BIM之芯与魂

发布时间:2018年11月30日 17:44 来源:

摘要:18年前,时任科技部部长徐冠华曾说,“中国信息产业缺芯少魂”。18年过去,这一状况没有发生根本改变。今天,在建筑业大力推广BIM技术过程中,我们不禁要问中国建筑业BIM技术是否“缺芯少魂”、BIM之芯、魂何在?

18年前,时任科技部部长徐冠华曾说,“中国信息产业缺芯少魂”。18年过去,这一状况没有发生根本改变。今天,在建筑业大力推广BIM技术过程中,我们不禁要问中国建筑业BIM技术是否“缺芯少魂”、BIM之芯、魂何在?
  在《中兴被禁直刺中国BIM之“芯”》一文发表之后,有人迅速断言BIM之芯即三维图形技术:就像华为在“2012”实验室默默耕耘“麒麟”芯片一样,国内软件公司在三维图形技术的研发也已耕耘了是十多年。这固然有情怀和格局的因素,还有一个重要原因就是十多年前我们已经尝到了因缺“芯”而被外国企业卡脖子的苦楚。十多年前,国内软件公司痛下决心、背水一战,开发自己的国产图形平台,并成功应用在国内软件公司的图形算量产品,成为现在BIM产品的强大内“芯”!
  BIM之“芯”是否三维图形技术?这是我国政府主管部门推广及企业应用BIM需要认真思考的问题。如果BIM之“芯”不是三维图形技术,那么BIM的芯与魂究竟是什么?我们今天推广和应用的“BIM技术”是否需要重新审视?
一、英美BIM推广
  有国内权威文件称:2016年,国外 BIM 技术应用仍保持较快发展的趋势。美国、英国、新加坡等国家和地区,在政府、行业和企业的推动下已初步实现BIM 技术的市场化和普及化。亚太地区的澳大利亚、韩国等国家的 BIM 技术虽然起步相对欧美国家较晚, 但整体应用发展速度较为迅速。文件经常以美国陆军工程兵团(USACE)及英国政府内阁办公室推广BIM为例(下表)。
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  美国陆军工程兵团(USACE)为期15年的BIM发展路线规划如下表:
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  从表中可见,美国陆军工程兵团(USACE)的BIM发展路线图是以美国NBIMS为依据,2010年的BIM目标是实现项目全生命周期的数据互用。美国NBIMS标准委员会在2016年创新会议中指出:美国NBIMS面临的挑战是:NBIMS已经有许多免费下载,但它的价值很难建立确定,NBIMS是其他的标准汇编,没有层次和框架,目前为止,NBIMS尚未被软件供应商实施(图1)。
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图1 NBIMS的挑战
  因此,美国陆军工程兵团(USACE)在2012年就对BIM实施做了重新评估,限定了BIM软件应用条件(图2):
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图2 美国工程兵BIM路线图(2012)
  可见,美国陆军工程兵团(USACE)原定的BIM发展路线图实际上已经无法实现。
  再看英国内阁办公室推动BIM Level 2 的目标实现情况。
  在2018年4月4日CIOB网站上发表了一篇文章:
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  CM/BIM+每年的BIM调研揭示,尽管这项技术在建设领域的应用信心已经提升,尚不热心的客户仍旧是推进Level 2的一个障碍。
  根据数字化建造领域的沙皇级人物Mark Bew的说法,对于建筑行业要克服的这个问题,如果能够成功实现BIM Level 2的应用,保守、低成本理念会是“一个巨大的障碍”。
  作为CM公布的年度BIM调研报告的结果,作为已被任命为英国政府BIM工作小组的主席,PCSG工程咨询公司主席Bew给出了如上评论,显示出BIM Level 2的推进仍旧进展缓慢。研究显示只有14%的客户在所有项目中委托实现BIM Level 2,相比上一年有20%的下降。然而,44%的施工公司现在表示他们对这项技术有信心,相比于2017年仅有三分之一如此认为。表示还未使用Level 2 BIM的公司比例有较小的下降幅度,从38%下降到34%。
  Bew表示“与这个领域许多人的对话让我了解到,拥抱这项新技术并实现如此有活力的转型是如此昂贵、艰难、费时并且无法满足投资需求回报。”
  他补充道:“建设领域有太多客户倾向于采用成本最低化理念,聚焦在资本支出和运营成本而不是更好的长期投资回报。”
  Bew表示:“建筑工业仍旧处在数字化转型的前期,”但他认为有“更长多路要走。”
  他说道:“我们现在看到建筑业不只是简单的进行3D设计,而是真正的拥抱一个数据存在价值的崭新数字化未来。”
  作为目标是实现英国数字化建造的剑桥大学的战略咨询师,Bew正在督促建筑业“超越世界BIM水平并向一个崭新和更大的世界迈进,包括数据挖掘,信息管理,信息反馈和先进的数据分析”。
  英国GenieBelt公司在2017年调查了英国BIM Level 2的实施情况如图3:
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图3 英国BIM Level 2实施情况
  由此可见,英国政府早期规划的2016 BIM目标并未实现。
二、中国BIM推广
  无论是美国陆军工程兵团(USACE)还是英国BIM Level 2目标,其都有明确的技术实现标准为依据:美国陆军工程兵团(USACE)是以美国NBIMS为实现标准,英国政府BIM Level 2是以实现CDE(共享数据环境)下的4D及5D目标并配套PAS1192系列标准。
  我国的BIM发展目标描述大体如下:
  “通过分阶段、分步骤推进BIM技术试点和推广应用,到2016年底,基本形成满足BIM技术应用的配套政策、标准和市场环境,本市主要设计、施工、咨询服务和物业管理等单位普遍具备BIM技术应用能力。到2017年,本市规模以上政府投资工程全部应用BIM技术,规模以上社会投资工程普遍应用BIM技术,应用和管理水平走在全国前列。”
  “到2020年末,建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并实现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。到2020年末,以下新立项项目勘察设计、施工、运营维护中,集成应用 BIM 的项目比率达到90%:以国有资金投资为主的大中型建筑;申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区。”
  “加快推进建筑信息模型(BIM)技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用,实现工程建设项目全生命周期数据共享和信息化管理,为项目方案优化和科学决策提供依据,促进建筑业提质增效。”
  由上述可见,我国BIM推广是以BIM(软件)集成应用为目标。
  对应于BIM的五个层次(图4),软件集成仅处于第二层次,软件集成无法实现BIM的第三层次。
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图4 BIM的层次
  BIM是一个系统工程(图5),只有在BIM系统架构模型基础上,制定公开的软件间互操作标准,才能实现BIM的最终目标:不依赖于任何具体系统(软件公司平台)的不同软件间数据无缝对接:
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图5 美国BIM标准“基于IFC+IFD+IDM”的BIM关系图
  显然,中国BIM推广文件是基于BIM第二层次,而英美的BIM推广目标在于第三层次;但以IFC+IFD+IDM为“芯”的BIM技术路线至今难以落地,导致国内外的BIM技术始终处于软件公司平台(如Revit)为“芯”的软件集成层次。
三、软件集成之“芯”
  林雪萍 赵敏在《工业软件黎明静悄悄 |“失落的三十年”工业软件史》一文中指出:
  美国几乎每年都有新报告,提醒美国高层,不能忘记“建模与仿真”的技术,并且得到美国政府普遍的重视。美国的国家战略一直把“数字化建模和仿真”作为核心战略。几十年来,从来没有停止过呐喊,也从来没有停止过行动,从1995年开始加速数字化建模和仿真创新战略,到2005年布什的报告提出计算科学,到2009年依靠建模和仿真,到2010年高性能计算谈到建模和仿真,以及到现在先进制造伙伴计划,都是在围绕着工具模块化和开放式的平台。2014年美国总统科技委员会确定的11个关键领域有一个打分,根据对国家的影响等指标,这其中,可视化、信息化和数字制造是三大关键领域之一,这里面都是围绕着数字化建模和仿真。而在最新的美国制造业创新网络NNMI,跟智能制造最相关的两个创新中心,一个是数字化的设计与制造,一个是清洁能源的智能制造。无论是国防部牵头,还是能源部牵头,基本上都是围绕着数字化建模和仿真这个核心技术。
  然而在中国,核心自主工业软件,从来未曾得到高层的重视。
  借鉴美国总统科技顾问委员会给总统办的报告,中科院在2006年的时候曾经给国务院上交过一份报告;紧接着科技部有一个香山会议,会后报告也往上呈交,但基本上都是没有下文。2010发改委在做“十二五”规划的时候,当时说要讨论CAE的发展,后来还是不了了之。以后还有多次人大代表做提案往上呼吁,但高层决策者似乎从来没有真正地认为核心自主工业软件有多重要。
  时至今日,每一件工业品,几乎都是工业软件的结晶,每一台装备,离开了软件都不能运行。但是,每一种国外工业软件里面究竟有什么,却是谁也说不清。这是一个失控的数字世界。貌似强大的“中国制造”,恰恰就是站立在失控的工业软件的数字世界之颠。
  对于中国工业来说,工业软件岂止是短板,已经是“断”板,是“断”命之板。
  伴随着数字化、网络化和智能化的深入发展,中国正在向智能制造迅速转型。中国制造业是否具有核心工业软件(工业品),将是一柄达摩克利斯之剑,长悬于中国制造之项顶。没有自主核心工业软件的支撑,中国制造强国只能是一梦之醉。
  而梦醉之先,却是整个行业呈现可怕的形势误判。当许多人都在沉迷工业互联网、人工智能、大数据来推动制造业转型升级的时候,没有人意识到这些概念如果脱光了一层一层衣服,最内核的都是工业软件。
  更可怕的是,人们连呐喊的力气都没有了,发展自主的CAD/CAE软件,已经成为人们心中认定的笑话。工业软件的黎明静悄悄,这里的黎明暂无太阳起升。
  因此,我们必然看到BIM软件及软件集成层次上推广BIM依赖于国外软件公司的现状(图6):
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图6 “BIM”实施现状
  如果以软件公司平台为“芯”,必须承认在可见的近期内我们造不出BIM之“芯”,即使造出“芯”也会如中国CAD平台的结局,毕竟市场只认结果不认“亲”;因此,如果发展我国BIM软件集成应用,我们只能为国外BIM软件产品无偿补足(族)。其结果只有“好用”和“不好用”两种可能(图6):
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图6 软件集成平台为“芯”的“BIM”实施结果
  在BIM软件集成层次,我们无法实现真正BIM目标。每个企业花费大量的人力物力,请不同的软件集成商做同样的集成工作,其结果是企业被捆板于某个固定平台上,很难扩展应用,还存在企业间难以消除的信息孤岛,这已被我国建筑业信息化已经走过的路所证明了的。
  BIM软件集成不是BIM,软件集成解决不了中国建筑业信息化问题。
四、BIM之芯
  谈BIM离不开IFC(Industry Foundation Classes)标准。
  IFC是由国际协同工作联盟IAI(International Alliance for Interoperability)应用面向对象技术所建立的信息标准。
  IAI的发展起源于1994年8月,由美国12家公司以AutoCAD13的ARX系统为基础,研究不同应用软件在协同工作的可能性,结果发觉不但可行更有可观的经济效益。于1995年克服了核心的问题后,发表了简称IFC的信息交换格式,1995年10月,在北美成立IAI组织。随后他们将此思想推广到其他国家,很快的其他国家也相继成立了IAI分部。并在1996年于伦敦召开了第一次的IAI国际会议。目前成员涵盖24个国家及8个附属或注册的团体,如澳洲、法国、德国、日本、韩国、北欧、新加坡及英国等,其组成单位共计131个,包含建筑业主、承包商、政府官员、学术单位、资产管理、软件厂商、建设公司等。
  IAI主要目标为提供AEC及FM厂商,获得相同单一建筑信息的沟通模型(Single Building Information Model,BIM),IAI认为BIM能有效减少成本及提高效率,故称为buildingSMART(智慧建造),IAI希望把所有的建筑信息透过一套标准将其整合在一起,像是把门、墙等实际对象以及一些空间、结构过程等抽象概念以电子信息方式有系统的呈现出来。这些信息让各种不同软件的间可以互相传递与分享,例如英语是国际间的共同语言一般,IFC便是一种建筑共同语言,在建筑生命周期中扮演共享智能对象的角色。
  IFC是一种开放性质信息格式,作为信息的交换以及共享使用,在技术上采用BIM概念及面向对象等来进行信息内容的处理,目的在于让在此领域内BIM系统的各种不同应用软件,因IFC信息格式的标准化及一致性,而有一个信息交换的标准格式可以遵循,使不同软体间的信息可相互交换,毋须再各自建立信息,避免信息传递时发生错漏造成财务和时间上的损失。
  IFC是实现BIM的理想格式,图7是2014年buildingSMART关于IFC-BIM推广的现状:
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图7 2014年行业BIM应用的平均状态
  从图中可见,目前的行业平均状态在于Level 1与Level 2之间,极少应用IFC标准。可见20年来IAI提出的IFC推广并不如当初想像的乐观。
  IFC不属于任何BIM软件专有,但利用IFC标准进行交换时则需要所有软件将数据库的概念模式转换为IFC格式。目前很多软件商的产品都声称支持IFC标准,但由于缺乏系统架构模型及IDM标准,以IFC+IFD+IDM为BIM之芯的美国BIM标准并未实现,可见,制造“基于IFC+IFD+IDM”的BIM之芯难度之大。
  不同的BIM层次代表不同的应用思维(图8),爱因斯坦说过:我们不能在产生问题的层次上去寻找解决的办法,而应当进入更高层次上去思考。
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图8 BIM层次的不同思维
  因此,我们只有站在可见的BIM最高层次(建筑业互联网层次)去策划BIM,同时立足于BIM的最低层次(应用软件层次),开发工程实践亟需的应用软件,这样才能使我国BIM技术逐步完善与提高,实现建筑业信息化。
  中国BIM发展联盟成立六年来致力于P-BIM技术研究,相对于图5(美国BIM关系图),已经形成并经实践证明了基于HIM的P-BIM技术路线(图9):
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图9 基于HIM的P-BIM标准
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  2017年我们完成了《建筑业互联网系统架构模型》研究,经中国BIM发展联盟深圳大学建筑互联网与BIM实验室验证(图10),BIM的建筑业互联网层次技术路线已经实现。
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图10 基于HIM的建筑业互联网平台
  基于HIM的建筑业互联网是利用互联网为平台,采用不同功能软件间的公开信息交换标准集成建筑业所有应用软件,不依赖于任何具体系统实现BIM。
  BIM之芯的本质是由系统架构模型(不同功能软件组合)、软件间的公开信息交换标准及不依赖于任何具体系统的信息交换,图5与图9分别代表了不同数据管理方法的BIM之芯:
  “基于IFC+IFD+IDM”BIM之芯和“基于HIM的P-BIM标准”BIM之芯。
五、BIM之魂
  BIM之魂是软件。
  然而在我国:“发展自主的CAD/CAE软件,已经成为人们心中认定的笑话。”
  以IFC+IFD+IDM为芯,“BIM建模软件” 将是一柄达摩克利斯之剑,长悬于中国BIM之项顶。没有自主核心建模软件的支撑,中国实施“IFC+IFD+IDM”只能是一梦之醉。
  为解决这个问题,我们先看看芯片设计领域。面对中国目前的芯片困境有一种答案是:
•  对于正在发生“10倍数变革的领域”,可以弯道超车。
•  而对于只能“硬碰硬”的领域,就只能靠更大的融资、更长的等待、以及更合理的顶层设计。
  所谓芯片领域的“10倍数变革”,就是不能想着自己做个X86去挑战英特尔,能挑战英特尔的只有应用场景不一样的ARM。而同样的,也不能想着自己做个独立的指令系统/生态系统来挑战ARM,而只能等待芯片应用场景的大变革。
  什么叫“芯片应用场景的大变革?”
  举个例子:随着云计算、深度学习应用的快速扩展,各大互联网巨头的运算能力占据了全球相当大的比重。于是,巨头们都想摆脱传统的、通用化的CPU/GPU体系,自己亲自操刀,构建一套针对自己应用、自己算法的定制化AI芯片和云计算芯片,从而实现更低的能耗、数十倍的运算效率,甚至构建一套自己的云计算生态。
  不光是巨头们的云计算和深度学习,每个人身上的智能手机也有强烈的降能增效需求——让面部识别、声音识别、手势表情跟踪、图像/视频处理等常用功能,能有一颗针对这几种AI算法定制的低功耗移动芯片,也是目前的潮流。
  同样的,超过160个国家用电量的数字货币挖矿,更是一种高度定制化、对性能/功耗比极其敏感的应用,也早已大规模拥抱定制芯片。
  伴随着“定制化算法”占全球算力比重的提升,许久未见的芯片领域“10倍数变革”在这两三年里密集诞生了:
•  国际上,谷歌推出TPU,NVIDIA拥抱自动驾驶/AI芯片。
•  国内,脱胎于“龙芯”团队的“寒武纪”AI芯片已搭载在华为高端手机的麒麟处理器上,该公司获得了阿里投资,目前市值已超20亿美元,短短几年成为芯片领域罕见的创业独角兽。而对于普通人而言更加陌生的“比特大陆”,则早已成为全球挖矿芯片最大的供应商,垄断了超过7成的市场份额,去年营收25亿美元,成为全国仅次于华为海思的芯片设计公司。
•  互联网公司里,百度推出XPU、阿里刚发布Ali-NPU。近几天,阿里还密集收购了中天微、控股乐鑫,一副大举进军芯片领域的架势。
  阿里的逻辑也很简单——阿里云目前年营收20亿美元+,在国内占据毋庸置疑的霸主地位,且年增速高达100%。根据亚马逊云的规模,阿里云在未来三四年内营收超百亿美元是大概率事件。因此,阿里云将成为阿里未来几年营收增长的重中之重。
  那么,作为国内云计算霸主、正在迈向全球的阿里,作为时常将“DT时代”挂在嘴边的马云。如果阿里不能掌握自己云计算平台的核心技术,要是有一天也遇到中兴的困境,那么,阿里的数字帝国梦就破灭了
  同样的,作为全球云计算的领头羊,亚马逊也在悄然组建团队研发AI芯片。
  在如今这个时代,数据和计算是互联网公司的核心资产,对于市值几千亿美元,等于英特尔+台积电+NVIDIA之和的互联网巨头,没有道理不想让自己的核心资产运行在自主的、定制的、可控的计算平台上。
  类似的,我们可以创造“BIM应用场景大变革”,使全世界最庞大的中国建筑业的核心资产运行在自主的、定制的、可控的平台上。
  什么是“BIM应用场景的大变革”?图11是将星型结构(基于IFC+IFD+IDM的软件体系)转化为全互联型结构(基于HIM的P-BIM软件系统),按照基于工程实践的专业分析,降低“IFC+IFD+IDM”星型结构软件体系中的中心建模软件为一般功能软件,利用开源数据库和开放源码软件,解决我国核心工业软件的短板。
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图11 星型结构与全互联型结构的转换
  开放源码软件主要被散布在全世界的编程者队伍所开发,同时一些大学,政府机构承包商,协会和商业公司也开发它。源代码开放是信息技术发展引发网络革命所带来的面向未来以开放创新、共同创新为特点的、以人为本的创新2.0模式在软件行业的典型体现和生动注解。
  基于HIM的P-BIM软件系统,以现场建造(建物)P-BIM软件(图12)为BIM之灵魂。君不见我们现在的桩基工程施工现场,墙上挂着一张图,打完一根桩涂上一个黑点,这与古代结绳纪事又有何区别。建筑工程是各分部分项的组合,离开分部分项工程的建造软件谈何智慧建造、智慧工地?唯有以小为小,做精做全,方成其大;以终为始,以行为知,知行合一。这就是BIM应用场景大变革。
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图12 基于HIM的P-BIM软件
  不同BIM之芯的BIM之魂:
  基于“IFC+IFD+IDM”BIM之芯的BIM之魂在于开发强大的建模软件,建模与任务分离,难以实施;
  基于“HIM的P-BIM标准”BIM之芯的BIM之魂在于开发适用的应用软件,是我国BIM创新之魂,建模与任务一体化,便于实施。
  相比SIM发展密切关联高端硬件技术,BIM发展依赖应用软件技术,这对中国人民来说是强项,只要有中国BIM之心(芯)、中华民族自主P-BIM软件创新之魂,我国BIM就能独立加速发展。
六、结束语
  习总书记强调并指出:大数据发展日新月异,我们应该审时度势、精心谋划、超前布局、力争主动,深入了解大数据发展现状和趋势及其对经济社会发展的影响;善于获取数据、分析数据、运用数据,是领导干部做好工作的基本功。各级领导干部要加强学习,懂得大数据,用好大数据,增强利用数据推进各项工作的本领,不断提高对大数据发展规律的把握能力,使大数据在各项工作中发挥更大作用。
  BIM、智慧城市、数字中国已成为我国数字工程的热门,其本质都是不同软件系统的任务功能及其不同格式数据的互操作(集成)。如果企业或政府将互操作(集成)寄托于某个软件公司平台(无论是否自主平台),企业或政府将失去获取数据、分析数据、运用数据的主动权,数字化建设将受制于人;如果企业或政府将互操作寄托于不依赖于如何软件系统平台,基于HIM的软件数据交换标准化管理,企业或政府将永远保留获取数据、分析数据、运用数据的主动权,才能超前布局、力争主动,深入了解大数据发展现状和趋势及其对经济社会发展的影响。
  BIM之芯与魂是这个道理,智慧城市及数字中国又何尝不是?


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