基于BIM的建筑行業(yè)大數(shù)據(jù)建維分析

文/張顥

1 引言

信息技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)的建筑行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，從早期的無(wú)紙化系統(tǒng)，到逐步發(fā)展工程造價(jià)管理系統(tǒng)，再到各種圖紙從2D電子圖紙發(fā)展為3D甚至VR的可視化建筑結(jié)構(gòu)模型，各種技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了各種系統(tǒng)，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)也是漫天飛舞無(wú)法形成一個(gè)數(shù)據(jù)體系。從建筑數(shù)據(jù)范圍來(lái)看，主要涵蓋建筑構(gòu)造、建筑設(shè)計(jì)、建筑材料等多個(gè)領(lǐng)域，這些上下游數(shù)據(jù)串聯(lián)起來(lái)才能發(fā)揮系的綜合價(jià)值。本文力圖以BIM作為關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)BIM建模聚合建筑數(shù)據(jù)以領(lǐng)域數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)構(gòu)建整個(gè)建筑的全生命周期管理為一體的建維分析模式。本文認(rèn)為以BIM為中心與其他信息系統(tǒng)融合，是目前建筑行業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，即將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、VR技術(shù)、等圍繞BIM提供信息化關(guān)鍵技術(shù)的擴(kuò)展。

2 建筑行業(yè)大數(shù)據(jù)建模

從大數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，目前大數(shù)據(jù)平臺(tái)都是基于云計(jì)算環(huán)境下的數(shù)據(jù)平臺(tái)，一般采用Hadoop技術(shù)將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)到分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上去，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的計(jì)算環(huán)境。一般對(duì)大數(shù)據(jù)的處理包括：數(shù)據(jù)挖掘、分布式計(jì)算、分布式存儲(chǔ)和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。而建筑行業(yè)的信息是多種信息的聚集，從數(shù)據(jù)形式上包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、各種非機(jī)構(gòu)化文件、半結(jié)構(gòu)化圖紙等形式存在。從數(shù)據(jù)種類來(lái)說(shuō)，涵蓋建筑數(shù)據(jù)、場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、電氣數(shù)據(jù)、給排水?dāng)?shù)據(jù)、暖通數(shù)據(jù)等。往往這些數(shù)據(jù)分散在不同的系統(tǒng)不同的數(shù)據(jù)源，要獲取這些數(shù)據(jù)需要與其他系統(tǒng)打通數(shù)據(jù)通道。一般可以通過(guò)數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)超市的構(gòu)建，利用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn)可以在距離這些分散的數(shù)據(jù)最近的數(shù)據(jù)接入點(diǎn)放置數(shù)據(jù)前置機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)前置機(jī)按不同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)獲取數(shù)據(jù)。利用Python豐富第三方庫(kù)和可擴(kuò)展特性，可以靈活方便的調(diào)用應(yīng)用程序接口快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的整合。再通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚層匯聚數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、規(guī)整、整合，并以系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)發(fā)布。整個(gè)系統(tǒng)建立在以Map/Reduce為基礎(chǔ)的分布式計(jì)算模型基礎(chǔ)上，利用Python實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、規(guī)整、整合任務(wù)，將任務(wù)分散到分布式的網(wǎng)絡(luò)上。最終，發(fā)布的數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)中心，形成數(shù)據(jù)超市，數(shù)據(jù)超市作為BIM的底層數(shù)據(jù)支撐。

圖1：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

而上述這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并不能直接為BIM提供分析支撐，只能提供數(shù)據(jù)依據(jù)。這就需要利用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)模型。由于建筑數(shù)據(jù)大多是由明確分類標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，因此采用成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為輸入交給網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類訓(xùn)練，從而獲得良好的預(yù)測(cè)模型。

一般神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將輸入向量化，并為向量賦予權(quán)重，利用加法單元和激活函數(shù)輸出信號(hào)，如圖1所示。

圖中{X1,X2...Xn}表示輸入向量，Wnj表示向量權(quán)重，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)反復(fù)的迭代訓(xùn)練不斷更新權(quán)重尋找影響網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重。ZJ表示加法單元，不斷計(jì)算輸入向量和權(quán)重向量的和，再交給f（ZJ）激活函數(shù)來(lái)判斷神經(jīng)元的連接強(qiáng)度。通過(guò)多次迭代最終找到一個(gè)模型用于擬合數(shù)據(jù)集，所擬合的模型可以用于對(duì)未知數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。

例如，要預(yù)測(cè)某種建材價(jià)格，可以利用建材數(shù)據(jù)源，從建筑數(shù)據(jù)中獲取大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后，找到影響價(jià)格的主要因素如時(shí)間周期、產(chǎn)地限制、供求關(guān)系、運(yùn)輸距離等組合成輸入向量。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出層，通過(guò)初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中迭代訓(xùn)練最終獲的輸出結(jié)果，其結(jié)果就是該建材價(jià)格的預(yù)測(cè)模型。相類似的，還可以獲得建筑結(jié)構(gòu)、電氣數(shù)據(jù)、給排水?dāng)?shù)據(jù)等的預(yù)測(cè)模型，這些模型將用于BIM的信息構(gòu)建。

3 以BIM為中心的數(shù)據(jù)構(gòu)建

有了底層的大數(shù)據(jù)支持和各種數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型的輔助支撐，進(jìn)一步就是要構(gòu)建以BIM為中心的數(shù)據(jù)應(yīng)用。從用戶的觀點(diǎn)來(lái)看，BIM的核心是對(duì)于工程人員有著“所見(jiàn)即所得”的項(xiàng)目應(yīng)用特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)同和可視化的工程管理平臺(tái)。

本文系統(tǒng)主要以Revit進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其構(gòu)建的坐標(biāo)系統(tǒng)將不同位置區(qū)域劃分到不同的建筑模型區(qū)域，整個(gè)項(xiàng)目的區(qū)域數(shù)據(jù)來(lái)自于不同的數(shù)據(jù)源但是匯聚于共享的數(shù)據(jù)超市。上一章中的各種結(jié)構(gòu)化和非機(jī)構(gòu)化數(shù)據(jù)，都可以圍繞BIM中心模型包圍和擴(kuò)展。上圖中綠色部分就是利用物聯(lián)網(wǎng)獲取的聲光電等傳感數(shù)據(jù)。藍(lán)色區(qū)域是各種空間模型、場(chǎng)地結(jié)構(gòu)、內(nèi)外層BIM模型。棕色區(qū)域構(gòu)建的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)計(jì)算模型、整體結(jié)構(gòu)模型、鋼結(jié)構(gòu)模型等。下層的紫色區(qū)域主要是電氣結(jié)構(gòu)、管線資源結(jié)構(gòu)等。這些模型融合在一起，形成了完整的BIM模型。

這些模型的底層數(shù)據(jù)構(gòu)建是由大數(shù)據(jù)平臺(tái)完成存儲(chǔ)、處理和分析等工作。而分析后的預(yù)測(cè)模型，以BIM的方式展示給終端用戶，終端用戶通過(guò)BIM可以模擬分析建筑工程數(shù)據(jù)。

建筑工程數(shù)據(jù)信息化為數(shù)字模擬分析提供了技術(shù)條件，通過(guò)匯聚來(lái)自各種外部系統(tǒng)的信息模型，構(gòu)建云端的BIM核心數(shù)據(jù)庫(kù)。以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模式發(fā)布，并在視圖層解析和簡(jiǎn)化輸出。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，運(yùn)用模擬分析軟件從建筑能耗、內(nèi)部空間舒適度、安全性等方面分析項(xiàng)目設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從而達(dá)到指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)確保項(xiàng)目設(shè)計(jì)的綜合品質(zhì)的能力。

對(duì)于系統(tǒng)的構(gòu)建而言，首先獲取施工地的設(shè)計(jì)原始地形數(shù)據(jù)，通過(guò)插值運(yùn)算轉(zhuǎn)換二維數(shù)據(jù)為三維數(shù)據(jù)，在Revit中建模并優(yōu)化數(shù)據(jù)對(duì)原始進(jìn)行修正。通過(guò)工程平臺(tái)對(duì)原始道路信息進(jìn)行梳理重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，在大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行匯聚并通過(guò)Python導(dǎo)入BIM完成示例模型的構(gòu)建。根據(jù)BIM工程管平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，并增加信息標(biāo)簽利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，獲得數(shù)據(jù)協(xié)同模型實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。

4 總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，目前BIM和大數(shù)據(jù)結(jié)合是建筑行業(yè)建維分析的趨勢(shì)，而所需協(xié)同的系統(tǒng)較多需要通過(guò)編寫(xiě)應(yīng)用程序的技術(shù)手段聯(lián)合多個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用特點(diǎn)構(gòu)建工程管理平臺(tái)是比較可行性的方案。本文通過(guò)Python語(yǔ)言方便的調(diào)用其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)了組合Hadoop大數(shù)據(jù)的的存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)形成數(shù)據(jù)超市，通過(guò)基于WebGL技術(shù)的BIM工程信息平臺(tái)展示數(shù)據(jù)挖掘成果，有效的將大數(shù)據(jù)和建維一體的建設(shè)理念結(jié)合。本文通過(guò)Hadoop搭建底層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，利用Python和系統(tǒng)間的應(yīng)用程序接口獲取大量的建材數(shù)據(jù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)底層數(shù)據(jù)建模，從而支撐上層的建維分析應(yīng)用。通過(guò)BIM建模技術(shù)和WebGL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)中漫游、交互、搜索，并對(duì)建材的構(gòu)成進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，形成建維分析一體的可視化模型?？偟膩?lái)說(shuō)，本文論證了技術(shù)的可行性和各系統(tǒng)間的銜接方案符合當(dāng)前建筑行業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。