基于云計算的BIM數據管理系統設計研究*

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

如今，多數傳統行業都在經歷著前所未有的數據革命，建筑業作為傳統行業的代表同樣面臨著大數據時代帶來的挑戰。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生的重要數據。BIM可以系統地捕獲多維CAD信息，以支持建設參與方之間的多學科協作[3]。BIM數據通常是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，不同的數據在BIM模型中進行了整合，并持續超出建筑的使用壽命。比如，一幢3層建筑模型的設計數據很容易就能達到50GB[4]，而這種數據以多種形式和形狀的展現，具有內在的行業價值。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，其數據管理方式與其他商業組織不同[5]，在進行復雜建筑的施工過程中難以管理他們產生的數據[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數據協同管理中，對推動數據管理具有重要意義。

1 文獻綜述

企業已經將數據作為資源和開展活動的重要資產，實施了各種捕獲、存儲、傳輸和再利用數據的方法[7]。存儲BIM數據雖對企業具有積極指導意義，但現有應用程序仍然缺乏成功的應用。以往的研究表明[8-9]，在中小型企業中，數據普遍保存在各自工程項目部中，并未統一儲存。中小企業在數據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據知識的組織程序；二是考慮到項目地域分散，同一公司的專業人士之間的溝通與合作困難而緩慢，而捕獲和存儲數據的主要限制是項目執行期間缺乏時間。解決上述問題需要最大限度地發揮信息化技術的作用，使人們能夠有效利用信息技術(IT)儲存數據，并能夠快速尋找出數據中包含的信息和知識[10]。

目前，建筑中小企業對BIM數據的管理大多采用傳統的獨立服務器儲存方式。這種方式在數據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。為了改善這一現狀，本文提出采用云計算對BIM數據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據儲存等功能，概念一經提出就受到了國內外學者的廣泛關注。一些國內外學者開始探索利用云計算技術對數據進行管理。何軍基于云計算構建了企業危機管理系統，提出云計算是目前管理大數據的有效工具[11]。針對制造業項目管理中日益增多的數據，張向睿等基于云計算開發了一款制造業的項目管理系統，該系統的實施能夠顯著的提高制造業項目的管理水平[12]。在對建筑行業的數據管理研究方面，Jeong等提出了一個混合數據管理系統，用戶端層使用MongoDB臨時存儲結構化數據，而中央層使用Apache Cassandra永久存儲傳感器生成的數據流[13]。Cheng等也使用Apache Cassandra通過查詢來提取BIM模型中的數據[14]。Lin等利用MongoDB對BIM數據進行存儲，通過MapReduce對數據進行分布式處理[15]。

綜合國內外研究發現，大多數學者將研究重點放在云計算對BIM數據儲存的技術可行性層面，而關于建筑企業在數據管理中的現狀與需求的研究較少。因此，提出一個切實可行的BIM數據管理系統，與系統數據管理制度相結合，對云計算在我國BIM系統中的有效應用具有一定現實意義。

2 研究方法

本文采用精益創業法(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的研發，創建出在日常工作中所需的系統。之所以采用該方法主要考慮以下兩個方面：第一，了解中小建筑企業獨特的需求是使系統具有有用性的基礎；第二，本研究的主要目的是開發適用于中小企業的功能性產品，企業的協作和參與是必要的。LSM是一種專注于敏捷測試和學習周期的方法，用于驗證業務思想中的假設。在LSM應用方面，美國很多公司已經在世界各地取得了成功，具有較高的知名度[16]。精益創業法提供了一種科學的方法來創建和改進系統，并能更快地獲得用戶的需求。使用精益創業法，可以通過提供工具來持續測試使用愿景，使創建過程有條不紊地進行。精益創業法的一個核心部分是“創建-測試-學習反饋”循環，這是新產品開發的原則性方法[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，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化為產品，衡量用戶的反應，并了解用戶是否支持這一假設，然后開發最小可行產品(MVP)，盡快開始學習過程。一旦建立MVP，即可調整原有系統，實現逐步升級。精益創業開發模式如圖1所示。

在系統建設前期，首先，通過文獻回顧以及與相關設計單位和施工企業的BIM相關人士進行訪談，確定目前BIM數據管理的不足；其次，對系統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，在系統建設中期，建立系統的第一個初級版本，讓現場專業人員來測試該方案；最后，根據現場人員對初級系統的反饋意見，對系統進行改進升級。

3 系統創建與改進

3.1 系統介紹

本文所提出的BIM數據管理系統是基于云的共享工作區。傳統的BIM系統只提供基于Auto-ID技術和信息技術的3D模型，基于云的BIM數據管理系統集成了額外的信息(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，分別是顯性的數據管理和隱性的數據管理，即企業BIM數據庫和企業微博。項目在設計和施工階段創建的BIM數據可以在企業BIM數據中進行存儲、傳輸，實現BIM數據的再利用，避免錯誤的建模和施工方法在其他項目重復出現。企業微博作為一種分享和交流的平臺，允許專業人員之間更加流暢地互動，促進BIM數據的轉移，實現數據信息的快速發布和傳播[18]。充分利用收集到的實時數據，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 精益創業開發模式

基于云的共享工作區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，實現通過網絡對系統進行訪問；Web應用程序的主要目的是允許企業人員訪問所有共享工作區的功能，包括使用微博、咨詢和評價BIM數據。

圖2 擬議的基于云的系統一般架構

該系統識別4種類型的用戶：系統管理者、BIM數據上傳者、審批者和評價者。這些用戶對系統中存儲的BIM數據執行4個主要任務：

(1)上傳。系統顯示需要填寫與BIM數據內容相關的表單，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。為了確保數據中心中包含的BIM數據的可信度，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BIM標準。

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

(4)評價。用戶根據自己的工作經驗對BIM數據的內容進行評價，評價的信息是為BIM模型的改進而輸入的。

系統對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。施工作業建筑物信息交換(COBie)是經常用于設施管理的非專有數據格式。

3.2 系統的初步評估

為了獲得更加準確的反饋信息，系統測試選取了兩家具有10年以上經驗的建筑公司。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個部分對系統進行評估：

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

(2)根據系統可用性量表(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的積極評價，因為所有用戶都認為該系統是BIM數據管理的有效工具，而目前多數公司并沒有完整的BIM數據管理系統。但系統仍有不足之處需要改善，整理測試人員反饋的問題時發現，阻礙公司更加有效使用系統的問題主要為以下兩個方面：一是系統技術問題，二是系統使用制度問題。系統技術方面的問題是無法通過多個檢索條件實現對BIM數據庫的快速搜索；系統使用制度方面的問題是缺少BIM數據上傳標準、審核人員過多影響BIM模型發布時間。

3.3 系統的改進

根據評估結果和定期從企業BIM建模人員獲得的反饋信息對系統進行改進。

(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數據最終被發布，系統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對BIM數據快精確訪問。允許用戶發表評論，并用1～5分計算(分數越高表示越好)對BIM模型進行評價。

(2)使用制度改進。為了讓BIM數據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輸入信息。在系統中添加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據的建立、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。

4 結語

文獻回顧和BIM相關人士的反饋結果表明，管理建筑公司的數據問題尚未完全解決，而在中小企業中，問題表現明顯。為了解決這些問題，本文創建了一個基于云的共享工作區，予以幫助中小企業對BIM數據進行管理，使企業運營效率得到提升。

建筑公司在采用信息技術方面進展緩慢，出現這種情況的原因之一是目前市場上提供的許多系統都是在沒有滿足建筑公司實際需求的情況下開發的。因此，中小型企業應加強與企業的緊密協作，深入了解企業需求是提高信息技術在中小企業有效應用的方法，如精益創業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的開發，創建出在日常工作中真正有用的系統。系統的設計理念給從事建筑行業軟件開發的人員帶來啟示，引導使用者更好地應用精益創業法，從而增加IT技術在建筑業成功實施的概率。

本文介紹的基于云計算的BIM數據管理系統不僅可以儲存BIM數據，也可用于評估BIM數據的完整度，促進項目團隊之間的協作和項目信息共享。系統的一個顯著優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數據進行重新使用。研究的不足之處在于系統的調研范圍不夠廣泛，該系統目前只在建筑企業進行了測試，并未將設計單位和房地產企業納入研究范圍。為了擴大BIM數據管理系統的使用范圍，下一步將探索適用于整個建筑行業的BIM數據管理系統，以促進各參建方之間的信息交互。