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基于云计算构建BIM模型研究综述

发布时间:2018-05-09 11:13:00 文章来源:未来智库    
    关键词:BIM,云计算
    中图分类号:K826.16 文献标识码:A 文章编号:
    
    1.1 研究背景
    建筑工程项目实施是一个诸多主体参与的繁杂过程,在这个过程中有海量的信息需要运算和处理,如何解决传统管理过程中一直存在的信息丢失、休息断层、信息孤岛问题,并建立强大的运算框架是我们解决问题的关键。建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)模型不仅是建筑的几何3D模型,其内部更包含着其它静态的和动态的建筑工程全寿命期内的所有信息,所以BIM信息模型是我们进行建筑工程项目管理的重要工具和手段。
    目前的BIM模型主要有3D模型(几何模型)、4D模型(进度模型)和5D模型(费用模型)。三维BIM模型主要包含建筑的几何形体数据及相关联的材料物理性能数据,四维模型是在三维模型基础上附加一个时间轴,形成基于三维BIM的施工进度维,五维模型是在四维模型的基础上附加一个费用轴,形成基于四维BIM的施工成本控制维。目前在建筑工程行业,BIM已成为工程项目各参与方在工程项目全寿命周期进行协同工作的焦点,BIM建模技术也成为建筑工程项目集成管理研究的前沿与热点问题。
    BIM虽然如此高贵而美妙,但是如何构建BIM一直是建筑业界的一个难题,因为构建BIM就好比搭建一个虚拟的建筑,需要各部门、各专业大量的设计人员协同工作,需要进行海量运算,需要大量的软硬件设施,是一个繁杂的系统工程。传统的BIM模型构建模式是设计师基于个人电脑单兵作战,设计文件的交流除了用U盘拷贝外,有时也通过服务器共享,各设计师之间的文件交流都是交叉混乱的,这种情况经常严重影响设计进度和质量。当然也有企业采用设计协同工作模式,传统的方法是将设计文件放在执行共同标准的平台上进行协同设计,但要实现这种工作方式必须基于以下两点:首先要有标准约定,其次要有公共IT平台,但环顾我们的周围不会发现哪两台工作电脑上的应用程序的设置相同的,包括同一公司,同一专业的设计人员,所以以上方案也仅是权宜之计。而云计算技术出现以后,人们可以将各种建筑软件的标准版本映射在云上,所有的用户在协调设计过程中都执行这些标准程序,这就从根本上解决了协同工作的标准化问题。同时云计算平台还能够克服异地限制,从而实现广义上的实时协同和数据共享。当然云计算最主要解决的还是海量运算问题,设计公司为了表现建筑的真实渲染效果,往往要制作3D 动画,有些公司甚至制作建筑动画漫游短片,用以给业主展现更完整的建筑设计,完成一部短片需要渲染出每一帧画面,传统的基于设计师个人PC的渲染有时需要好几天的时间才能完成(即使其PC配置已经达到4核16G)。而应用云技术,渲染工作可以与其他工作同时进行,只需要按照优先级分配运算资源,即使在下班时间,云平台所有的CPU都可同时投入到该运算过程中,从而大幅度提升设计人员的设计速度和质量。国外的状况是,运用云计算的高质效果图片或动画帧的渲染时间已经由小时级提高到秒级。这一切都为基于云计算构建BIM模型创造了先决的技术条件。
    建筑项目各参与主体基于BIM模型的协作贯穿建筑全寿命周期,建筑全生命周期的各专业信息都集成在这个模型上面,当然这些信息都是按先后顺序加入并传递的,但整个设计过程是项目组所有人员同时搭建这个模型,最理想的状态是所有参与人员实现广义的不受时间地点限制的协同工作,要实现这一点目前只有云计算平台能够达到。
    综上所述,基于云计算构建BIM模型不仅解决了构建BIM过程中的海量运算问题,也解决了BIM模型数据的安全问题,在美国,Little公司在这方面已经做了有益的尝试,并取得了不菲的业绩和经济效益。在中国国内,基于云计算构建BIM目前只是处于概念和启蒙阶段,有公司做BIM,也有公司做云计算平台,但真正把二者结合起来的公司基本上没有。值得一提的是北京的柏慕进业工程咨询有限公司(Bim China),其作为国内站在BIM技术最前沿的专业培训和项目咨询公司,目前正致力于基于红帽企业和西安跃腾电子科技有限责任公司的云计算平台构建BIM模型的研究和推广工作。
    1.2 国内外研究现状
    云计算和BIM分别是当前IT领域和建筑行业的前沿热点课题,虽然截止到目前,云计算甚至还没有一个共性的定义,BIM之于很多建筑行业人士也稍感陌生,但这一切并不妨碍云计算和BIM的结合。基于云计算的BIM模型研究比较靠前的主要是美国和加拿大,而美加两国主要是基于建筑设计角度来利用云计算构建BIM模型,在建筑施工和运营阶段的研究并不多。国内基于云计算BIM模型研究基本处在启蒙阶段,以上情况分别介绍如下。
    (1)美国情况。美国的Little 多元设计咨询公司已经着手基于云计算构建BIM模型的研究和应用开发,并取得了不错的业绩,Little 公司员工规模是200多人,他们共配置了20台高性能图形云工作站(HPGW),自从配置HPGW以后,设计人员的计算机更新周期不再是以往的2年,而是4-5年;而手提电脑甚至可以用到物理报废为止,基本是4年左右。由于大量的运算不再在手提电脑中进行,所以Little公司目前给设计师的标配手提电脑的价位在800-1000美元,而不是原来的2200-2500美元,据此估算,Little公司在未来10年中用于购置个人电脑的费用会由原计划的300万美元减少到100万美元,这还不算软件费用,仅其硬件费用将降低约67%。同时Little 应用云技术以后,彻底克服了传统构建BIM模型时的几个主要问题:即海量运算问题、数据安全问题、实时协同问题、信息共享问题等。Little 的基于云计算构建BIM战略达到了“一箭多雕”的商业效益。
    (2)加拿大情况。加拿大在BIM的数据标准即IFC方面的研究卓有成效,因为BIM模型要进行数据集成,首先必须要把建筑行业各应用软件生成的虑数据进行统一格式化,也就是说大家都必须遵守IFC要求的BIM数据格式,加拿大在这方面制订了很多相关标准,并且有很多标准已经在工程实践中应用。
    (3)国外的云计算平台研究情况。国外的云管理平台商家主要是红帽公司,红帽企业的Linux 5.4是虚拟化解决方案系列产品的基础,提供了诸多的虚拟化功能,包括基于内核的虚拟机(KVM)技术以及Intel Directed I/O虚拟化技术和PCI-SIG SR-IOV。这些技术允许一个基于Intel® Xeon® 5500系列处理器的平台中的多个虚拟机直接共享I/O设备。新版操作平台在继续向客户提供对多种已认证软硬件的支持同时,还具有更好的I/O吞吐量并包含供开发人员使用的更多的工具。
    (4)中国情况。云计算在我国一经提出便受到了产业界和学术界的广泛关注,我国于2007年启动了国家“973”重点科研项目“计算机系统虚拟化基础理论与方法研究”,已经取得了阶段性成果。2009年11月11日,全国首家云计算产业协会在深圳成立,协会的成立标志我国政府对于云计算产业在未来发展的高度重视,同时标志着深圳市企业对于云计算研究及应用领域的关注与信心,深圳市高科技产业发展迈向成熟,而云计算产业则给深圳信息产业带来新的商机,当前深圳是全国首个大力发展云计算的城市,现在有100多家企业从事云计算相关产业研究和技术开发等,未来产业将蕴藏巨大的商机。2009年12月中国云计算技术与产业联盟在北京成立,四十多家企业一起共同倡议成立中国云计算技术与产业联盟。2010年8月上海公布云计算发展战略,3年内,云计算将为上海新增1000亿元的服务业收入,推动百家软件和信息服务业企业转型,培育10家年收入超亿元的龙头企业和10个云计算示范平台。2010年10月22日,工信部和国家发改委联合发布的通知明确,在北京、上海、深圳、杭州、无锡等五个城市先行开展云计算服务创新发展试点示范工作。业内人士表示,在两部委的推动下,云计算在中国的市场规模有望在3年内突破1万亿人民币,产业链上下游的多家上市公司将迎来发展机遇。国内的云管理平台主要是跃腾科技自主研发的国内首款服务器虚拟化管理平台,它利用虚拟化的强大能力将数据中心转化成为显著简化的云计算基础架构,使企业能够充分利用内部和外部资源,安全和低风险地提供新一代灵活可靠的IT服务。云管理平台能使企业的运作建立在更高效、更科学、更精确的平台上,成为具有竞争力的经济单位,成为社会发展的资源,促进企业发展。云管理平台为业务系统提供灵活的部署、运行与管理环境,屏蔽底层硬件、操作系统的差异,为应用提供安全、高性能、可扩展、可管理、可靠和可伸缩的全面保障,降低开发、部署、运行和维护应用系统的成本。

         1.3 研究目的与意义
    建筑工程行业是“传统工业”中的传统工业,是和“土”打交道的产业,从来都是“傻大笨粗”的代名词,随着信息时代的到来,建筑行业如何实现信息化,是我们亟待解决的首要问题。基于云计算构建BIM技术集成了当今IT领域和建筑行业最顶尖的“云计算技术”和“BIM”技术,它可能是我们建筑行业步入信息化天堂的云梯,也可能是我们建筑行业契合信息化时代脚步的敲门砖。基于云计算构建BIM模型研究的目的意义主要有以下几点。
    (1)基于云计算构建BIM模型可以实现随时随地跨地区、跨公司协同工作。作为拥有多分支机构的设计公司或建筑公司,设计人员和管理经常同时要在一个建筑模型上工作,软件开发商探索着用广域网解决协同工作问题,但其实效果并不够好,而转换到云系统以后,使我们在各地的设计人员就如同在一间办公室内工作一样方便。我们知道构建BIM是一个多人协同的工作过程,有的设计师会选择在家工作,这些人对随时随地登陆到公司的BIM具有强烈需求,但目前,应用程序都放在个人PC里、数据也是分散的,这就很难做到公司的平台和数据信息被随时共享。虽然广域网传输速度有所提升从而使个人PC获取数据速度有所改善,但还是不够好。通过安全的远程桌面协议(RDP)接入公司的云,设计师可以随时随地启用公司的BIM数据中心,手提电脑仅是接入的端口。这无疑给设计师提供了足够的机动性。
    (2)基于云计算构建BIM可以降低IT 基础设施建设费用。高性能图形工作站云(HPGW)不仅解决了BIM 所要求的运算能力问题,由于实施了虚拟化策略,在硬件和网络设备性能得到改善的同时,也大幅度降低了其它IT基础设施的总费用。对于有众多分支机构的设计公司, 可以将分支机构的IT基础设备转移到“云”上。利用设在总部的云基础框架,为分支机构提供随用随取的IT资源。这种策略可以使异地分部通过云被整合到总部中来,而不需单建一套存储设备;使所有分支机构处于“如同在一间办公室工作”的状态;身处异地不再成为协同工作的障碍。
    (3)基于云计算构建BIM可以实现IT 自动控制和节约服务成本。虽然云策略不可能减少正版软件应用许可数量,但能够极大方便IT 人员进行软件管理和许可申请。现在许多正版软件都有网络版本或多用户申请模式,这种系统可以保证任何设计师只要有空余的软件许可,既可在任何一个工作站点上运行软件。过去传统的做法是通过复杂的脚本或软体自动化将授权赋予所有设计师的个人PC。这种做法会花费大量时间而且会经常出现问题,因为很难更新那些很少接入公司网络的设计师电脑。而采用云计算以后,HPGW每周7天,每天24小时不间断运行。IT 人员平时只是管理和更新仅有的几台物理主机,大量节约了服务成本。
    (4)基于云计算构建BIM可以保证工作连续性、安全性及灾难数据恢复。在传统构建BIM的过程中,没有那个公司会随时备份所有员工的工作电脑的数据,但又由于个人电脑上往往存着公司和业主重要的数据信息,这样在员工个人电脑出现意外情况的时候无疑会给公司带来巨大损失,而应用云技术,我们将公司和业主的信息储存到云里,并在云里进行复制备份。因为在高性能图形工作站云(HPGW)里所有数据、程序都放在存储区域网络(SAN)上,并设置了专门的灾难数据恢复用的空间,当某一台HPGW出现问题,IT 会自动通知其上的用户无缝链接到另一台HPGW上继续工作,用户信息及数据也同时转移过去。如此以来,数据安全性大幅提升,特别是那些珍贵的业主数据。在这种模式下,设计师在日常工作中将所有的数据和软件都放在云上而无需装在个人PC中。如果确有必要调用某些文件,那也只是个副本,而源文件仍在云上。这样就确保了工作连续性、安全性,以及灾难时刻的数据恢复。
    
    参考文献:
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    [4]张建勋.云计算研究进展综述[J].计算机应用研究,2010,2:15-20
    [5]张为民,唐剑峰,罗治国.云计算深刻改变未来[M].北京:科学出版社, 2009:11-14

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