張金輝 張其林，3 常治國

(1.上海同磊土木工程技術(shù)有限公司，上海 200433；2.上海土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，上海 200092；3.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

引言

目前在土木工程領(lǐng)域，Revit Server、CATIA、以及國內(nèi)的PKPM BIM[1]等已經(jīng)可以實現(xiàn)設(shè)計的協(xié)作，雖然在設(shè)計管理[2]和信息技術(shù)方面還有提升和優(yōu)化的空間。但后續(xù)的施工階段，乃至運營階段，尤其在管理中應(yīng)用BIM，還是有不少的困難，或者說是有其特定的需求尚未得到滿足，妨礙著BIM的應(yīng)用?？偟膩砜?，是建筑行業(yè)本身的復(fù)雜性造成的，比如不同的項目情況有各種差異，周期長、不可預(yù)見問題多，工作界限不恒定，分工時有變化，有些環(huán)節(jié)要權(quán)宜處理等； 而相比的工廠生產(chǎn)線生產(chǎn)，則其步驟、環(huán)節(jié)、要求、標(biāo)準等會相當(dāng)清晰和一致。進一步分析BIM，可以梳理出以下幾方面的問題或需求：

(1)管理工作總是充滿調(diào)整、變化，建筑行業(yè)尤甚，因此管理信息系統(tǒng)很多功能被設(shè)計成可配置式的，以適應(yīng)調(diào)整變化； 為降低發(fā)布調(diào)試的復(fù)雜度，通常還會采用Browser/Server的架構(gòu)。當(dāng)前BIM的圖形桌面端“重型”應(yīng)用難以適應(yīng)，即便可二次開發(fā)也會嚴重依賴原平臺而遷移不易，如BIM-QR[3]。

(2)管理要把各種細節(jié)信息組織成為有機的整體，才能有效地工作。因此管理信息需要與模型的分部、分項、構(gòu)件乃至零件等細部建立相互關(guān)系，并令之隨管理信息變動而有序變化。而管理信息自身又有復(fù)雜的相互關(guān)系和結(jié)構(gòu)特點，因而不適合將管理信息分散存儲到模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去，只適合將管理信息與模型及其各細部作信息的關(guān)聯(lián)，而后根據(jù)管理需要交互聯(lián)動。

(3)建筑工程大多是特例，不是批量標(biāo)準產(chǎn)品，沒有技術(shù)凍結(jié)概念[4]，進入施工后還會根據(jù)實際情況作調(diào)整修改，因此模型在施工過程中還會有版本迭代，并動態(tài)地與管理信息匹配關(guān)聯(lián)。另外模型版本迭代的頻次通常遠小于管理信息的變化，適合把模型緩存在客戶端，只在版本迭代時作局部更新，減少模型顯示操作時的數(shù)據(jù)通信，提高操作響應(yīng)性能。

(4)實際管理中，大都是對局部信息的操作，相應(yīng)的BIM只需要作局部的顯示聯(lián)動，因此很適合采用局部策略做輕量化[4]，其它如遮擋剔除和視域剔除[5]等可同時應(yīng)用，不過模型顯示的時候，需要用合適的方式，體現(xiàn)出該局部與整體的關(guān)系，以方便用戶理解。

(5)第一線的管理，考慮運作便利，會引入各種操作終端設(shè)備：掃描槍、手持機、平板電腦、觸摸屏機等，有Windows、Android等多種操作系統(tǒng)平臺，還有些設(shè)備硬件資源有限、性能弱。這些因素要求BIM須有足夠的可移植性和可輕量化的潛能。

當(dāng)前在BIM系統(tǒng)研究中出現(xiàn)了兩點新的技術(shù)趨勢：其一是JSON格式運用，由于JSON格式在云計算中的廣泛應(yīng)用和高效性能[6]，BuildingSMART以及有關(guān)團隊正在醞釀IFCJSON標(biāo)準[7-10]。其二是數(shù)據(jù)庫運用，以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)存儲和管理BIM模型，來展開BIM的應(yīng)用工作?；跀?shù)據(jù)庫的BIM同樣可以遵循IFC的標(biāo)準[11-15]，同時IFC的格式文本作為序列化的模型信息，在數(shù)據(jù)的備份、傳遞、協(xié)同等方面發(fā)揮關(guān)鍵的橋梁作用。實現(xiàn)了這樣功能的應(yīng)用服務(wù)程序被定義為IFC模型服務(wù)器(IFC model server)[16]，目前較為成熟的有：IMSvr、EMS、BIMServer等等。

圖2 層次型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對比

本文在JSON格式文本和層次型數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)想更為合理、有效的模型服務(wù)器及其運用方法，并進行了開發(fā)實踐，以期覓得更為輕量、便捷、實用的BIM應(yīng)用技術(shù)路線。

1 技術(shù)構(gòu)想

針對上述問題和需求，總的構(gòu)想是將BIM的部分摘離出來，包括服務(wù)端程序和客戶端程序，構(gòu)建獨立運作的可嵌入其它程序(比如OA)共同工作的程序，其機制類似于微信公眾號，當(dāng)然也可獨立工作(比如更新或查看模型)，不妨稱之為BIM引擎(BIM Engine)。BIM引擎只負責(zé)BIM部分的功能，包括服務(wù)端模型的存取、計算、以及版本迭代等等，以及客戶端對模型的操控，比如：旋轉(zhuǎn)、選取、消隱、變色等等，這部分功能相對獨立穩(wěn)定，受管理功能變化的影響小，當(dāng)不夠滿足管理功能需要時，可以擴充BIM引擎功能，升級BIM引擎版本。BIM引擎及服務(wù)的軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中中心虛線的左側(cè)是BIM引擎，右側(cè)是其服務(wù)的軟件系統(tǒng)，上部是各自的服務(wù)端軟件部分，下部是各自的客戶端軟件部分。

圖1 BIM引擎與其服務(wù)之軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

BIM引擎主要由以下幾部分組成：

(1)BIM引擎服務(wù)端數(shù)據(jù)庫，考慮到模型數(shù)據(jù)和與管理配合數(shù)據(jù)的存儲及操作，數(shù)據(jù)庫選用了兼容層次型、對像型和關(guān)系型SQL的IRIS數(shù)據(jù)庫。層次型的數(shù)據(jù)存儲適用于模型數(shù)據(jù)，如圖2所示； 關(guān)系型SQL的數(shù)據(jù)存儲適用于與管理配合數(shù)據(jù)，便于采用SQL檢索和查找，比如圖3與管理配合的構(gòu)件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中用componentId指向了圖2中模型數(shù)據(jù)，并列出多項重要字段用于查詢。與管理配合數(shù)據(jù)和其服務(wù)的軟件系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)需要關(guān)聯(lián)查詢，因此管理數(shù)據(jù)也被配置在IRIS數(shù)據(jù)庫中。

若條件不允許，管理數(shù)據(jù)需要配置在另外的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，則與管理配合的數(shù)據(jù)應(yīng)跟隨被配置在另外的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，模型數(shù)據(jù)可配置在IRIS或其它NoSQL數(shù)據(jù)庫中，如MongoDB、HBase[13-14]等，只是這樣分開存儲、管理、查詢會損失模型操作效率和系統(tǒng)整體性能。

圖3 與管理配合的構(gòu)件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(2)BIM引擎服務(wù)端的功能與IFC模型服務(wù)器類似，根據(jù)需要將模型分解為分部、分項、構(gòu)件乃至零件等細部保存在數(shù)據(jù)庫中，并實現(xiàn)模型的增、刪、改、查詢、版本迭代、及特定的操作組合等。其中版本迭代采用分層次版本迭代的方式[4]，簡單說就是整體版本由局部版本組合而得，因此版本更新時只需要更新有新版本的局部即可； 特定的操作組合有很多種，比如分解模型到最基礎(chǔ)的原材料作材料用量統(tǒng)計，還有根據(jù)進度各時間段來統(tǒng)計已完成內(nèi)容的模型等。

(3)BIM引擎中實現(xiàn)模型的操控功能，主要是客戶端用的嵌入式頁面，頁面內(nèi)模型可翻轉(zhuǎn)、漫游、選擇、過濾、以及模型版本更新等等。這些在BIM引擎服務(wù)端被封裝進API內(nèi)，供其服務(wù)的軟件系統(tǒng)(通常是可配置或二次開發(fā)的施工管理或OA系統(tǒng))訪問調(diào)用，BIM引擎自身獨立的客戶端也通過調(diào)用此API實現(xiàn)功能。

圖4 多閉包JSON

(4)BIM引擎獨立客戶端采用桌面和頁面混合的模式，也就是在桌面客戶端里嵌入瀏覽器，桌面客戶端在后臺實現(xiàn)一些瀏覽器沒有的功能供瀏覽器調(diào)用，瀏覽器訪問API從服務(wù)端獲得嵌入式頁面，嵌入式頁面采用WebGL技術(shù)顯示模型、及操控模型，模型的顯示與操控主要采用局部策略來輕量化[4]。

具體的輕量化做法是將所需版本的完整模型，保存在本地的數(shù)據(jù)庫IndexedDB里，只把工作中用到的模型部分加載入內(nèi)存，顯示與操控，其它部分不加載入內(nèi)存，或只加載顯示粗略的外形(低精細度LOD)，因此即便是大模型也可在較少硬件資源的設(shè)備上顯示操控。同時IndexedDB內(nèi)模型有版本信息，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯的需要來決定，是否從服務(wù)器獲取模型新版本作更新，大多數(shù)情況下模型無需更新，因此一般的頁面切換不需要傳輸大量的模型數(shù)據(jù)，提高了響應(yīng)性能。

另被BIM引擎服務(wù)的軟件系統(tǒng)，其客戶端也轉(zhuǎn)用桌面和頁面混合的模式，還可很方便地擴展到其它的平臺，如：Android、iOS或某些定制的終端等。

(5)采用JSON格式傳遞模型數(shù)據(jù)，包括服務(wù)端客戶端之間HTTP協(xié)議通信中的數(shù)據(jù)流，或上傳下載的類IFC文件。JSON格式數(shù)據(jù)體量小、緊湊，JavaScript對其轉(zhuǎn)換快、效率高，尤為適合頁面使用。但有個缺點，需要把整個閉包對象加載到內(nèi)存，才能解析轉(zhuǎn)換，目前整個閉包通常是一個文件或一個響應(yīng)流，內(nèi)存負荷較大。

考慮到在較少硬件資源的設(shè)備上顯示操控，也采用局部策略，將一個文件或一個響應(yīng)流的大閉包，拆分成每行一個小閉包，第一行是總的閉包，后面是分閉包(需要時還可多級再拆分)，見圖4。解析程序讀一行，解析一行，緩存進數(shù)據(jù)庫一行，大大降低了內(nèi)存負荷。

綜上，本構(gòu)想的優(yōu)勢來自于將BIM部分剝離，獨立存在，專注于BIM的功能，減少了易變化的管理功能對其的干擾。再通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)、JSON格式、輕量化策略等提高了BIM性能，尤其是低配置硬件上的運行性能，有較為廣泛的嵌入和移植空間。當(dāng)與管理系統(tǒng)嵌入融合后，模型與管理信息交聯(lián)互動，直觀明了，大大降低了用戶的專業(yè)要求，不必具備高深的專業(yè)想象能力，去補充文字和二維圖紙難以表達的細節(jié)[4]。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實踐

根據(jù)以上構(gòu)想的技術(shù)路線，開發(fā)BIM引擎，配合某公司的裝配式施工管理系統(tǒng)、OA流程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)基于BIM的模塊化建造信息系統(tǒng)。

裝配式施工管理系統(tǒng)有三個主要功能模塊：材料成本管理、進度計劃追蹤和質(zhì)量檢查控制。材料成本管理模塊訪問BIM引擎服務(wù)端，調(diào)取模型最基礎(chǔ)的原材料用量統(tǒng)計，以此為基礎(chǔ)控制采購的節(jié)奏； 進度計劃追蹤模塊調(diào)取模型交互的嵌入式頁面，與構(gòu)件列表一同顯示，交互操作，共同編排批次，如圖5是構(gòu)件批次編排； 質(zhì)量檢查控制模塊中的任務(wù)安排與進度計劃追蹤模塊中的批次編排類似，但質(zhì)檢審批部分涉及流程管理，做法上有所不同。

圖5 構(gòu)件批次編排

OA流程管理是管理中最易變化的部分，套用現(xiàn)有成熟的流程引擎來管理，同時引用BIM引擎的模型嵌入式頁面，將質(zhì)檢部分著重顯示，方便用戶的理解和操作。比如圖6(a)質(zhì)量檢查OA審批中，按[查看]按鈕獲得圖6(b)質(zhì)量檢查OA審批詳細，查看嵌入的模型和相關(guān)的質(zhì)檢數(shù)據(jù)。

從圖5和圖6(b)中，也可看出只有模型和管理信息有機結(jié)合、關(guān)聯(lián)互動才能方便用戶理解和操作。

當(dāng)服務(wù)器端的模型有版本更新時，會提醒客戶端及時更新模型，見圖7模型更新提示。更新時，獲取JSON格式的類IFC數(shù)據(jù)流，內(nèi)含按版本控制需要更新的模型部分。更新后，刪去的構(gòu)件會在關(guān)聯(lián)管理信息中自動刪去，修改的構(gòu)件關(guān)聯(lián)管理信息不變，增加的構(gòu)件需要用戶去手動關(guān)聯(lián)管理信息。

從圖5中，還可明顯看到模型已作輕量化處理，只顯示用到的部分的模型； 圖6(b)中，梁柱都作了簡化顯示，突出顯示節(jié)點細節(jié)。因此圖8移動端模型可在手持式小型移動設(shè)備上輕松地顯示、操控。

(a)

(b)圖6 質(zhì)量檢查OA審批

圖7 模型更新提示

圖8 移動端模型

3 結(jié)論與展望

本文在IFC模型服務(wù)器的基礎(chǔ)上，引入了存儲模型的層次型數(shù)據(jù)庫、桌面和頁面混用的客戶端模式、本地數(shù)據(jù)庫IndexedDB、分行閉包的JSON格式文件等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了可嵌入使用的BIM引擎，并實踐了與已有或另開發(fā)的管理系統(tǒng)結(jié)合使用的技術(shù)路線，能較好地解決目前BIM信息系統(tǒng)的常見問題。將來經(jīng)過更多的工程使用實踐，逐步優(yōu)化改進，有望走向成熟，成為有效、實用的BIM信息系統(tǒng)。