基于BIM+ 云計(jì)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(guó) 張海亮

（1、中鐵一局集團(tuán)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(xué)院，陜西 渭南 714099）

近年來(lái)國(guó)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(tái)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(xiàng)目信息，在項(xiàng)目三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)建筑行業(yè)精細(xì)管理提供幫助，但由于BIM 技術(shù)對(duì)硬件及軟件的要求較高，BIM+云計(jì)算的工程項(xiàng)目管理方式開始出現(xiàn)。BIM+云計(jì)算將BIM 應(yīng)用轉(zhuǎn)移至云平臺(tái)，使用戶無(wú)需自主安裝硬件、軟件，在瀏覽器上即可進(jìn)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(lái)發(fā)展的重要方向。

1 BIM+云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用模式

1.1 BIM 技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)簡(jiǎn)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(xiàng)目信息，從而完成項(xiàng)目全過(guò)程成本、時(shí)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(dāng)前BIM 技術(shù)應(yīng)用廣泛，但對(duì)軟件、硬件要求較高，企業(yè)需要購(gòu)買各類硬件設(shè)備和軟件，并且需要組建一個(gè)完整的運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)工作，消耗大量運(yùn)行成本，為企業(yè)融合BIM 和云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)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(jì)算技術(shù)

云計(jì)算以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，通過(guò)云平臺(tái)的搭建，使登陸平臺(tái)的每一位用戶都可以接受云服務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與應(yīng)用，進(jìn)而形成一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)資源中心。云計(jì)算通過(guò)整合大量的計(jì)算資源，利用云服務(wù)器等硬件設(shè)備，在平臺(tái)上提供計(jì)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(tái)就可以使用計(jì)算資源，既節(jié)省時(shí)間、空間，也可以節(jié)約資金，是“共享時(shí)代”的重要工具[5]。云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用體系如圖2 所示。

圖2 云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用體系示意圖

1.2 BIM 技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)集成應(yīng)用

BIM 和云計(jì)算的集成應(yīng)用，是在BIM 高效性的基礎(chǔ)上克服軟件對(duì)軟硬件的限制。企業(yè)將BIM 軟件集成在云平臺(tái)上，實(shí)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(yùn)行機(jī)制如圖3 所示。

圖3 BIM+云計(jì)算運(yùn)行機(jī)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(tái)，在平臺(tái)上集成各類BIM 服務(wù)，面向全社會(huì)提供服務(wù)，用戶登陸云平臺(tái)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(shí)按需付費(fèi)，減少了硬件條件對(duì)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(duì)固定，無(wú)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(fèi)，另外其數(shù)據(jù)的安全性還存在缺陷，有待后續(xù)進(jìn)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(gè)用戶搭建的云平臺(tái)，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(shí)需要組建專門的管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行定期維護(hù)，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(dú)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(tái)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(jìn)一步維護(hù)。

2 BIM+云計(jì)算功能需求及框架設(shè)計(jì)

2.1 功能需求

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

2.1.1 硬件需求

硬件設(shè)備是實(shí)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(tái)硬件架構(gòu)，包括云終端、云服務(wù)器、云計(jì)算設(shè)備，以及各類數(shù)據(jù)庫(kù)、硬件庫(kù)等，使得云平臺(tái)可以服務(wù)于建筑企業(yè)的BIM 需求，完成對(duì)工程項(xiàng)目成本、質(zhì)量、進(jìn)度的控制。

2.1.2 軟件需求

BIM+云計(jì)算將傳統(tǒng)的BIM 軟件及BIM 功能轉(zhuǎn)移至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目全生命周期的管理，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建、碰撞檢測(cè)、虛擬施工、成本管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理等BIM 功能，構(gòu)建一個(gè)跨地域、跨層次、跨專業(yè)的協(xié)同管理機(jī)制，大大降低用戶對(duì)軟件的客觀要求，提高工作效率[7]。

2.2 框架設(shè)計(jì)

作為新型技術(shù)，BIM 技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)的結(jié)合在我國(guó)仍處于初級(jí)階段，在把握技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)BIM+云計(jì)算技術(shù)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)設(shè)備層、支撐服務(wù)曾、實(shí)施應(yīng)用層、用戶訪問(wèn)層四個(gè)層次，各層次見相互遞進(jìn)，構(gòu)成BIM+云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用體系。其中，基礎(chǔ)設(shè)備層是整個(gè)框架的基礎(chǔ)；支撐服務(wù)層對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用起支撐作用；應(yīng)用實(shí)施層是BIM 應(yīng)用的直接工具及人機(jī)對(duì)話的接口；用戶訪問(wèn)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(jìn)行搭建，采用BIM+公有云模式，整個(gè)框架均由第三方互聯(lián)網(wǎng)公司進(jìn)行搭建，建筑企業(yè)只需要付費(fèi)進(jìn)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(tái)框架，以實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)與云計(jì)算技術(shù)的混合。應(yīng)用框架如圖4 所示。

圖4 BIM+云計(jì)算應(yīng)用框架示意圖

2.2.1 設(shè)備層。設(shè)備層是云平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，包括云平臺(tái)設(shè)備及BIM 設(shè)備，涵蓋云終端、云服務(wù)器、云計(jì)算設(shè)備，以及BIM 技術(shù)的各類數(shù)據(jù)庫(kù)、硬件庫(kù)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(tái)模塊，滿足用戶的使用需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和功能的完整實(shí)現(xiàn)，保障數(shù)據(jù)安全性，對(duì)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(tái)，實(shí)現(xiàn)BIM 服務(wù)，是BIM 應(yīng)用的直接工具及人機(jī)對(duì)話的接口，保障用戶可以在平臺(tái)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(wèn)門戶，包括PC端入口及移動(dòng)端入口，使用戶可以通過(guò)各種渠道隨時(shí)登陸平臺(tái)，在分配的權(quán)限內(nèi)對(duì)工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)基于BIM+云計(jì)算的協(xié)同辦公。

3 基于BIM+云計(jì)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(jì)算具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)一些成熟企業(yè)已通過(guò)購(gòu)買BIM硬件設(shè)備并推廣應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這些企業(yè)如果強(qiáng)行推行BIM 的云應(yīng)用，會(huì)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(jì)算的方法開展應(yīng)用。事實(shí)上，企業(yè)可以通過(guò)對(duì)自有資源進(jìn)行計(jì)算來(lái)研判自身對(duì)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(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)值，Rakesh Gupta 等對(duì)參數(shù)數(shù)值給出了明確的計(jì)算方法[9]。

根據(jù)現(xiàn)有研究[10]，當(dāng)SI＜3760 時(shí)，企業(yè)不宜依托云平臺(tái)進(jìn)行日常業(yè)務(wù)管理；當(dāng)3760＜SI＜4600 時(shí)，需要深入調(diào)研來(lái)研判是否推行云平臺(tái)應(yīng)用；當(dāng)SI>4600 時(shí)，即企業(yè)適合開展基于BIM+云計(jì)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(jì)算的重要指標(biāo)，體現(xiàn)企業(yè)投資與回報(bào)的對(duì)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(jì)學(xué)中投資效益概念的基礎(chǔ)上，企業(yè)BIM+云計(jì)算應(yīng)用的投資效益如下所示[11]：

式（2）中，ROIC 表示BIM+云計(jì)算的投資效益，IP 為采用云計(jì)算方式后增加的收益；RC 為采用云計(jì)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(duì)當(dāng)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(jì)算技術(shù)，總結(jié)BIM 與云計(jì)算集成應(yīng)用的三種模式，分析其功能需求，進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，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(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，最后指出當(dāng)前BIM+云計(jì)算模式的優(yōu)劣所在，對(duì)于BIM+云計(jì)算技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供借鑒指導(dǎo)意義。