才能有效地工作。因此管理信息需要與模型的分部、分項、構件乃至零件等細部建立相互關系，并令之隨管理信息變動而有序變化。而管理信息自身又有復雜的相互關系和結構特點，因而不適合將管理信息分散存儲到模型數據結構中去，只適合將管理信息與模型及其各細部作信息的關聯，而后根據管理需要交互聯動。

(3)建筑工程大多是特例，不是批量標準產品，沒有技術凍結概念[4]，進入施工后還會根據實際情況作調整修改，因此模型在施工過程中還會有版本迭代，并動態地與管理信息匹配關聯。另外模型版本迭代的頻次通常遠小于管理信息的變化，適合把模型緩存在客戶端，只在版本迭代時作局部更新，減少模型顯示操作時的數據通信，提高操作響應性能。

(4)實際管理中，大都是對局部信息的操作，相應的BIM只需要作局部的顯示聯動，因此很適合采用局部策略做輕量化[4]，其它如遮擋剔除和視域剔除[5]等可同時應用，不過模型顯示的時候，需要用合適的方式，體現出該局部與整體的關系，以方便用戶理解。

(5)第一線的管理，考慮運作便利，會引入各種操作終端設備：掃描槍、手持機、平板電腦、觸摸屏機等，有Windows、Android等多種操作系統平臺，還有些設備硬件資源有限、性能弱。這些因素要求BIM須有足夠的可移植性和可輕量化的潛能。

當前在BIM系統研究中出現了兩點新的技術趨勢：其一是JSON格式運用，由于JSON格式在云計算中的廣泛應用和高效性能[6]，BuildingSMART以及有關團隊正在醞釀IFCJSON標準[7-10]。其二是數據庫運用，以數據庫為基礎存儲和管理BIM模型，來展開BIM的應用工作?；跀祿斓腂IM同樣可以遵循IFC的標準[11-15]，同時IFC的格式文本作為序列化的模型信息，在數據的備份、傳遞、協同等方面發揮關鍵的橋梁作用。實現了這樣功能的應用服務程序被定義為IFC模型服務器(IFC model server)[16]，目前較為成熟的有：IMSvr、EMS、BIMServer等等。

圖2 層次型數據庫數據結構與JSON數據結構對比

本文在JSON格式文本和層次型數據庫基礎上，進一步構想更為合理、有效的模型服務器及其運用方法，并進行了開發實踐，以期覓得更為輕量、便捷、實用的BIM應用技術路線。

1 技術構想

針對上述問題和需求，總的構想是將BIM的部分摘離出來，包括服務端程序和客戶端程序，構建獨立運作的可嵌入其它程序(比如OA)共同工作的程序，其機制類似于微信公眾號，當然也可獨立工作(比如更新或查看模型)，不妨稱之為BIM引擎(BIM Engine)。BIM引擎只負責BIM部分的功能，包括服務端模型的存取、計算、以及版本迭代等等，以及客戶端對模型的操控，比如：旋轉、選取、消隱、變色等等，這部分功能相對獨立穩定，受管理功能變化的影響小，當不夠滿足管理功能需要時，可以擴充BIM引擎功能，升級BIM引擎版本。BIM引擎及服務的軟件系統整體結構如圖1所示，圖中中心虛線的左側是BIM引擎，右側是其服務的軟件系統，上部是各自的服務端軟件部分，下部是各自的客戶端軟件部分。

圖1 BIM引擎與其服務之軟件系統的整體結構

BIM引擎主要由以下幾部分組成：

(1)BIM引擎服務端數據庫，考慮到模型數據和與管理配合數據的存儲及操作，數據庫選用了兼容層次型、對像型和關系型SQL的IRIS數據庫。層次型的數據存儲適用于模型數據，如圖2所示； 關系型SQL的數據存儲適用于與管理配合數據，便于采用SQL檢索和查找，比如圖3與管理配合的構件數據結構中用componentId指向了圖2中模型數據，并列出多項重要字段用于查詢。與管理配合數據和其服務的軟件系統的管理數據需要關聯查詢，因此管理數據也被配置在IRIS數據庫中。

若條件不允許，管理數據需要配置在另外的關系型數據庫中，則與管理配合的數據應跟隨被配置在另外的關系型數據庫中，模型數據可配置在IRIS或其它NoSQL數據庫中，如MongoDB、HBase[13-14]等，只是這樣分開存儲、管理、查詢會損失模型操作效率和系統整體性能。

圖3 與管理配合的構件數據結構

(2)BIM引擎服務端的功能與IFC模型服務器類似，根據需要將模型分解為分部、分項、構件乃至零件等細部保存在數據庫中，并實現模型的增、刪、改、查詢、版本迭代、及特定的操作組合等。其中版本迭代采用分層次版本迭代的方式[4]，簡單說就是整體版本由局部版本組合而得，因此版本更新時只需要更新有新版本的局部即可； 特定的操作組合有很多種，比如分解模型到最基礎的原材料作材料用量統計，還有根據進度各時間段來統計已完成內容的模型等。

(3)BIM引擎中實現模型的操控功能，主要是客戶端用的嵌入式頁面，頁面內模型可翻轉、漫游、選擇、過濾、以及模型版本更新等等。這些在BIM引擎服務端被封裝進API內，供其服務的軟件系統(通常是可配置或二次開發的施工管理或OA系統)訪問調用，BIM引擎自身獨立的客戶端也通過調用此API實現功能。

圖4 多閉包JSON

(4)BIM引擎獨立客戶端采用桌面和頁面混合的模式，也就是在桌面客戶端里嵌入瀏覽器，桌面客戶端在后臺實現一些瀏覽器沒有的功能供瀏覽器調用，瀏覽器訪問API從服務端獲得嵌入式頁面，嵌入式頁面采用WebGL技術顯示模型、及操控模型，模型的顯示與操控主要采用局部策略來輕量化[4]。

具體的輕量化做法是將所需版本的完整模型，保存在本地的數據庫IndexedDB里，只把工作中用到的模型部分加載入內存，顯示與操控，其它部分不加載入內存，或只加載顯示粗略的外形(低精細度LOD)，因此即便是大模型也可在較少硬件資源的設備上顯示操控。同時IndexedDB內模型有版本信息，根據業務邏輯的需要來決定，是否從服務器獲取模型新版本作更新，大多數情況下模型無需更新，因此一般的頁面切換不需要傳輸大量的模型數據，提高了響應性能。

另被BIM引擎服務的軟件系統，其客戶端也轉用桌面和頁面混合的模式，還可很方便地擴展到其它的平臺，如：Android、iOS或某些定制的終端等。

(5)采用JSON格式傳遞模型數據，包括服務端客戶端之間HTTP協議通信中的數據流，或上傳下載的類IFC文件。JSON格式數據體量小、緊湊，JavaScript對其轉換快、效率高，尤為適合頁面使用。但有個缺點，需要把整個閉包對象加載到內存，才能解析轉換，目前整個閉包通常是一個文件或一個響應流，內存負荷較大。

考慮到在較少硬件資源的設備上顯示操控，也采用局部策略，將一個文件或一個響應流的大閉包，拆分成每行一個小閉包，第一行是總的閉包，后面是分閉包(需要時還可多級再拆分)，見圖4。解析程序讀一行，解析一行，緩存進數據庫一行，大大降低了內存負荷。

綜上，本構想的優勢來自于將BIM部分剝離，獨立存在，專注于BIM的功能，減少了易變化的管理功能對其的干擾。再通過數據庫技術、JSON格式、輕量化策略等提高了BIM性能，尤其是低配置硬件上的運行性能，有較為廣泛的嵌入和移植空間。當與管理系統嵌入融合后，模型與管理信息交聯互動，直觀明了，大大降低了用戶的專業要求，不必具備高深的專業想象能力，去補充文字和二維圖紙難以表達的細節[4]。

2 系統開發與實踐

根據以上構想的技術路線，開發BIM引擎，配合某公司的裝配式施工管理系統、OA流程管理系統，實現基于BIM的模塊化建造信息系統。

裝配式施工管理系統有三個主要功能模塊：材料成本管理、進度計劃追蹤和質量檢查控制。材料成本管理模塊訪問BIM引擎服務端，調取模型最基礎的原材料用量統計，以此為基礎控制采購的節奏； 進度計劃追蹤模塊調取模型交互的嵌入式頁面，與構件列表一同顯示，交互操作，共同編排批次，如圖5是構件批次編排； 質量檢查控制模塊中的任務安排與進度計劃追蹤模塊中的批次編排類似，但質檢審批部分涉及流程管理，做法上有所不同。

圖5 構件批次編排

OA流程管理是管理中最易變化的部分，套用現有成熟的流程引擎來管理，同時引用BIM引擎的模型嵌入式頁面，將質檢部分著重顯示，方便用戶的理解和操作。比如圖6(a)質量檢查OA審批中，按[查看]按鈕獲得圖6(b)質量檢查OA審批詳細，查看嵌入的模型和相關的質檢數據。

從圖5和圖6(b)中，也可看出只有模型和管理信息有機結合、關聯互動才能方便用戶理解和操作。

當服務器端的模型有版本更新時，會提醒客戶端及時更新模型，見圖7模型更新提示。更新時，獲取JSON格式的類IFC數據流，內含按版本控制需要更新的模型部分。更新后，刪去的構件會在關聯管理信息中自動刪去，修改的構件關聯管理信息不變，增加的構件需要用戶去手動關聯管理信息。

從圖5中，還可明顯看到模型已作輕量化處理，只顯示用到的部分的模型； 圖6(b)中，梁柱都作了簡化顯示，突出顯示節點細節。因此圖8移動端模型可在手持式小型移動設備上輕松地顯示、操控。

(a)

(b)圖6 質量檢查OA審批

圖7 模型更新提示

圖8 移動端模型

3 結論與展望

本文在IFC模型服務器的基礎上，引入了存儲模型的層次型數據庫、桌面和頁面混用的客戶端模式、本地數據庫IndexedDB、分行閉包的JSON格式文件等關鍵技術，實現了可嵌入使用的BIM引擎，并實踐了與已有或另開發的管理系統結合使用的技術路線，能較好地解決目前BIM信息系統的常見問題。將來經過更多的工程使用實踐，逐步優化改進，有望走向成熟，成為有效、實用的BIM信息系統。