基于云计算的BIM数据管理系统设计研究*

褚振威 宋健 张雷

(1.山东建筑大学商学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学管理工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

从全球来看，大数据分享成为时代主流。随着信息化技术的快速发展，公司所需处理的数据已达到PB(1015字节)级别。Google日均处理超过24PB的数据，而Facebook每时拍摄超过1000万张照片[1]。2012年起，全球数据日均增加量约2.5万亿(1018)字节[2]。急速增长的信息数据在给相应存储方式带来挑战的同时，也为企业带来了很多机会。能否及时从大量数据中识别有用的信息并加以利用，成为企业发展的关键。

如今，多数传统行业都在经历着前所未有的数据革命，建筑业作为传统行业的代表同样面临着大数据时代带来的挑战。在建筑工程全生命周期中，需要充分收集和利用不同学科产生的重要数据。BIM可以系统地捕获多维CAD信息，以支持建设参与方之间的多学科协作[3]。BIM数据通常是3D几何编码，计算密集(图形和布尔运算)，以不同的专有格式压缩并集成在一起。因此，不同的数据在BIM模型中进行了整合，并持续超出建筑的使用寿命。比如，一幢3层建筑模型的设计数据很容易就能达到50GB[4]，而这种数据以多种形式和形状的展现，具有内在的行业价值。而建筑公司是以独特性、不确定性和复杂性为特征的项目组织，其数据管理方式与其他商业组织不同[5]，在进行复杂建筑的施工过程中难以管理他们产生的数据[6]。因此，探讨如何将先进IT技术(如云计算)应用到中等建筑公司的BIM数据协同管理中，对推动数据管理具有重要意义。

1 文献综述

企业已经将数据作为资源和开展活动的重要资产，实施了各种捕获、存储、传输和再利用数据的方法[7]。存储BIM数据虽对企业具有积极指导意义，但现有应用程序仍然缺乏成功的应用。以往的研究表明[8-9]，在中小型企业中，数据普遍保存在各自工程项目部中，并未统一储存。中小企业在数据管理过程中面临的问题包括以下两个方面[10]：一是施工组织者缺乏管理数据知识的组织程序；二是考虑到项目地域分散，同一公司的专业人士之间的沟通与合作困难而缓慢，而捕获和存储数据的主要限制是项目执行期间缺乏时间。解决上述问题需要最大限度地发挥信息化技术的作用，使人们能够有效利用信息技术(IT)储存数据，并能够快速寻找出数据中包含的信息和知识[10]。

目前，建筑中小企业对BIM数据的管理大多采用传统的独立服务器储存方式。这种方式在数据存储方面提供的空间有限，并且通常是外部无法访问的隔离系统。为了改善这一现状，本文提出采用云计算对BIM数据进行存储和管理的理念进行相关方面的改进。云计算具有资源共享和可靠的数据储存等功能，概念一经提出就受到了国内外学者的广泛关注。一些国内外学者开始探索利用云计算技术对数据进行管理。何军基于云计算构建了企业危机管理系统，提出云计算是目前管理大数据的有效工具[11]。针对制造业项目管理中日益增多的数据，张向睿等基于云计算开发了一款制造业的项目管理系统，该系统的实施能够显著的提高制造业项目的管理水平[12]。在对建筑行业的数据管理研究方面，Jeong等提出了一个混合数据管理系统，用户端层使用MongoDB临时存储结构化数据，而中央层使用Apache Cassandra永久存储传感器生成的数据流[13]。Cheng等也使用Apache Cassandra通过查询来提取BIM模型中的数据[14]。Lin等利用MongoDB对BIM数据进行存储，通过MapReduce对数据进行分布式处理[15]。

综合国内外研究发现，大多数学者将研究重点放在云计算对BIM数据储存的技术可行性层面，而关于建筑企业在数据管理中的现状与需求的研究较少。因此，提出一个切实可行的BIM数据管理系统，与系统数据管理制度相结合，对云计算在我国BIM系统中的有效应用具有一定现实意义。

2 研究方法

本文采用精益创业法(Lean Startup Methodo-logy，LSM)进行研究。该研究方法允许最终用户直接参与系统的研发，创建出在日常工作中所需的系统。之所以采用该方法主要考虑以下两个方面：第一，了解中小建筑企业独特的需求是使系统具有有用性的基础；第二，本研究的主要目的是开发适用于中小企业的功能性产品，企业的协作和参与是必要的。LSM是一种专注于敏捷测试和学习周期的方法，用于验证业务思想中的假设。在LSM应用方面，美国很多公司已经在世界各地取得了成功，具有较高的知名度[16]。精益创业法提供了一种科学的方法来创建和改进系统，并能更快地获得用户的需求。使用精益创业法，可以通过提供工具来持续测试使用愿景，使创建过程有条不紊地进行。精益创业法的一个核心部分是“创建-测试-学习反馈”循环，这是新产品开发的原则性方法[17]，将涉及“测试”和“学习”，并且必须包括可以演示因果关系问题的可操作的指标。“测试”步骤包括评价系统的性能，验证或舍弃所提出的假设。在最后的“学习”阶段，研究人员进一步分析 “测试”步骤的结果，更多地了解他们正在尝试解决的问题，并决定是否重新开始循环，改进版本的原始假设或提出全新的假设。这个过程允许将想法转化为产品，衡量用户的反应，并了解用户是否支持这一假设，然后开发最小可行产品(MVP)，尽快开始学习过程。一旦建立MVP，即可调整原有系统，实现逐步升级。精益创业开发模式如图1所示。

在系统建设前期，首先，通过文献回顾以及与相关设计单位和施工企业的BIM相关人士进行访谈，确定目前BIM数据管理的不足；其次，对系统架构进行初步的设计，在测试阶段与6位BIM领域的专家学者进行新的架构访谈；然后，在系统建设中期，建立系统的第一个初级版本，让现场专业人员来测试该方案；最后，根据现场人员对初级系统的反馈意见，对系统进行改进升级。

3 系统创建与改进

3.1 系统介绍

本文所提出的BIM数据管理系统是基于云的共享工作区。传统的BIM系统只提供基于Auto-ID技术和信息技术的3D模型，基于云的BIM数据管理系统集成了额外的信息(例如项目进度和成本)，以将原始的三维平台扩展到多维的平台。其主要功能分为两个模块，分别是显性的数据管理和隐性的数据管理，即企业BIM数据库和企业微博。项目在设计和施工阶段创建的BIM数据可以在企业BIM数据中进行存储、传输，实现BIM数据的再利用，避免错误的建模和施工方法在其他项目重复出现。企业微博作为一种分享和交流的平台，允许专业人员之间更加流畅地互动，促进BIM数据的转移，实现数据信息的快速发布和传播[18]。充分利用收集到的实时数据，将BIM中的三维设计和建模扩展到多维应用，使基于解决方案的决策更加合理、精确和科学。

图1 精益创业开发模式

基于云的共享工作区架构主要考虑两个主要组件(如图2所示)：云服务平台和基于Web的软件解决方案。通过使用基于云的API公开服务，实现通过网络对系统进行访问；Web应用程序的主要目的是允许企业人员访问所有共享工作区的功能，包括使用微博、咨询和评价BIM数据。

图2 拟议的基于云的系统一般架构

该系统识别4种类型的用户：系统管理者、BIM数据上传者、审批者和评价者。这些用户对系统中存储的BIM数据执行4个主要任务：

(1)上传。系统显示需要填写与BIM数据内容相关的表单，表单包含项目名称，建筑结构类型，模型用途(设计模型、施工模型、运维模型)，模型的细致程度(LOD)。

(2)审核。为了确保数据中心中包含的BIM数据的可信度，每个BIM模型都必须由一个或多个批准人审核，每个BIM模型的上传都需要遵循企业BIM标准。

(3)搜索。可以通过上传者填写的表单，实现对BIM模型的快速搜索，如BIM模型创建者、上传者、审批者和项目的名称、运用阶段、建模深度。

(4)评价。用户根据自己的工作经验对BIM数据的内容进行评价，评价的信息是为BIM模型的改进而输入的。

系统对BIM文件上传的格式具有严格的要求，一般来说，BIM中常见的文件格式可以分为3类：第一类是通常限于特定类型软件的本地文件格式。例如，在Revit中建模的建筑物将默认为“.rvt”，即本机Revit文件扩展名。第二类是促进相似创作软件之间交换模型的文件格式。第三类是专门应用(如gbXML和COBie)的文件格式。绿色建筑XML模式(gbXML)是用于构建能量分析的文件格式。施工作业建筑物信息交换(COBie)是经常用于设施管理的非专有数据格式。

3.2 系统的初步评估

为了获得更加准确的反馈信息，系统测试选取了两家具有10年以上经验的建筑公司。试点所在项目之一为综合实验楼(建筑面积10 890m2)，另一个为商品住宅(建筑面积7578m2)。参与系统验证的团队包括8名BIM建模人员。在试点实验结束时，从3个部分对系统进行评估：

(1)使用ISO/IEC 25010∶2011质量软件标准中定义的要素对系统进行整体评估。

(2)根据系统可用性量表(SUS)[19]对可用性进行评估。

(3)通过反馈的问题确定用户的看法和意见。

评估结果显示了用户对系统的积极评价，因为所有用户都认为该系统是BIM数据管理的有效工具，而目前多数公司并没有完整的BIM数据管理系统。但系统仍有不足之处需要改善，整理测试人员反馈的问题时发现，阻碍公司更加有效使用系统的问题主要为以下两个方面：一是系统技术问题，二是系统使用制度问题。系统技术方面的问题是无法通过多个检索条件实现对BIM数据库的快速搜索；系统使用制度方面的问题是缺少BIM数据上传标准、审核人员过多影响BIM模型发布时间。

3.3 系统的改进

根据评估结果和定期从企业BIM建模人员获得的反馈信息对系统进行改进。

(1)技术改进。在审核过程中，如果需要用户进行操作或者用户上传的BIM数据最终被发布，系统将以邮件的形式通知用户。增加多检索条件搜索功能，用户可以选取多个检索条件实现对BIM数据快精确访问。允许用户发表评论，并用1～5分计算(分数越高表示越好)对BIM模型进行评价。

(2)使用制度改进。为了让BIM数据的批准和评价更灵活，减少干扰功能，鼓励更多用户频繁向系统输入信息。在系统中添加BIM上传标准，用于指导基于建筑信息模型的建筑工程设计过程中各阶段数据的建立、传递和解读，使用户在上传之前参考该标准，以减少审核修改次数。

4 结语

文献回顾和BIM相关人士的反馈结果表明，管理建筑公司的数据问题尚未完全解决，而在中小企业中，问题表现明显。为了解决这些问题，本文创建了一个基于云的共享工作区，予以帮助中小企业对BIM数据进行管理，使企业运营效率得到提升。

建筑公司在采用信息技术方面进展缓慢，出现这种情况的原因之一是目前市场上提供的许多系统都是在没有满足建筑公司实际需求的情况下开发的。因此，中小型企业应加强与企业的紧密协作，深入了解企业需求是提高信息技术在中小企业有效应用的方法，如精益创业法便是解决此问题的有效方法之一。该研究方法允许最终用户直接参与系统的开发，创建出在日常工作中真正有用的系统。系统的设计理念给从事建筑行业软件开发的人员带来启示，引导使用者更好地应用精益创业法，从而增加IT技术在建筑业成功实施的概率。

本文介绍的基于云计算的BIM数据管理系统不仅可以储存BIM数据，也可用于评估BIM数据的完整度，促进项目团队之间的协作和项目信息共享。系统的一个显著优点是可以帮助其他项目在建筑物的设计或其他应用中对BIM数据进行重新使用。研究的不足之处在于系统的调研范围不够广泛，该系统目前只在建筑企业进行了测试，并未将设计单位和房地产企业纳入研究范围。为了扩大BIM数据管理系统的使用范围，下一步将探索适用于整个建筑行业的BIM数据管理系统，以促进各参建方之间的信息交互。