随着我国经济的发展与城镇化进程加快, 作为国民经济支柱产业之一的建筑行业一直保持着良好的发展势头, 同时, BIM、云技术、移动通讯等信息化技术的兴起也对传统工程建设方式带来了翻天覆地的变化, 支撑了整个行业的飞速发展。2016年8月, 住建部颁布《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》, 提出“十三五”期间要全面提高建筑业信息化水平, 着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术的集成应用能力, 施工企业可采用私有云、公有云或混合云等方式加强信息化基础设施建设^[1]。在建筑行业信息化转型升级的驱动下, BIM技术的应用逐步向全阶段、集成化、多角度、协同化、普及化的方向发展, 但在BIM技术应用推广过程中, 建筑企业普遍面临着高昂的BIM软硬件采购、维护成本问题, 加之BIM技术目前的发展程度难以确保对项目带来预期的效益, 诸多因素制约了BIM技术的进一步应用发展。发挥“云”的技术优势、降低BIM技术推广应用成本、切实提高工程建造管理水平、为企业发展提供数据和知识沉淀是亟待解决的问题。

BIM (building information modeling) 是以三维数字化技术为基础的新兴技术, 是建筑设施几何信息和物理信息的数字化表达, 也是建筑物全生命周期内产生和利用建筑数据的业务过程, 并可利用数字化所表达的信息实现信息共享的业务流程与控制^[2]。相较于CAD技术, BIM模型通过三维可视化的方式表达建筑, 集成了建筑设施包括几何尺寸、材料、施工过程等在内的工程信息, 并通过模型相互关联, 可自动检测模型构件的碰撞与错误, 进行各类模拟仿真和优化分析, 包含的信息更为丰富;同时, BIM技术提供了项目各参与方信息共享的协同平台, 减少建设过程中不同阶段间存在的“信息孤岛”, 提高了建设过程中进度、质量、安全、成本的管理水平。

云技术是一种由互联网发展而来的计算方式, 主要利用互联网强大的计算与存储功能, 将虚拟化的计算机资源通过网络提供给用户, 云技术的应用主要分为3种模式^[3]:①公有云 由专业云服务商提供公共服务, 根据用户申请分配相应的计算机资源, 并收取相应的费用。公有云运算能力较强, 由于硬件设施及软件平台由云服务供应商负责开发与管理, 减少了设施建设前期的投入, 较适用于中小型企业或计算复杂的非核心数据处理。②私有云 由企业在自身局域网范围内搭建云计算环境, 针对自身数据管理或计算需要面向内部员工提供的云服务。企业拥有私有云环境的自主管理权, 可结合个性化需求对云设施进行设置, 确保数据安全性, 还可积累所需的数据资源, 但要求有较大的前期投入, 并由专业的运营维护人员进行管理;一般用于大型企业及银行、证券、政府机关等安全级别较高的部门。③混合云 混合云是公有云与私有云技术的融合, 一般来说, 出于数据安全考虑, 企业更愿意将数据存放在私有云中, 但是同时又希望可以获得公有云强大的计算资源, 因此, 混合云应运而生, 其将公有云和私有云进行混合和匹配, 在经济性的同时兼顾了安全性。混合云将私有云的安全性与公有云开放性、强大计算功能相结合, 突破了私有云的硬件限制。利用公有云的可扩展性, 可以随时获取更高的计算能力, 是近年来云计算的主要模式和发展方向。企业可将内部核心数据保存在本地云端, 把非机密功能移动到公有云处理, 降低对私有云的压力和需求。

桌面云的构建依托于桌面虚拟化技术, 通过终端设备访问云端的应用程序或整个虚拟桌面。桌面云系统使用的桌面交付协议是一种专用的数据交换方式, 通过对传输数据的压缩、加密和连接优化确保数据传输过程中的高效、安全、可靠。通过远程桌面交付协议, 系统将用户访问终端的鼠标、键盘、触摸智能设备等指令发送到后台的虚拟桌面, 同时, 将运行在服务器上的桌面影像打包后传送到相应的终端进行呈现, 完成终端与后台的操作交互。在该环境中, 用户的操作系统、应用程序及数据均在后台服务器上运行, 终端只负责连接, 输入和显示信息, 对于硬件的要求较低^[4]。

桌面云的部署减少了软硬件的采购成本, 使用方式也更灵活, 由云端作为强大后台, 提高了系统整体的容灾能力, 当数据被入侵、损坏或系统崩溃时, 能快速处理和恢复;同时, 该类轻量化系统能耗较低, 改善了应用环境;由于大部分数据在数据中心进行处理, 可以统一配置、管理、维护、备份、更新客户端, 减少了“信息孤岛”, 提升系统易用性、简便性, 降低维护成本。

信息化技术飞速发展, 软硬件更新周期越来越短, 而企业BIM技术方面的投资多集中在初期, 对后续的整体实施影响较大。在硬件部署设计时, 要充分结合整体的信息化发展规划, 同时考虑后期的设施扩充与更新需要。目前常见的BIM硬件部署有以下几种模式。

单机模式是CAD时代最为常见的传统工作方式, 引进BIM技术后, 每个BIM技术人员配备一个图形工作站, 并安装相应的 BIM 软件, 在本地进行BIM建模与应用, BIM 模型数据也保存在本地计算机, 当有需要时, 利用网络进行传输。该种方式要求配置大量高性能计算机, 给企业带来了较大的成本压力;同时, 分散式的工作方式不利于BIM协调, 数据管理难度大。

该种模式下, 在个人终端计算机上直接运行BIM软件, 完成当前任务后, 通过网络将BIM模型集中存储在服务器中, 由服务器统一存放和管理, 实现基于BIM模型的数据共享与协同工作, 该种架构方式技术相对成熟, 可控性强, 能迅速完成部署, 成本也相对较低, 是目前BIM应用的主流硬件架构。该种架构可以满足BIM协同和数据管理要求, 但是, 对硬件资源分配相对固定, 不利于实现资源的动态配置和充分利用, 硬件资源利用率不高^[5]。

将BIM应用所需要的图形工作站、高性能计算资源、高性能存储以及BIM软件统一部署在云端, BIM数据模型和应用、分析的结果数据也由云端产生。该种模式终端设备无须安装专业的BIM软件, 对硬件要求较低, 只需1台普通的计算机通过网络连接到云平台, 就可进行BIM相关建模与应用。该种方式能充分整合原有计算资源, 降低新的硬件资源投入, 节约资金, 减少浪费。受网络传输、图形处理等关键技术影响, 该种模式目前还未发现公有云、混合云成功部署的案例, 部分研究在私有云上进行尝试, 但系统的三维图形处理能力还难以满足实际生产要求^[6]。

工程建设企业BIM应用实践表明, 传统硬件部署模式存在成本高、管理复杂、资源利用率低、数据安全性差等问题。利用现有信息化软硬件技术优势, 在满足BIM协同需求的同时克服传统技术方法的缺点, 为BIM的顺利应用提供更好的保障。针对上述分析, 系统应满足以下基本需求。

可安装并运行主要的BIM软件系统, 可在局域网或广域网范围内进行BIM项目协同;支持项目资料审核、归档等业务流程, 可多专业在线同时操作;系统可靠性满足要求, 局部终端故障不影响系统的整体运行。

通过集中存储方式实现项目资料的集中式、标准化管理。根据工程资料分类归档标准建立标准化资料存储目录, 可在相应授权下调用、查看, 项目完工后进行归档, 形成企业数据资源。

系统足够轻便、灵活, 占地面积小, 考虑采用瘦终端模式。可根据实际需要, 动态分配计算资源, 计算机资源总体利用率不低于本地运算、集中存储模式, 总体成本不高于同等规模单机作业模式下硬件成本总和。

不同人员分配唯一账号, 依据账号实现用户认证、授权, 并可控制不同账号对不同资料、不同软件的访问权限。

在确保满足基本应用要求的前提下, 提高核心数据存储和操作过程的安全性, 具有一定灾备能力。

结合对系统的需求和功能分析, 建立基于虚拟化BIM云系统逻辑架构, 整个系统由4个逻辑功能块组成, 如图1所示。

1) 操作系统层 操作系统层用于系统软硬件的交互管理, 构建实时多用户环境以及用户登录认证、授权等。经过比选测试, 选用当前常用的Windows Server系列操作系统, 并利用其提供的Windows Domain模块实现多终端、多用户环境的用户管理、认证及授权。

2) 远程桌面服务层 本层在操作系统之上实现桌面远程传输, 将部分应用或整个服务器的操作界面进行虚拟化并发送给相应的终端进行显示。当系统具有多台服务器时, 可在多台服务器之间实现基于桌面对话级别的负载均衡。多个终端同时使用本系统时, 可以根据硬件环境不同通过管理端将所有终端连接按服务器运算能力自动分配到不同的物理服务器, 使高性能硬件承担更多比率的用户, 合理利用系统资源。

3) 远程应用服务层 本层是远程桌面服务层的功能拓展, 主要将所需应用的操作界面 (如Revit界面) 发布到终端。利用远程应用服务层, 通过云端建立服务器上不同应用与终端间的联系, 并在终端设备存储相应程序的访问路径。通过该路径, 利用远程桌面实现终端与应用程序的交互。通过远程应用服务层, 还可控制应用授权, 进行应用资源分配。

4) 应用程序层 应用程序层是通过云系统使用的软件集合, 如CAD, BIM建模和应用软件以及文档处理软件。程序安装完成后, 经过一定的配置通过远程应用进行发布, 提供应用的桌面图标及相应的服务器地址, 终端可通过图标调用相应的软件服务。在安装软件时, 应注意软件对网络传输协议、图形驱动的要求, 同时硬件架构的设计也应充分考虑所需支持的应用软件, 提高相互间的兼容性。

系统典型物理架构如图2, 3所示, 局域网范围系统一般由计算服务器、管理服务器、存储设备、网络设施、终端设备组成。

1) 计算服务器 BIM软件安装在计算服务器上, 其承担了主要的图形处理及数据计算任务, 对图卡和CPU的要求较高。考虑多用户并发操作要求, 应适当增加服务器处理器内核、主频及内存, 并选用专业级的图卡。计算服务器一般可按专业BIM工作站的要求配置, 但也要兼顾主要BIM软件对硬件的需求, 如Revit工作为单线程, 运行效率主要取决于CPU的单核能力, 因此可选用高主频处理器, 而适当降低对内核数目的要求。在图卡选择上, 大多数BIM软件均支持OpenGL架构, 而有的图形内核基于DirectX搭建, 同时也兼容OpenGL架构, 少部分则完全不支持OpenGL架构 (如Lumion) 。在设备选型时, 应综合考虑相关因素。

2) 管理服务器 管理服务器主要负责计算机及网络资源的监测、管理及分配, 因此对硬件的要求相对较低, 可选用普通的单核CPU, 内存16GB以上即可满足要求。一般对企业原有的机房服务器升级即可。

3) 存储设备 存储设备用于BIM模型、图纸、文档等资料的存储, 对数据交换速度要求较高, 应选用高转速、数据交换效率高的存储盘。存储容量一般按用户数量进行配置, 考虑到系统的可扩展性, 可采用磁盘阵列形式。一般配置一定容量的固体硬盘 (SSD) , 满足核心系统、主要软件的安装要求。对于数据安全性要求较高的情况, 还需配置一定的灾备存储, 如采用N+1冗余的硬盘形式。

4) 网络设施 网络设施提供数据交互的通道, 一般局域网主干线按全千兆进行配置, 支线20M即可满足使用要求, 为保证与外部网络数据交互时的安全, 应在局域网内配置与外网隔离的防火墙。

5) 终端设备 终端设备是用户与系统交互的接口, 用户通过终端的鼠标、键盘将软件操作指令传输至服务器, 由云端按指令完成数据运算与图形处理后, 将软件界面以虚拟桌面形式实时反馈至终端进行显示, 与本地操作体验基本无差别。由于大量数据处理工作由服务器完成, 因此终端设备对硬件的要求较低, 可采用轻量化桌面终端或低配置PC机, 也可利用企业原有计算机稍加升级即可, 降低设备采购成本。轻量化云瘦身终端如图4所示。

BIM桌面云系统核心设备的配置需考虑终端节点数、BIM软件应用需求以及经济适用性等因素。

本系统是一种轻量化的BIM系统模式, 通过对计算资源的高效整合分配、数据资源的集中管理、轻量化的数据传输, 在满足BIM协同应用要求的基础上提高了软硬件资源应用水平, 具有较好的经济效益。

该系统软硬件资源集中在数据中心, 并按需要进行计算机资源动态分配, 轻量化终端设备价格远低于高性能计算机, 可节约30%以上的软硬件购置成本;系统的维护工作主要集中在服务器, 降低了维护管理难度。此外, 轻量化终端能耗低、发热少, 硬件寿命较高, 进一步减少了能耗及硬件更新的费用。低热、低噪音改善了应用环境。

该系统为使用户共享云端计算机资源, 由系统按需自动分配给相应终端, 工作完成后相关资源可释放再利用。此外, 云端具有强大的数据处理功能, 可快速完成复杂的模拟仿真、数据处理、图形渲染工作, 通过资源的整合再配置确保BIM终端可得到高效的服务, 减少计算资源闲置、浪费。

该系统将项目资料按一定的管理流程、存档规则进行服务器集中存储, 避免在终端分散存放, 便于项目资料集中有效管理, 为形成企业核心数据资源和大数据应用提供基础。

系统将数据存放在自主管理的云服务器中, 桌面终端仅作显示用, 无实质性的数据操作, 安全性高;此外, 系统受到企业防火墙保护, 加上一定的灾备措施, 可对数据损坏、入侵等情况进行快速处理、恢复。

系统服务器和存储均由模块组成, 具有较强的拓展性, 可灵活进行增加或删除, 满足应用和终端增长的需要。

BIM培训是提升企业员工BIM技术应用能力、促进BIM技术推广应用的重要举措, 工程建设企业对BIM培训具有迫切的需求。教育培训对于场所、空间有较为特殊的要求, 目前大部分企业还未专门针对BIM培训配备相应的软硬件设施, 部分企业通过临时借用工作电脑、搭建培训教室或租借等方式建立临时的培训场所, 软硬件系统搭建过程繁琐, 成本较高, 不具有可持续性。

上海某工程建设集团为满足长期培养各层级BIM技术人才需要, 通过对原有机房的升级、改造建立了轻量化BIM云系统, 进行了包括Revit, Navisworks、广联达BIM5D、达索系统 (Dassault CATIA) 、MagiCAD, BIM基础应用及高级管理等在内的近十余次BIM培训, 培训并考核通过的专业技术管理人员近500人, 为BIM技术推广应用提供了智力基础。

在近期开展的达索系统培训中, 针对BIM云系统的运行流畅性、系统可靠性、资源利用率、易用性、功耗及环境友好性进行了学员问卷调查, 调查结果显示, 系统整体性能良好, 满足大型BIM软件的培训需求。

项目位于上海市嘉定区, 为再生能源利用中心, 项目效果如图5所示。拟设置3条日处理生活垃圾500t的炉排焚烧线, 每条焚烧线年运行8 000h, 日处理生活垃圾量1 500t, 年处理生活垃圾总量50万t。同时, 将垃圾焚烧所生成的热能用于发电, 形成再生能源利用中心。

项目为大型市政设施类工业建筑, 主要存在工业设备复杂、管线排布密集、垃圾处理工艺要求高等特点。项目为上海市BIM应用试点挂牌项目, 要求在项目设计、施工和运维阶段应用BIM技术, BIM应用全过程接受专项检查和考评。项目应用轻量化BIM桌面云系统为平台, 集成众多BIM应用软件, 实现项目多参与方协同工作, 有效解决了项目管理难点, 提高了BIM应用水平。

轻量化桌面云系统集成了项目管理所需软件, 实现了各项BIM技术协同应用, 促使项目资料和应用成果统一管理。基于BIM 5D的项目进度管理如图6所示。

桌面云系统采用了RemoteApp发布构架, 发布了Autodesk Building Design Suite 2014中的AutoCAD, Revit, Navisworks, Inventor, 实现了云发布应用, 高效支持基于OpenGL技术的3D应用。广联达算量软件采用本地安装方式进行部署, 保证了基于DirectX技术的模型远传运行效果。BIM软件运行模式如表1所示。

项目自系统建立以来, 共开设49个账户节点。据高峰时测试, 最高并发人数为37人, 每台应用服务器承载人数为9人, 基本在设计允许的负载范围内, 并未发生无法登录和登录后应用无法打开的状况。对超大模型 (>1G) 和复杂运算 (渲染、模拟仿真等) 的支持效果良好, 能够完全发挥硬件资源能力。BIM云系统为项目BIM应用目标的实现提供了坚实保障, 提升了BIM应用和项目管理水平。

性能良好、经济适用的IT基础设施是BIM实施的重要保障。目前, 常见的BIM软硬件部署模式仍不能较好满足BIM协同性和经济性要求。本文结合BIM技术、云技术的特点, 提出了基于桌面云技术的轻量化BIM云系统, 克服了现有系统模式成本高、资源不集约、管理复杂、数据安全性差等缺点。经过测算, 当终端数量>6个时, 系统经济优势开始显现, 终端数量>11个时, 桌面云系统硬件成本将显著低于单机系统, 节约软硬件成本30%以上。将系统应用于企业BIM技术培训和项目BIM技术应用, 验证了其可靠性, 取得良好的应用效果, 具有较好的推广应用价值。