基于Hadoop大數(shù)據(jù)框架的BIM數(shù)據(jù)云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1.復(fù)旦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 200433； 2.華東建筑集團(tuán)股份有限公司，上海 200041)

1 引言

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)是全壽命期工程項(xiàng)目或其組成部分的物理特征、功能特性及管理要素等共享信息應(yīng)用的數(shù)字化表達(dá)，以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息模擬建筑物所具有的真實(shí)信息[1]。BIM的價(jià)值在于信息的整合，它改變了建筑行業(yè)的生產(chǎn)方式和管理模式，有效解決了建筑建造過(guò)程中多組織、多階段、全生命周期中的信息共享問(wèn)題，為建筑從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠的依據(jù)。

隨著B(niǎo)IM技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，行業(yè)內(nèi)不再局限于工具軟件層面以及項(xiàng)目單體的應(yīng)用，城市級(jí)海量BIM數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析的應(yīng)用需求日益增加，目前常見(jiàn)的解決方案主要存在以下問(wèn)題：

(1)計(jì)算資源受限，當(dāng)前大多數(shù)商業(yè)化建筑信息模型系統(tǒng)都是傳統(tǒng)的集中式應(yīng)用軟件，隨著模型的規(guī)模和復(fù)雜性不斷增加，使用單機(jī)進(jìn)行BIM模型的處理和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)變得越來(lái)越困難，BIM數(shù)據(jù)的共享和管理效率受到影響；

(2)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，各個(gè)商業(yè)化BIM軟件產(chǎn)品都有其特定的文件格式，用戶使用時(shí)必須使用特定的軟件工具，盡管現(xiàn)在已經(jīng)提出了通用的BIM數(shù)據(jù)格式，例如工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)[2]，但是各個(gè)商業(yè)軟件的數(shù)據(jù)定義邏輯和定義方法不盡相同，因此要保持導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的一致性是非常困難的，甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失；

(3)側(cè)重于單個(gè)項(xiàng)目的管理，無(wú)法應(yīng)對(duì)大量BIM項(xiàng)目的綜合查詢及分析應(yīng)用；

(4)缺乏針對(duì)海量BIM數(shù)據(jù)管理的手段，業(yè)內(nèi)缺乏基于大數(shù)據(jù)框架的BIM軟件系統(tǒng)，無(wú)法滿足日益增加的城市級(jí)BIM應(yīng)用需求。

為解決這些問(wèn)題，本研究提出了一個(gè)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的BIM數(shù)據(jù)云平臺(tái)。云計(jì)算具有強(qiáng)大的計(jì)算資源整合調(diào)配能力，可以為海量的數(shù)據(jù)管理和各類應(yīng)用提供服務(wù)[3]。本文提出的BIM數(shù)據(jù)云平臺(tái)基于云計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的海量BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)、管理與分析應(yīng)用。該系統(tǒng)提供基于web的交互式可視化、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)抽取等功能，通過(guò)BIM數(shù)據(jù)的積累未來(lái)服務(wù)于建筑行業(yè)BIM大數(shù)據(jù)分析與挖掘。

2 相關(guān)研究

楊鎮(zhèn)宇和周佶等[4]對(duì)BIM云平臺(tái)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與在實(shí)際運(yùn)用中的局限性進(jìn)行了研究。劉維躍和孔震等[5]，針對(duì)BIM技術(shù)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，運(yùn)用自主研發(fā)的BIM云平臺(tái)，建立項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段中 BIM 技術(shù)應(yīng)用的工作流程。張紹華和焦毅等[6]，提出一種支持協(xié)同治理的BIM云平臺(tái)建模方法，將BIM應(yīng)用劃分為preBIM、BasicBIM、BIMinstance 三種形態(tài)，對(duì)每種形態(tài)的動(dòng)作、流程和并行性進(jìn)行定義，構(gòu)建基于Hadoop計(jì)算框架的BIM云平臺(tái)，并通過(guò)碰撞檢測(cè)實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證了BIM云平臺(tái)在協(xié)同治理中的有效性。徐迅和李萬(wàn)樂(lè)等[7]，針對(duì)建筑企業(yè)在傳統(tǒng) BIM 應(yīng)用中遇到的成本高、管理復(fù)雜等問(wèn)題，提出了一種BIM私有云平臺(tái)中心的解決方案，對(duì)BIM云平臺(tái)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括存儲(chǔ)層、基礎(chǔ)管理層、應(yīng)用服務(wù)層、應(yīng)用接口層和訪問(wèn)層等的設(shè)計(jì)。陳澤琳和潘運(yùn)軍等[8]，提出一個(gè)面向BIM應(yīng)用的云服務(wù)框架，在Hadoop分布式軟件框架上設(shè)計(jì)了云存儲(chǔ)、云平臺(tái)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)和客戶端應(yīng)用四層結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該框架組織的建筑信息具有并發(fā)處理能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

商業(yè)產(chǎn)品方面，Autodesk發(fā)布了Autodesk 360[9]，這是一種基于賬戶的Web端應(yīng)用程序，使注冊(cè)用戶可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)查看、編輯和共享BIM，該產(chǎn)品所使用的云服務(wù)供應(yīng)商不在國(guó)內(nèi)，存在數(shù)據(jù)安全方面的問(wèn)題。

已有的研究工作主要集中于BIM云平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，對(duì)于平臺(tái)功能的具體實(shí)現(xiàn)，以及架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性驗(yàn)證較為欠缺。在面向建設(shè)階段的各類BIM技術(shù)應(yīng)用中，涉及BIM數(shù)據(jù)管理技術(shù)的應(yīng)用還鮮見(jiàn)，特別是對(duì)于城市級(jí)海量BIM數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、分析應(yīng)用尚缺乏有效的技術(shù)解決方案。

3 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代海量BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的新需求，本研究對(duì)傳統(tǒng)的BIM數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行變革，提出一種基于Hadoop大數(shù)據(jù)架構(gòu)的BIM數(shù)據(jù)云方案，如圖1所示，即在綜合運(yùn)用多種數(shù)據(jù)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與BIM數(shù)據(jù)處理與加工分離的技術(shù)架構(gòu)。突出了BIM數(shù)據(jù)管理的重要性并通過(guò)技術(shù)架構(gòu)的革新，實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)的存儲(chǔ)，通過(guò)Hbase和HDFS，可實(shí)現(xiàn)PB級(jí)BIM模型的存儲(chǔ)與管理，是當(dāng)前城市級(jí)BIM數(shù)據(jù)管理的理想數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

對(duì)于批量上傳到平臺(tái)的IFC文件，其中包含海量的BIM模型對(duì)象，系統(tǒng)將其自動(dòng)解析，以統(tǒng)一的對(duì)象名存儲(chǔ)在分布式列存儲(chǔ)Hbase數(shù)據(jù)庫(kù)上，并通過(guò)建立相關(guān)索引，秒級(jí)響應(yīng)相關(guān)的按名稱或按類型的查詢。并且該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)支持橫向擴(kuò)展，只需要增加相應(yīng)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，即可對(duì)于新增IFC模型，在不停止現(xiàn)有服務(wù)的情況下動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。

平臺(tái)提供Web界面供用戶登錄訪問(wèn)，并提供BIM數(shù)據(jù)上傳、模型3D可視化、對(duì)象查詢、屬性信息展示、子模型抽取等功能，同時(shí)可以提供API接口供其他應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用。

圖1 基于Hadoop大數(shù)據(jù)架構(gòu)的BIM數(shù)據(jù)云

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 BIM數(shù)據(jù)文件解析

對(duì)于用戶上傳到平臺(tái)的BIM工程IFC文件(符合IFC2x3標(biāo)準(zhǔn))，系統(tǒng)對(duì)其自動(dòng)解析和反序列化，以對(duì)象形式存儲(chǔ)在分布式列存儲(chǔ)hbase數(shù)據(jù)庫(kù)上，并通過(guò)建立相關(guān)索引，快速響應(yīng)相關(guān)的按名稱或按id的查詢。

HBase是一個(gè)分布式的、列存儲(chǔ)開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，是Hadoop大數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架中提供在線數(shù)據(jù)查詢功能的重要數(shù)據(jù)管理技術(shù)。HBase在本BIM數(shù)據(jù)云平臺(tái)中主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)海量的IFC數(shù)據(jù)，是所有BIM數(shù)據(jù)的共享中心。

4.2 基于WebGL的3D可視化

平臺(tái)具備IFC模型的3D可視化互操作能力，支持對(duì)BIM模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、切分、目錄樹(shù)瀏覽和透明、虛化展示等； 支持對(duì)某個(gè)視圖截圖添加注釋并保存； 在某個(gè)對(duì)象位置單擊，展示該對(duì)象的屬性列表等。

可視化互操作的實(shí)現(xiàn)基于開(kāi)源WebGL引擎Xeogl，如圖2所示。Xeogl具有較好的3D視覺(jué)效果，使用攝像頭導(dǎo)航瀏覽組件，使用鼠標(biāo)，指示筆等與組件交互，快速有效地查詢組件邊界，輪廓性能和定義新的組件類型等。

圖2 基于WebGL的3D可視化

4.3 BIM對(duì)象查詢

IFC模型中大量的BIM對(duì)象，如IfcDoor，IfcWindow，IfcSpace等往往包含非常豐富各類信息。如，攝像頭A，空間B等。本系統(tǒng)支持對(duì)這些BIM對(duì)象的語(yǔ)義搜索功能，用戶只需要輸入相應(yīng)的對(duì)象名稱，如空間名“1130402”(113號(hào)402單元)，系統(tǒng)即返回該對(duì)象作為查詢結(jié)果，如圖3所示。上述功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是BIM對(duì)象查詢屬性的索引技術(shù)。通過(guò)屬性信息可以快速查詢對(duì)象id，并獲取相應(yīng)對(duì)象的幾何及屬性信息。

平臺(tái)可以支持精確的語(yǔ)義對(duì)象的查詢，如查詢某個(gè)BIM項(xiàng)目的外部輪廓、每一個(gè)樓層、每一個(gè)內(nèi)部空間等特定類型的對(duì)象等。

(1)建筑信息模型外部輪廓，包括墻面、樓板、窗戶、柱子等，查詢某個(gè)BIM項(xiàng)目的外部輪廓就是查詢出項(xiàng)目的這些子元素，如圖4所示。

(2)樓層查詢，通過(guò)輸入子樓層的名稱比如4樓， 4F，F(xiàn)4等，然后返回并呈現(xiàn)出bim項(xiàng)目相應(yīng)的樓層，如圖5所示。

(3)內(nèi)部空間查詢，通過(guò)輸入子空間的名稱如“501”，“4501”等等，然后返回并呈現(xiàn)出bim項(xiàng)目相應(yīng)的空間，如圖6所示。

圖3 BIM子空間對(duì)象查詢

圖4 建筑信息模型外部輪廓

圖5 建筑信息模型樓層查詢

圖6 建筑信息模型內(nèi)部空間查詢

(4)BIM內(nèi)部對(duì)象的查詢查詢。通過(guò)輸入對(duì)象名稱進(jìn)行查詢。例如，查詢“陽(yáng)臺(tái)邊緣”和“攝像機(jī)”等，如圖7、圖8所示。

圖7 建筑信息模型陽(yáng)臺(tái)邊緣對(duì)象查詢

圖8 建筑信息模型攝像機(jī)對(duì)象查詢

4.4 BIM子模型抽取

在精細(xì)化城市運(yùn)營(yíng)和運(yùn)維管理中，通常需要對(duì)符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)應(yīng)用子模型進(jìn)行查詢與抽取。例如，進(jìn)行建筑疏散模擬分析時(shí)，需要抽取BIM模型的樓層、樓板、隔墻、門(mén)窗洞口、消防設(shè)施、垂直通道等BIM子模型。再例如，進(jìn)行建筑運(yùn)維管理的時(shí)候，需要抽取運(yùn)維所需信息，包括建筑平面布置、房間空間信息、資產(chǎn)信息、設(shè)施信息等。BIM數(shù)據(jù)云平臺(tái)支持各類BIM子模型的抽取和導(dǎo)出，例如，建筑信息模型hvac子模型抽取如圖9所示。

圖9 建筑信息模型hvac子模型抽取

5 技術(shù)創(chuàng)新

5.1 基于分布式大數(shù)據(jù)架構(gòu)支持PB級(jí)城市數(shù)據(jù)的管理

(1)平臺(tái)利用基于云的分布式并行計(jì)算資源，在Hadoop大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)存儲(chǔ)基于IFC的BIM模型數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理；

(2)通過(guò)分布式的加工與處理池實(shí)現(xiàn)海量模型數(shù)據(jù)的大規(guī)模分布式并行處理與響應(yīng)，基于Hadoop平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)可以方便的支持PB級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，具有優(yōu)異的系統(tǒng)擴(kuò)展性；

(3)基于大數(shù)據(jù)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理技術(shù)，與Mapreduce，Spark等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)框架具有內(nèi)在的統(tǒng)一與系統(tǒng)融合性。不僅可以有效的滿足海量BIM數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與加工處理，還為大數(shù)據(jù)分析與基于人工智能算法的城市應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)與條件。

5.2 基于信息交換模板的BIM子模型抽取能力

信息交換模板是在信息交換需求和軟件實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的BIM信息交換電子文檔。主要形式包括電子表格，IFC Express，XML等電子文件。信息交換模板主要面向最終用戶，承載可用于機(jī)器交互和人員閱讀的BIM交換信息。

平臺(tái)提供基于信息交換模板的BIM子模型查詢與抽取功能，如圖10所示，可以根據(jù)BIM應(yīng)用的需求，抽取滿足應(yīng)用需求的BIM對(duì)象，例如查詢并下載建筑樓層、空間、建筑外層模型、各類專業(yè)模型、運(yùn)維等多種子模型。與傳統(tǒng)的查詢不同的是，本系統(tǒng)可以支持基于精確的語(yǔ)義對(duì)象名稱的查詢，如只查詢樓頂和底板，而不必返回每層樓板等不相關(guān)的對(duì)象。

圖10 基于信息交換模板的BIM子模型查詢與抽取功能

6 結(jié)論

本研究通過(guò)Hadoop大數(shù)據(jù)框架、WebGL 3D技術(shù)和BIM信息交換模板等技術(shù)的結(jié)合，提出并實(shí)現(xiàn)了適用于海量BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和分析應(yīng)用的BIM數(shù)據(jù)云平臺(tái)，包含以下功能：BIM數(shù)據(jù)文件解析，基于WebGL的3D可視化、BIM對(duì)象查詢、BIM子模型抽取。本平臺(tái)聚焦海量BIM數(shù)據(jù)的管理需求，通過(guò)技術(shù)架構(gòu)的革新，實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的大規(guī)模的存儲(chǔ)和管理，通過(guò)運(yùn)用Hadoop及Hbase、HDFS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可支持PB級(jí)規(guī)模的BIM模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，是當(dāng)前城市級(jí)BIM數(shù)據(jù)管理的理想數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

[1] DG/TJ08-2201-2016，建筑信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] www.buildingsmartalliance.org，IFC：Industrial Foundation Classes.

[3] L.M.Vaquero，L.Rodero-Merino，J.Cáceres，M.Lindner，A break in the clouds：towards a cloud definition，ACM Comput.Commun.Rev.39(1)(2009)50-55.

[4] 楊鎮(zhèn)宇， 周佶.BIM云平臺(tái)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與在實(shí)際運(yùn)用中的局限性[J].山西建筑， 2016, 42(35): 255-257.

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[8] 陳澤琳， 潘運(yùn)軍，何浥塵，齊德昱.一種基于Hadoop的BIM云服務(wù)框架和空間位置檢索算法[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)， 2014， 41(11)： 107-111,117.

[9] 360.autodesk.com，Autodesk 360.