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云和开放的基于BIM的建筑信息互操作性研究
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摘要
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Open BIM的出现有效地提高了建筑信息的互操作性。 除此之外，在分布式系统和多用户协作的情况下，云技术支持虚拟化和QoA（保证质量）。 基于云和Open BIM，本文提出了云服务模型和基于云的Open BIM建筑信息集成框架，进一步阐述了云部署模式和信息交互过程的架构。 最后，本文以地下轨道交通工程为例，介绍如何部署和实施隧道施工管理平台
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关键词：Open BIM 云 互操作性 隧道建设
- 介绍
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在建筑工程建设（AEC）行业的发展过程中，由于缺乏统一的标准和集成机制来建立信息的互操作性，在建筑物生命的不同阶段不同建筑应用系统之间的信息交换和共享是困难的。 此外，这种现象形成了信息孤岛和断层，阻碍了信息技术在建筑领域的应用，从而影响建筑业的生产效率[1]。随着BIM技术在建筑生命周期的出现，实现了建筑信息的融合和不同阶段之间的共享。BIM提供技术支持来解决由于信息传输不良引起的低效率的问题[2]，随着云技术的成熟，访问基于Web数据的远程技术服务器和应用程序变得更加方便，因此开放数据交换机制和分布制网络架构的组合在ACE行业中提供了有效的技术平台[3]。
- 文献评论
2.1、BIM和开放BIM
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BIM是建筑信息建模的全称。在3D数字技术的基础上，通过一个通用的标准，BIM集成了各种建设项目相关的信息数据模型。 BIM是具有丰富数据，面向对象的智能和参数特性的数字构造表示。 BIM在整个生命周期内向项目涉及的所有各方提供协调的信息。BIM完成分析，可视化，施工图，数量统计等以下建设工作，帮助用户提高效率，降低成本，减少环境影响[4]。在BIM的具体实践中，围绕建筑生命周期的信息交换的潜在价值尚未完全实现。 BIM信息的存储和读取，BIM模型的转换和转换受到许多因素的限制，其中最重要的一个是信息互操作性的实现，即参与者和不同应用系统之间的项目信息的交换和共享。由于建筑信息的巨大数量，复杂类型，广泛的资源和散热的存储等特点，每个子系统和各个项目参与者之间的信息通信和交换的效率和有效性对于成功的关键是至关重要的实施项目。传统的信息交互方式主要通过API（应用程序编程接口），或通过开发特殊的中间文件格式，如DXF，SAT，3Ds等，实现子模型的转换和集成。这两种方法在使用中涵盖了一个常见的问题，兼容性[5]。大多数情况下它只能解决单个软件之间的模型转换，一旦功能或版本更改，转换中间件也需要调整和适应。
为了提高互操作性，提出了通过构建SMART和诸如GRAPHISOFT，Tekla等主要软件供应商组织的开放BIM计划[6]。打开BIM是不依赖于特定软件或格式的数据管理和模型方法。当前主流的开放BIM使用公共产品数据IFC（Industry Foundation Classes）实现信息交互。国际金融公司是由国际合作工会（国际互联互通协会，IAI）发布的BIM数据标准。基于行业STEP标准的经验，IFC是计算机可以处理的结构数据表示和交换标准[7]。国际金融公司的目标是提供一个独立于特定系统并适合于在整个建筑物生命周期中描述产品数据的中立机制，并能有效地支持各种应用系统和相关建筑数据管理之间的数据交换。 IFC标准（IFC Schema）的数据模型结构可以分为四层，包括域层，交互层，核心层和资源层，每层包含一定的信息描述模块，每层只能引用相同的层次，低级信息资源，不能引用高级资源。 IFC标准的资源层主要用于描述模型的基本信息，因此信息是与具体结构无关的一般信息。核心层定义了IFC数据模型的基本框架，并将资源层的信息组织成结构化数据，例如产品实体，过程实体和控制实体。共享层定义多个共享概念和对象，解决不同区域之间的信息交互。域层定义了建设项目的具体概念和信息实体。本文是基于IFC的数据模型结构来完成信息互操作性框架。 IFC提供建筑部件的几何信息和非几何性质，以及部件之间的连接，覆盖建筑物生命周期的各个阶段的所有数据结构。虽然IFC涵盖了建筑生命周期的所有对象，但在实际应用的过程中，IFC不能完全解决建立信息互操作的问题。因为IFC数据模型只给出了建筑的一般数据结构，没有给出具体建筑项目的详细描述。因此，基于用例来定义信息交互需求成为国际金融公司发展的另一个重要方面，即信息交付手册（IDM）[8]。 IDM模块提供了一套基本的构建过程，通过分析用例，信息手册定义了过程中的关键点，形成交换，这有助于建筑设计和信息的建设。
2.2、云服务在ACE
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作为BIM的两个支柱，IFC和IDM只能解决基本的数据存储和转换，并且不同阶段之间的建设项目中的模型转移也需要网络环境的支持，以实现多用户访问和协作交互。基于Web的开放信息模型结构可以有效提高施工信息交互的效率和便利性，实现有效的管理和跨平台的灵活性。云端有助于在整个建筑生命周期内更有效和高效地交换信息[9]。可能的解决方案是通过中央存储库平台绑定异构应用程序，例如在“云”计算中，为不同应用程序创建了一种公开互操作和交换信息的方法。云计算既是通过互联网提供的服务，也是提供这些服务的数据中心的硬件和系统软件。
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基于文献，与开放BIM相关的研究大多数涉及施工调度[10]，传统建筑设计和太阳能光伏模拟[11]，在开放BIM与云技术之间存在差距[12]。 此外，AEC领域对云的研究也处于早期阶段，如建设数据存储[13]，云安全[14]和关键技术[15]。 因此，有必要通过Open BIM来巩固云计算，并研究云部署和架构
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有两类基于云的建筑信息服务提供商。 一个是云提供商，主要提供云的基础设施和基本服务。 另一个是云服务提供商，他们直接为建筑专业领域的各类用户提供服务，以满足他们对特定服务的开发，集成和发布的特殊要求。
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根据建筑行业的特点，有三种类型的云服务部署模式：
1) 软件即服务：窗体顶端
1）软件即服务：云服务提供商使主流软件包在云平台上可用，因此用户可以选择租用软件服务并使用相关的软件服务，方便快捷，只需使用普通计算机和平板电脑等网络设备即可。以Auto Desk360为典型示例。Autodesk360能够帮助用户随时优化设计，可视化，模拟和共享数据和过程。 例如，用户可以通过平台查看和编辑工程设计数据，或共享和查看各种类型的项目文件。 用户可以在不购买大量昂贵的硬件和软件的情况下享受软件服务。
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2）平台即服务：在建筑公司内部使用的不同类型的专业软件中，必须有与云提供商不同的各种类型的应用程序。 遗留软件还可以通过云平台与其他软件集成。 用户可以租用由云提供商或云服务提供商提供的高度集成的应用环境，以创建，测试和部署他们自己的应用软件，以及通过接口实现现有软件和其他软件之间的交互。 这些服务目标以应用为中心的用户可以大大减少或甚至免除平台服务对中间件产品的购买和维护成本。
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3）基础设施即服务：具有一定能力的云提供商可以为一定规模的域云服务提供商或建筑公司提供服务。 这些用户将操作系统，中间件和应用程序放入虚拟机的云和动态弹性云基础架构和平台。
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- 云和开放的基于BIM的建筑信息互操作性框架
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云和开放的基于BIM的建筑信息互操作性框架包括基础设施层、数据层、模型层、交互层和应用层，框架具有和IFC标准相似的层次划分，这表明开放BIM的高度依赖于IFC标准。
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1）基础设施层
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该层主要包括各种物理资源和虚拟资源：私有云，公共云，混合云和社区云。 通过使用虚拟计算技术，虚拟存储技术，硬件设备虚拟技术和状态监控，该层实现虚拟动态匹配和提供。 基础设施层主要由云提供商组成，提供高可靠性，强大的可定制，可扩展的服务，即IaaS服务。
2) 数据层
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该层包含建筑物整个生命周期中的项目信息。 该信息可以分为三类，即基于IFC的建筑信息模型，非结构化数据和信息（例如来自传感器读取的RFID数据，手动输入数据，来自GIS的外部数据或来自音频的媒体数据 和视频）和过程管理控制信息。 这些数据信息存储在分布式网络环境中。 通过虚拟化技术，将大量数据存储在云平台上，并根据用户的需求进行调用和处理。
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3）模型层
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该层主要包括特定业务流程使用的数据模型的组合。建筑信息和信息服务组基于Web服务标准封装，通过使用基于语义的检索功能并通过工作流引擎形成业务流程建模。由于数据层中的各种数据可以通过本体表达，基于语义关系，可以形成检索结果，如数据处理模型，3D建筑设计模型，3D土木工程模型，4D建设计划模型和资源成本信息模型，碰撞检测模型等。使用开放BIM标准，首先，根据具体的业务需求，选择或确定IDM的业务，然后应用子模型提取技术从BIM数据库中提取BIM模型，然后导出到IFC文件并提供相关应用程序系统的使用。应用系统使用导入的IFC文件实现工程信息共享，然后完成相关业务流程，添加新项目信息，然后将新信息和原始信息导出到IFC文件。最后，将新的IFC导出文件集成到BIM数据库中。基于数据层和模型层，用户根据需求部署和配置其软件运行环境。云服务提供商在开发和运行环境中开发不同的应用服务，BIM程序接口，BIM服务或其他辅助功能，即PaaS服务。
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- 服务层
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该层主要包括各种异构应用和软件，如BIM设计，构建模拟，成本控制，碰撞检测等。软件与用户客户信息之间的交互可以基于RDF / OWL语言 描述。 使用XML进行数据转换，用户发送服务请求，然后等待接收服务器信息反馈，而不必下载完整的IFC数据文件，大大提高了信息交互的响应速度。 XML Schema由于其复杂性，非专业用户必须编写许多无效文件，而Web服务可以有效地解决这些问题。 云有助于在整个建筑生命周期中更有效和高效地交换信息。 此云BIM中间件将用于通过使用SOA和插件/开放API创建和修改新数据。
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5）应用层
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该层包括功能项目参与者和项目的执行。 基于云平台，建筑生命周期每个阶段的利益相关者将使用不同的终端设备，如工作站，笔记本电脑，平板电脑，手机或传感器等，这些设备将访问中心不同的基于Web的应用程序 的云。 这些基于BIM开发的应用包括建筑设计，施工操作管理和其他专业建筑应用。 此外，它还包含基于本体的Web信息检索应用程序和移动设备应用程序。 用户可以根据自己的需求从云服务提供商租用云服务，并根据服务类型和时间（即SaaS）付费。
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4、云部署和信息互操作过程
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4.1、混合云部署
本文将采用混合云方法来部署该架构。该想法如下：公共云和私有云通过防火墙隔离。公共云存储与建设项目和各方公共数据相关的基本模型库，它们将通过转型形成域本体库。除了公共云中的交互式数据之外，还包含云服务提供商提供的各种应用。建筑项目单个参与者（通过私有云，内部交互）或多个参与者（通过公共云，多交互）可以检索和处理这些应用程序和数据。参与者将基于他们的业务需求通过语义分析自动实现基于过程的服务的提取和组合，这不仅可以提高数据检索和架构模型使用的效率，还可以确保实时透明度公共数据以及私人流程的安全和保障。本解决方案将企业内网的私有云与外网的公有云结合起来，解决了建设信息交换的问题，可以说是混合云的应用。
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4.2、 云和开放的基于BIM的建筑信息互操作过程
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信息交互过程涉及多个阶段，如项目规划，设计，建设，运营等，每个阶段在项目的不同过程中构建BIM子模型。 然后不同的参与者根据具体的业务需求实现数据提取，扩展和集成。 因此，BIM子模型不断地开发和发展，以便服务于不同的应用子系统。 基于具体业务，首先，项目参与者根据业务使用计算机或其他移动设备的具体需求连接到Internet并访问云平台中的相关应用程序。 根据具体应用，确定是否调用私有云上的内部数据。 如果需要，然后授权访问相关的内部数据库。 如果不需要，请在阴天平台上指定业务需求。 在下一步中，确定指定的业务是否具有IDM流程规范，并根据业务需求建立IDM标准。 然后，根据IDM规范，从BIM数据库中提取BIM模型。 如果没有建立业务模型，则需要根据IDM流程规范导入IFC文件进行流程建模，然后将子模型集成到BIM数据库中。
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