基于BIM+ 云計算技術(shù)的集成應(yīng)用與架構(gòu)研究

劉世濤 王曉鵬 馬少雄 王利國 張海亮

（1、中鐵一局集團建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054 2、陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714099）

近年來國家大力支持以BIM 為主的建筑業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展，提出并出臺了眾多BIM 相關(guān)的政策法規(guī)[1]。BIM 以三維可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，整合工程項目信息，在項目三維模型的基礎(chǔ)上對建筑行業(yè)精細管理提供幫助，但由于BIM 技術(shù)對硬件及軟件的要求較高，BIM+云計算的工程項目管理方式開始出現(xiàn)。BIM+云計算將BIM 應(yīng)用轉(zhuǎn)移至云平臺，使用戶無需自主安裝硬件、軟件，在瀏覽器上即可進行操作，大大提高了工作效率，節(jié)省企業(yè)成本支出[2]，是BIM 技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。

1 BIM+云計算技術(shù)應(yīng)用模式

1.1 BIM 技術(shù)與云計算技術(shù)簡介

1.1.1 BIM 技術(shù)

BIM(Building information modal)即建筑信息模式，利用二維圖紙形成三維建筑模型，并在建模的基礎(chǔ)上綜合項目信息，從而完成項目全過程成本、時間、質(zhì)量等統(tǒng)一集成管理，極大優(yōu)化了傳統(tǒng)粗放型施工的不足，也完成了向集約型施工方法的思想變革[3]。當前BIM 技術(shù)應(yīng)用廣泛，但對軟件、硬件要求較高，企業(yè)需要購買各類硬件設(shè)備和軟件，并且需要組建一個完整的運營團隊進行設(shè)備的維護工作，消耗大量運行成本，為企業(yè)融合BIM 和云計算技術(shù)的應(yīng)用帶來一定阻礙[4]。BIM 技術(shù)應(yīng)用體系如圖1 所示。

圖1 BIM 技術(shù)應(yīng)用體系示意圖

1.1.2 云計算技術(shù)

云計算以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，通過云平臺的搭建，使登陸平臺的每一位用戶都可以接受云服務(wù)，進行數(shù)據(jù)的存儲與應(yīng)用，進而形成一個龐大的數(shù)據(jù)資源中心。云計算通過整合大量的計算資源，利用云服務(wù)器等硬件設(shè)備，在平臺上提供計算資源的服務(wù)，用戶不需要自主安裝硬件軟件，只要登陸平臺就可以使用計算資源，既節(jié)省時間、空間，也可以節(jié)約資金，是“共享時代”的重要工具[5]。云計算技術(shù)應(yīng)用體系如圖2 所示。

圖2 云計算技術(shù)應(yīng)用體系示意圖

1.2 BIM 技術(shù)與云計算技術(shù)集成應(yīng)用

BIM 和云計算的集成應(yīng)用，是在BIM 高效性的基礎(chǔ)上克服軟件對軟硬件的限制。企業(yè)將BIM 軟件集成在云平臺上，實現(xiàn)BIM 技術(shù)應(yīng)用向BIM 云服務(wù)的轉(zhuǎn)化，主要涉及BIM+公有云、BIM+私有云、BIM+混合云三種形式[6]。運行機制如圖3 所示。

圖3 BIM+云計算運行機制示意圖

1.2.1 BIM+公有云

BIM+公有云的結(jié)合方式由第三方搭建基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建公有云平臺，在平臺上集成各類BIM 服務(wù)，面向全社會提供服務(wù)，用戶登陸云平臺即可使用應(yīng)用功能，提供更為便捷的BIM 技術(shù)咨詢服務(wù)，企業(yè)在云平使用時按需付費，減少了硬件條件對于建筑企業(yè)BIM 技術(shù)應(yīng)用的壓力。目前公有云是最為常用的云服務(wù)模式，公有云面向多用戶，其性能和功能相對固定，無法根據(jù)企業(yè)自身業(yè)務(wù)自定義調(diào)整，導(dǎo)致部分功能閑置和資源浪費，另外其數(shù)據(jù)的安全性還存在缺陷，有待后續(xù)進一步的提升和完善。

1.2.2 BIM+私有云

BIM 技術(shù)和私有云服務(wù)是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商為一個用戶搭建的云平臺，僅供客戶自身定制化使用，因此數(shù)據(jù)安全性以及服務(wù)質(zhì)量較高，且可以按照客戶需求，定制業(yè)務(wù)服務(wù)、部署企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)中心。但由于其設(shè)施設(shè)備的專有性，企業(yè)前期投入較高，同時需要組建專門的管理團隊進行定期維護，與公有云相比總成本較高。

1.2.3 BIM+混合云

BIM+混合云則是BIM+公有云與BIM+私有云的綜合集成，綜合考慮數(shù)據(jù)安全性、業(yè)務(wù)獨特性、資金節(jié)省情況的產(chǎn)物，用戶可以將核心業(yè)務(wù)放在自己的私有云平臺上，將次要業(yè)務(wù)放在公有云上，但數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)互通仍需要進一步維護。

2 BIM+云計算功能需求及框架設(shè)計

2.1 功能需求

BIM+云計算結(jié)合BIM 技術(shù)與云計算技術(shù)的優(yōu)勢，基于云平臺提供BIM 服務(wù)，因此需要同時滿足BIM 技術(shù)與云計算技術(shù)的功能需求。

2.1.1 硬件需求

硬件設(shè)備是實現(xiàn)服務(wù)的基礎(chǔ)，BIM 技術(shù)以軟件為主，因此硬件需求主要指云平臺硬件架構(gòu)，包括云終端、云服務(wù)器、云計算設(shè)備，以及各類數(shù)據(jù)庫、硬件庫等，使得云平臺可以服務(wù)于建筑企業(yè)的BIM 需求，完成對工程項目成本、質(zhì)量、進度的控制。

2.1.2 軟件需求

BIM+云計算將傳統(tǒng)的BIM 軟件及BIM 功能轉(zhuǎn)移至云平臺，實現(xiàn)對工程項目全生命周期的管理，實現(xiàn)模型構(gòu)建、碰撞檢測、虛擬施工、成本管理、質(zhì)量管理、進度管理等BIM 功能，構(gòu)建一個跨地域、跨層次、跨專業(yè)的協(xié)同管理機制，大大降低用戶對軟件的客觀要求，提高工作效率[7]。

2.2 框架設(shè)計

作為新型技術(shù)，BIM 技術(shù)與云計算技術(shù)的結(jié)合在我國仍處于初級階段，在把握技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，對BIM+云計算技術(shù)框架進行設(shè)計，包括基礎(chǔ)設(shè)備層、支撐服務(wù)曾、實施應(yīng)用層、用戶訪問層四個層次，各層次見相互遞進，構(gòu)成BIM+云計算技術(shù)應(yīng)用體系。其中，基礎(chǔ)設(shè)備層是整個框架的基礎(chǔ)；支撐服務(wù)層對業(yè)務(wù)應(yīng)用起支撐作用；應(yīng)用實施層是BIM 應(yīng)用的直接工具及人機對話的接口；用戶訪問層為用戶提供入口[8]。在不同云模式下，不同層次由不同人員進行搭建，采用BIM+公有云模式，整個框架均由第三方互聯(lián)網(wǎng)公司進行搭建，建筑企業(yè)只需要付費進行使用即可，若采用BIM+私有云或BIM+混合云模式，建筑企業(yè)需搭建自己的云平臺框架，以實現(xiàn)BIM 技術(shù)與云計算技術(shù)的混合。應(yīng)用框架如圖4 所示。

圖4 BIM+云計算應(yīng)用框架示意圖

2.2.1 設(shè)備層。設(shè)備層是云平臺功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，包括云平臺設(shè)備及BIM 設(shè)備，涵蓋云終端、云服務(wù)器、云計算設(shè)備，以及BIM 技術(shù)的各類數(shù)據(jù)庫、硬件庫等硬件條件。

2.2.2 支撐層。支撐層融合各類模型、算法，設(shè)置不同平臺模塊，滿足用戶的使用需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲和功能的完整實現(xiàn)，保障數(shù)據(jù)安全性，對業(yè)務(wù)應(yīng)用起支撐作用。

2.2.3 應(yīng)用層。應(yīng)用層是在模型、算法的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)BIM 功能轉(zhuǎn)移至云平臺，實現(xiàn)BIM 服務(wù)，是BIM 應(yīng)用的直接工具及人機對話的接口，保障用戶可以在平臺中使用BIM軟件，提高了BIM 協(xié)同工作的便捷性。

2.2.4 門戶層。門戶層是為用戶提供訪問門戶，包括PC端入口及移動端入口，使用戶可以通過各種渠道隨時登陸平臺，在分配的權(quán)限內(nèi)對工程項目數(shù)據(jù)進行訪問，實現(xiàn)基于BIM+云計算的協(xié)同辦公。

3 基于BIM+云計算技術(shù)的路徑選擇

3.1 企業(yè)適應(yīng)度分析

作為建筑行業(yè)一種新興的技術(shù)，BIM+云計算具有很多優(yōu)點，但并非所有企業(yè)都適用于采納這種新興技術(shù)，不同企業(yè)適宜的結(jié)合方式也不同。市場一些成熟企業(yè)已通過購買BIM硬件設(shè)備并推廣應(yīng)用以實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這些企業(yè)如果強行推行BIM 的云應(yīng)用，會損耗大量既有成本。而一些待涉足BIM 領(lǐng)域的企業(yè)則適宜采用云計算的方法開展應(yīng)用。事實上，企業(yè)可以通過對自有資源進行計算來研判自身對于新技術(shù)的適應(yīng)度，具體公式如下所示：

式（1）中，SI 為企業(yè)適應(yīng)度，L 為企業(yè)規(guī)模；WV 為工作量的平均數(shù)值，DS 為數(shù)據(jù)的敏感程度，ADH 為要處理的數(shù)據(jù)量，C 為工作的重要程度，CL、CWV、CDS、CC分別為對應(yīng)的參數(shù)數(shù)值，Rakesh Gupta 等對參數(shù)數(shù)值給出了明確的計算方法[9]。

根據(jù)現(xiàn)有研究[10]，當SI＜3760 時，企業(yè)不宜依托云平臺進行日常業(yè)務(wù)管理；當3760＜SI＜4600 時，需要深入調(diào)研來研判是否推行云平臺應(yīng)用；當SI>4600 時，即企業(yè)適合開展基于BIM+云計算的應(yīng)用轉(zhuǎn)型。

3.2 企業(yè)投資效益分析

投資效益是企業(yè)投資之前需要計算的重要指標，體現(xiàn)企業(yè)投資與回報的對比，從能否獲得預(yù)期收益的角度考慮投資是否值得。在經(jīng)濟學中投資效益概念的基礎(chǔ)上，企業(yè)BIM+云計算應(yīng)用的投資效益如下所示[11]：

式（2）中，ROIC 表示BIM+云計算的投資效益，IP 為采用云計算方式后增加的收益；RC 為采用云計算方式后減少的成本；CC 為投資云應(yīng)用的所有成本。

4 結(jié)論

針對當前BIM 技術(shù)應(yīng)用依賴硬件、軟件支持，便捷性不高等情況。本研究提出BIM+云計算技術(shù)，總結(jié)BIM 與云計算集成應(yīng)用的三種模式，分析其功能需求，進行框架設(shè)計，并從適應(yīng)度及投資效益的維度研究分析企業(yè)是否應(yīng)該開展BIM+云計算技術(shù)的應(yīng)用，最后指出當前BIM+云計算模式的優(yōu)劣所在，對于BIM+云計算技術(shù)的未來發(fā)展提供借鑒指導(dǎo)意義。