張 昆

(中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

基于BIM應(yīng)用的軟件集成研究

張 昆

(中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

本文從建筑軟件開發(fā)的角度對BIM軟件的集成方案進(jìn)行初步研究。從接口集成和系統(tǒng)集成兩大方面總結(jié)了BIM軟件集成所要面臨的問題，為國內(nèi)BIM軟件開發(fā)提供借鑒。

建筑軟件;BIM;軟件集成

1 引言

我國的建筑軟件業(yè)發(fā)展起源于20世紀(jì)70年代，從那時起計算機(jī)在我國建筑業(yè)中的應(yīng)用得到較大的發(fā)展，從結(jié)構(gòu)計算和分析發(fā)展到建筑物理、暖通空調(diào)、地基基礎(chǔ)、勘察測量等多個方面。1983年，國家8個部委發(fā)起35個單位成立聯(lián)合研制組，著手研制“建筑工程設(shè)計軟件包”;1989年，由華遠(yuǎn)公司開發(fā)的我國第一套擁有自主版權(quán) CAAD系統(tǒng)——HOUSE系統(tǒng)問世［1］。歷經(jīng)6個“五年計劃”，解決CAE、CAD以及計算機(jī)輔助管理的問題。迄今，我國建筑軟件業(yè)已經(jīng)發(fā)展了近30年，在工程建設(shè)的不同階段中都能看到各種應(yīng)用軟件，小到桌面級別的建筑查詢工具，大到項目企業(yè)級別的信息化系統(tǒng)。以工程建設(shè)應(yīng)用軟件為主導(dǎo)業(yè)務(wù)的知名企業(yè)也隨之涌現(xiàn)。

目前，國家對BIM密切關(guān)注，相關(guān)政策陸續(xù)出臺，“十一五”計劃中把“建筑業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”作為國家科技支撐計劃重點(diǎn)項目，重點(diǎn)支持建筑業(yè)信息化中的標(biāo)準(zhǔn)體系、全生命周期的建筑信息模型(BIM)、協(xié)同設(shè)計與管理、建筑工程設(shè)計與施工的協(xié)同工作和信息共享、項目過程管理、集約化管理以及系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)的研究，被建設(shè)部認(rèn)可為“建筑信息化的最佳解決方案”。清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM標(biāo)準(zhǔn)研究課題組在歐特克中國研究院的支持下于2009年3月正式啟動，用兩年時間完成中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)(CBIMS)的研究。

BIM軟件工具在實(shí)現(xiàn)BIM的環(huán)節(jié)中起著紐帶作用。BIM軟件涉及面很廣，在整個建筑周期都可以見到BIM軟件的影子，如圖1所示［2］。

圖 1［2］

圖1顯示在BIM過程中人們所需的BIM軟件種類，如果單一拿出某種類別來說，國內(nèi)尚能找到相應(yīng)的軟件產(chǎn)品，但從建筑信息的互通互用上來說，會有不少軟件產(chǎn)品被阻擋在BIM軟件工具之外。

無論從國家政策還是行業(yè)背景來看，BIM將成為建筑行業(yè)的一次變革，不亞于當(dāng)年CAD甩圖板之變革，并有可能超越。BIM軟件產(chǎn)業(yè)將成為建筑軟件業(yè)發(fā)展的又一經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

如何從軟件開發(fā)的角度參與到BIM中?如何利用原有的軟件產(chǎn)品資源來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的BIM技術(shù)?如何最大程度地利用軟件工具來實(shí)現(xiàn)BIM?這些都成為國內(nèi)建筑軟件廠商較為關(guān)注的問題。

2 BIM軟件

BIM軟件是BIM理論實(shí)例化的必備條件之一，BIM技術(shù)將使用BIM軟件來進(jìn)行支持與實(shí)現(xiàn)，因此BIM軟件在BIM理論中起著承上啟下的作用。

首先，BIM軟件要解決的是實(shí)現(xiàn)對BIM中information(信息)的傳遞性，如果對信息不存在傳遞作用，這個軟件基本可以排除在BIM之外。

其次，BIM軟件要以BIM理論為基礎(chǔ)，用軟件的方式體現(xiàn)BIM中建筑相關(guān)信息的定義、利用與管理，否則軟件從實(shí)質(zhì)意義上來說是脫離BIM體制的。所有軟件都是擁有以實(shí)際需求為目的開發(fā)出來的各種功能，除去常規(guī)意義上的打開保存等，建筑軟件基本上都存在處理建筑相關(guān)信息的功能，例如填寫建筑相關(guān)數(shù)據(jù)、制作相關(guān)建筑圖形、提取相關(guān)數(shù)據(jù)、計算相關(guān)價格等，這些實(shí)現(xiàn)的過程就是在對建筑相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和利用，已成型的建筑軟件也都具有處理建筑數(shù)據(jù)的功能。

3 軟件集成方案

基于BIM目的的軟件集成方案可以分為兩大類，一種是對于不同軟件模塊或者系統(tǒng)(可以是同一公司產(chǎn)品也可為不同公司產(chǎn)品)進(jìn)行接口集成達(dá)到某種建筑信息的傳遞(下稱接口集成)，初級的做到單向的信息傳遞交流，高級的做到互相的信息傳遞交流;另外一種為實(shí)現(xiàn)某一個BIM信息系統(tǒng)將原為多個獨(dú)立軟件的集成(下稱系統(tǒng)集成)，初級可也做到單一實(shí)現(xiàn)目的的集成，高級的做到可擴(kuò)展性極強(qiáng)的平臺集成，以不同的目的需求取舍相關(guān)功能系統(tǒng)。

3.1 接口集成

這里說的接口集成是指軟件本身的狹義“接口”集成，也就是通常軟件開發(fā)中常要提及的APIApplication programming interface(應(yīng)用程序編程接口)。某一BIM軟件的未來其實(shí)在很大程度上要指望其軟件接口的前景如何。但在中國軟件業(yè)，開發(fā)人員在軟件架構(gòu)之初只是遵循為軟件的最終使用者(用戶)來設(shè)計軟件，但是對于如何實(shí)現(xiàn)合理的軟件API卻只為少數(shù)人所重視，這也是中國建筑軟件業(yè)所要面臨及需要解決的問題。目前，國內(nèi)基于不同建筑領(lǐng)域與層面的軟件都已基本成型，小到三五百元的建筑資料軟件，大到幾萬元的設(shè)計計算軟件，更大的到百萬甚至是千萬級別的應(yīng)用集成信息化系統(tǒng)。多家軟件公司多個建筑軟件分支共同為建筑軟件使用者提供服務(wù)，多個軟件需要互相之間的數(shù)據(jù)傳遞，提供合理的API來進(jìn)行相關(guān)集成將是必不可少的，這也是建筑軟件開發(fā)者所需要面對的問題。API的存在與公開，意味著軟件可擴(kuò)展性是否能夠得到提升，對于擴(kuò)展的深度需參照API對于軟件模塊本身控制的操作接口是否達(dá)到一定的深度來界定。

圖2 Revit API

以BIM建模軟件Revit為例［3］，其提供了大量API供二次開發(fā)者對其進(jìn)行調(diào)用，可對程序本身(Application)，工程文檔(Document)，元素(Element)進(jìn)行相關(guān)操作或者讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，這在極大程度上方便了外部軟件的接口進(jìn)入，利用從Revit生成的數(shù)據(jù)加以處理并能修改或者增加處理后得到數(shù)據(jù)結(jié)果。這樣，使BIM概念中的information得以利用和持續(xù)，這種方法應(yīng)該是眾人所學(xué)習(xí)的。

據(jù)09年底不完全統(tǒng)計，基于Revit API開發(fā)的附加軟件(add-on)約150多種。

圖4是利用Revit API寫的基于Revit BIM模型的自動套取定額工具Demo圖片。

軟件接口集成類似于滾雪球的道理是顯而易見的。大型的建筑軟件開發(fā)商(者)可以利用開放的API讓其他開發(fā)商(者)依賴于此，將其他開發(fā)商(者)預(yù)先編寫的軟件組件組合揉入其軟件系統(tǒng)中來。

但是，無論設(shè)計什么樣的API，最重要的是要弄明白以什么為目標(biāo)或者為誰在設(shè)計，這是關(guān)鍵點(diǎn)。只有在理解目標(biāo)群眾的需求之后，才可能創(chuàng)建有用的API，才能實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)慕涌?，才能讓各種不同的軟件良好的集成。

3.2 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成在軟件行業(yè)中算是個比較復(fù)雜的工程。多數(shù)能實(shí)現(xiàn)此種集成方案的軟件很大程度上是基于軟件開發(fā)初期的架構(gòu)合理。但是，現(xiàn)階段多數(shù)建筑軟件在架構(gòu)之初由于各種原因未曾考慮過集成架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的軟件只是適用于某一需求方面為目的的單獨(dú)軟件。而如需適用于目前出于BIM軟件為目的的，必須考慮各種方法達(dá)到集成，下面僅以理論可行性進(jìn)行相關(guān)探討。

劉清芝［4］等認(rèn)為，軟件集成一般包括用戶界面集成、數(shù)據(jù)集成和代碼集成三個方面的內(nèi)容［4］。

3.2.1 用戶界面集成

集成中的用戶界面，是軟件接口“廣義”定義的人機(jī)接口，既人與軟件之間的交互界面。我們把這種人—軟件之間的接口稱作“用戶界面”，也就是“UI”—User Interface。界面集成一般看來是相對簡單的集成，但是對人機(jī)互動的易用性以及美觀性均有要求。各種原單獨(dú)的軟件，由于軟件設(shè)計時本身的UI界面不一定互相協(xié)調(diào)匹配，在某種程度上是需要在原始程序代碼中進(jìn)行界面的修造，達(dá)到統(tǒng)一協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn);不同的單獨(dú)軟件，開發(fā)語言和利用控件的不盡相同，在一定程度上也會影響最后UI的統(tǒng)一性，必要的時候也需要修改。

圖5為國外某BIM軟件的兩個產(chǎn)品的界面截圖。這類產(chǎn)品除了本身自帶的按鈕下拉菜單以外，整合了圖形相關(guān)顯示系統(tǒng)，并以不同目的分別集成了兩個其它軟件后單獨(dú)成為兩個軟件。

以圖5為例，集成結(jié)合的為微軟的Project軟件，這種整合僅從Project客戶端來討論，可能要涉及采用Microsoft Visual Basic for Applications(VBA)、Project向?qū)Ш涂蛻?Project Guide and Custom Views)、COM插件(COMadd-ins)以及使用托管代碼(Integration with managed code)等方法進(jìn)行整合。

以圖6為例，集成結(jié)合的是美國某概預(yù)算軟件，可能涉及概預(yù)算軟件方提供的上文提到過的API接口進(jìn)行的相關(guān)功能整合。

3.2.2 數(shù)據(jù)集成

建筑軟件發(fā)展到今日，原始積累的軟件可能使用了不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBMS)。這里所說的不同，可能是基于不同數(shù)據(jù)模型的DBMS，如關(guān)系型的或?qū)ο笮偷?。也可能雖然都是關(guān)系型的，但不同商家的產(chǎn)品其SQL API不盡相同。這就需要使用相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行不同數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)信息傳遞、合并和共享等各種數(shù)據(jù)集成。所謂的數(shù)據(jù)集成，是對所集成對象所使用的數(shù)據(jù)庫底層進(jìn)行集成，包含互相遷移和轉(zhuǎn)換、訪問調(diào)用和相互傳輸?shù)?，這也就是軟件開發(fā)中常常會提及的異構(gòu)數(shù)據(jù)(Heterogeneous Database)集成技術(shù)。

異構(gòu)數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)是數(shù)據(jù)庫技術(shù)從完全集中到邏輯集中、物理分布(傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫)乃至邏輯分布、物理分布(異構(gòu)數(shù)據(jù)庫)這一發(fā)展過程的結(jié)果，也是兼顧已有系統(tǒng)自治性并實(shí)現(xiàn)新的數(shù)據(jù)共享這一現(xiàn)實(shí)需求的有效手段［5］。

以BIM技術(shù)應(yīng)用為目的的前提下，要達(dá)到異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的集成效果，需要弄清楚兩個層面，一是所要達(dá)到的BIM軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，這是異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的目標(biāo)，二是對現(xiàn)有各系統(tǒng)DBMS的分析對比，這樣才能對于不同的數(shù)據(jù)集成對象，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成在技術(shù)上可以考慮DBMS本身的遷移和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫網(wǎng)(信)關(guān)(Database Gateway)技術(shù)、公共協(xié)議/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議技術(shù)、公共編程接口技術(shù)以及中間件(Middle Ware)技術(shù);在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)形式上可以考慮分布式數(shù)據(jù)庫(Distributed Database)、構(gòu)造數(shù)據(jù)倉庫(Data Warehouse)、多數(shù)據(jù)庫以及聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(Federated Database)。當(dāng)然，上述的技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)形式，都有各自的優(yōu)勢和劣勢，筆者僅從所了解到的國內(nèi)建筑軟件現(xiàn)狀，對利用現(xiàn)有軟件達(dá)到BIM類軟件集成為目的，從下面幾點(diǎn)進(jìn)行討論。

已有建筑軟件的BIM軟件集成，以筆者的判斷，最優(yōu)選擇的技術(shù)為中間件技術(shù)、利用中間XML交換文件和架構(gòu)聯(lián)邦式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

(a)中間件技術(shù)，是處于應(yīng)用程序及應(yīng)用程序所在系統(tǒng)的內(nèi)部工作方式之間的軟件技術(shù)，它的基本思想是在各后端數(shù)據(jù)層和前端應(yīng)用程序?qū)又g建立一個抽象層。從而，對每個不同數(shù)據(jù)層的相關(guān)操作變成對單一的中間件的操作，使得使用其對異構(gòu)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成時，可以做到用戶層對數(shù)據(jù)層的實(shí)現(xiàn)達(dá)到透明，并保證了訪問接口的開放性和后期的擴(kuò)展性［5］。如 Microsoft的 ODBC(Open Data Base Connectivity)技術(shù)、Sun公司的JDBC(Java Data Base Connectivity)、公共對象請求代理模型既 CORBA(Common Object Request Broker Architecture)技術(shù)等就是屬于中間件技術(shù)。

XML，是1996年W3C組織設(shè)計并推薦的一種可擴(kuò)展性的標(biāo)記語言。XML在異構(gòu)數(shù)據(jù)系統(tǒng)方面具有以下特點(diǎn)［6］:

· XML結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、語義性強(qiáng)、機(jī)能與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(RDB)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，也能與對象數(shù)據(jù)庫(ODB)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，也能與對象數(shù)據(jù)庫(ODB)以及多媒體數(shù)據(jù)庫(MDB)進(jìn)行轉(zhuǎn)換;

· XML的交互性好、易于處理、能方便的控制和表示各種數(shù)據(jù);

· XML與平臺無關(guān)，能與各種平臺進(jìn)行處理，能

用各種編程語言進(jìn)行處理。

可以看出，XML可以最大程度的對現(xiàn)有的建筑軟件集成為BIM類軟件提供數(shù)據(jù)方面的傳遞，無論是何種原始軟件的DBMS，原始的軟件開發(fā)平臺是什么，XML均能發(fā)揮作用。值得欣喜的是，在建筑軟件業(yè)內(nèi)此項技術(shù)已開始逐漸使用，多數(shù)建設(shè)工程信息化類的CS和BS系統(tǒng)以及一些應(yīng)用軟件都已經(jīng)開始采用了此項數(shù)據(jù)傳輸與保存技術(shù)并在不斷的擴(kuò)大化。

(b)聯(lián)邦式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有分布性、自治性、異構(gòu)性三大特性。它對于各個異構(gòu)的局部數(shù)據(jù)庫之間存在著一種較為松散的聯(lián)邦式耦合關(guān)系，不需要像分布式數(shù)據(jù)庫需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及全局?jǐn)?shù)據(jù)模式，各局部庫通過定義輸入、輸出模式進(jìn)行彼此之間的數(shù)據(jù)訪問。聯(lián)邦式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由在不同結(jié)點(diǎn)上松散耦合分布的異構(gòu)成員數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，各聯(lián)邦成員間的一種松散結(jié)合，可以使集成對象即聯(lián)邦成員是集中式數(shù)據(jù)庫，也可以是分布式數(shù)據(jù)庫。由于沒有全局模式，此種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以依據(jù)不同需求將不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)加入聯(lián)邦或者退出聯(lián)邦［5］，其表現(xiàn)為擴(kuò)展性強(qiáng)。無論何種軟件系統(tǒng)都需要隨時間而發(fā)展，可能不同時期需要新的數(shù)據(jù)源來滿足用戶業(yè)務(wù)不斷變化的需求。現(xiàn)有建筑軟件集成成為滿足BIM要求的BIM軟件就屬于此過程，在數(shù)據(jù)庫集成層面就需要類似聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)來達(dá)到目的。

3.3 代碼集成

任何一種軟件開發(fā)是脫離不了代碼級別的過程參與，無論是上面提及的哪種集成方法，或多或少的要在代碼上實(shí)現(xiàn)。除去上面的技術(shù)涉

及的代碼實(shí)現(xiàn)以外，還需要考慮以下幾個方面的問題。

3.3.1 不同開發(fā)平臺的形成的代碼集成

原始積累的各種軟件，由于其歷史問題不一定是基于同一個開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)的，遺留下來的代碼中常使用的開發(fā)平臺有VS6.0的C++和VB，Delphi，近年來流行的.NET 的 C#、VB.NET 和 ASP.NET?；诖a集成以工作量多少分類，可以分為接口代碼集成和代碼轉(zhuǎn)換集成。

(1)接口代碼集成。多種開發(fā)語言之間的代碼集成可以考慮互相提供接口的方法，此類內(nèi)容上文也涉及過，即API;或者通過唯一的中間層接口開發(fā)，所有軟件通過此中間接口達(dá)到對不同功能模塊的調(diào)用和傳輸獲得數(shù)據(jù)。常見形式以開發(fā)提供ActiveX控件和COM組件的形式提供相應(yīng)的功能。

(2)代碼轉(zhuǎn)換集成。代碼轉(zhuǎn)換集成屬于一般的開發(fā)人員所不愿意接收的方法，依據(jù)開發(fā)人員的理論這是一種類似漢語翻譯成英語的過程。無論對源語言和目標(biāo)語言熟悉與否，這都是一個比較痛苦的過程。微軟自.NET發(fā)布以后極力地在推進(jìn)開發(fā)者從原語言平臺過渡到現(xiàn)在的.NET平臺上，但是可以肯定的說這種過渡是有過程的。以VB6.0與VB.NET轉(zhuǎn)換為例，雖語法都基本相同，能在最大程度上對開發(fā)語言的語法不用關(guān)注，但是對于具體的工程文件由于歷史原因所利用的原始控件以及自定義控件區(qū)別，在轉(zhuǎn)換到新平臺下都會有一定的不支持，這就需要人為的去找替代品。

3.3.2 同一種開發(fā)平臺下的代碼集成

這種代碼集成相對簡單，但是需要程序員對于原軟件中不同功能的代碼全局考慮，抽取出不同模塊的公用函數(shù)、過程以及控件，并且對于公用的名稱、過程函數(shù)全局考慮進(jìn)行重構(gòu)。

4 結(jié)語

軟件集成是一個浩大的工程，涉及多個層面，基于BIM目的的建筑軟件集成更是如此。BIM軟件涉及面廣，在建筑全生命周期中都可以找到BIM軟件的影子，合理利用現(xiàn)有產(chǎn)品資源來應(yīng)對各種BIM實(shí)現(xiàn)需求，應(yīng)是各建筑軟件開發(fā)商在軟件集成之前必須花較多時間來做的重要工作。無論利用何種技術(shù)，其目的是最好地利用現(xiàn)有資源，最大程度地適應(yīng)BIM技術(shù)應(yīng)用的需求。

［1］李萍.建筑設(shè)計信息化技術(shù)發(fā)展概述［N］.中華建筑報，2008.

［2］何關(guān)培.BIM和BIM相關(guān)軟件［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2010，(2).

［3］ Autodesk 網(wǎng)站 www.autodesk.com

［4］劉清芝，胡仰棟.面向?qū)ο蟮能浖杉夹g(shù)研究［J］.計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2004.

［5］扈書剛，談數(shù)據(jù)庫互操作問題的實(shí)現(xiàn)途徑［N］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2007，(28)，TP392.

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Research on Software Integration with BIM

Zhang Kun

(Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing100013，China)

This paper did a preliminary study on BIMsoftware integration solutions from the point of view of architectural software development.A conclusion was given on the problems of BIMsoftware integration in both Interface Integration and system integration aspects.It also offer a reference for domestic BIMsoftware development.

Building Software;BIM;Software Integration

TU17;TP311

A

1674－7461(2011)01－0037－06

張昆(1979－)，男，工程師。主要研究方向:建筑類軟件實(shí)用技術(shù)的研究和應(yīng)用、應(yīng)用軟件系統(tǒng)集成及BIM軟件本地化。