張金輝 張其林， 劉金典

(1.上海同磊土木工程技術有限公司，上海 200092； 2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

引言

裝配式體系是指采用裝配建造方式的項目，既適用于預制裝配式混凝土體系、鋼結構體系和裝配式混合結構體系的建筑項目，也適用于裝配式工業(yè)項目。裝配式體系的建造方式為統(tǒng)一現(xiàn)場裝配，從而具有了短周期、高效率及環(huán)保性好的優(yōu)點，逐漸成為了研究和應用推廣的熱點[1]。發(fā)展裝配式體系是建造方式的重大變革，可以提升建筑業(yè)與工業(yè)化的融合能力、解決過剩產(chǎn)能并為建筑行業(yè)進入工業(yè)4.0階段提供基礎[2]。裝配式體系近年來在我國快速發(fā)展，鋼結構、裝配式建筑的產(chǎn)業(yè)支持政策不斷出臺，業(yè)界也紛紛推廣裝配式體系的結構性能研究與實際工程應用。

不過，裝配式體系建造也帶來對裝配構件要求較高的問題，往往會出現(xiàn)實際裝配結果誤差較大或現(xiàn)場無法安裝的情況，使得整個項目的建造管理難度上升，限制了裝配式體系的進一步推廣。裝配式體系的建造過程主要劃分為生產(chǎn)、倉儲、運輸和安裝四個階段，其中由于中轉、轉駁等原因，倉儲和運輸操作可能會發(fā)生多次，不過每次的操作都是差不多的，因此系統(tǒng)功能是一樣的。目前，這四個階段基本是相互分離的，各階段之間并無相互協(xié)作和配合。這使得很多問題直到現(xiàn)場安裝才被發(fā)現(xiàn)，不僅問題的產(chǎn)生原因難以找到，也會導致工期拖延和資源浪費，最終會影響整個項目的進度和質(zhì)量。同時，各階段之間的建筑信息傳遞依然采用二維的圖檔[3-4]，雖然二維圖檔可以傳輸一定的幾何信息，但對于復雜結構或項目信息較多時，圖檔的傳遞會造成信息的缺失，或者是理解上的缺失，增加了建造過程管理的難度。

BIM(Building Information Modeling)作為一種新的建筑信息化思想逐漸成為行業(yè)應用的熱點，且BIM實際價值逐漸被業(yè)界所認可[5]。BIM將基于互聯(lián)網(wǎng)思維的信息化、協(xié)同化和數(shù)字化的建造思路帶入建筑行業(yè)[6]。BIM 的價值源自于其三維實體模型為組織、管理、協(xié)同提供了基礎的、直觀的數(shù)字對象。相比二維圖紙，每一張平、立、剖設計圖紙中，都包含了很多建筑組件、構件、零件的信息； 而每一個組件、構件、零件，其不同層面、視角的信息又分散在不同的圖紙中。BIM中組件、構件、零件是實體數(shù)字對象，其平、立、剖面圖是附屬于實體數(shù)字對象的不同圖視，各種管理信息僅需要關聯(lián)實體數(shù)字對象，可以完全打通建造過程信息化管理，徹底改變傳統(tǒng)二維圖紙、現(xiàn)場實際工程、管理信息脫節(jié)的情況，為裝配式體系建造提供新的運行模式，也為基于BIM的管理信息系統(tǒng)提供了新的交互操作方式。

目前針對裝配式體系，國內(nèi)BIM應用主要還是集中在設計階段，包括裝配構件深化設計和整體三維建模； 在建造階段應用BIM比較少，還處于初期的嘗試階段。胡振中等為了實現(xiàn)基于信息的綜合施工管理，開發(fā)了一個名為4D-GCPSU 2009的集成式原型系統(tǒng)，通過實例，驗證了集成解決方案能夠在施工期間協(xié)助施工管理人員或業(yè)主分析管理過程沖突[7]。滿慶鵬等將普適計算和 BIM 結合，確定協(xié)同施工對信息的處理規(guī)則和要求，建立不同類型的施工動態(tài)信息模型，最后構建了協(xié)同施工的系統(tǒng)架構[8]。胡振中針對預制管段、支架及管組等深化設計的具體需求，引入BIM技術，實現(xiàn)了管道輔助劃分、支架半自動設計和管組智能拼裝，研發(fā)了一個通用的管道預制構件智能設計系統(tǒng)[9]。張貴忠以滬通長江大橋為依托以各參建單位需求為核心，搭建了參建各方共享信息的BIM建設管理平臺，搭載GIS漫游、基礎信息、可視化交底、進度管理、報表中心、安全質(zhì)量、施工日志、文檔管理、系統(tǒng)集成9個基礎應用模塊[10]。宋戰(zhàn)平等初步提出了BIM全生命周期意義上的隧道工程協(xié)同管理平臺，并從階段、維度、功能、技術和用戶多個層面詳細闡述了BIM 隧道協(xié)同理平臺的初步架構體系[11]。

這些BIM系統(tǒng)的研究為BIM思想在橋梁隧道等建筑生命周期中的應用和后續(xù)BIM平臺的開發(fā)提供了思路和借鑒。然而，針對裝配式體系建造過程，還缺乏完整的、可操作性強的BIM系統(tǒng)解決方案。本文在分析裝配式體系建造過程的基礎上，針對系統(tǒng)管理的關鍵點、難點，提出技術解決方案，并開發(fā)出原型系統(tǒng)投入工程實踐，為裝配式體系建造過程BIM系統(tǒng)研發(fā)提供新的解決辦法。

1 基于BIM的技術特征

1.1 三維實體數(shù)字對象

裝配式體系的建造過程是以零件、構件，尤其是構件為管理單元的。在二維圖紙中，通過多面的投影、透視來抽象地表達建筑、構件、零件的三維形體數(shù)據(jù)，再通過編碼和列表表達材質(zhì)、性能等技術參數(shù)。數(shù)據(jù)被分散到各圖紙中，按投影視角、或類型來組織圖紙。因此圖紙信息難以和管理信息結合，中間需要大量人工判斷干預，導致管理效能低下。

BIM中建筑、構件、零件用三維實體直接表達，還可在實體數(shù)字對象中直接存儲參數(shù)信息，更為重要的是能夠關聯(lián)管理信息，把模型和管理信息組織為一個有效的整體。進一步，可利用模型和參數(shù)信息分析計算，來輔助管理、判斷決策，比如自動獲得生產(chǎn)所需鋼板原材的尺寸數(shù)量、自動分配裝車清單、自動安排碼放順序等等，大大提高了管理效能。BIM唯一的缺點可能就是不便于完整地打印到靜態(tài)紙張上，查看不夠便捷。不過隨著移動、平板等電子設備的普及，已不再是問題。

1.2 分層次版本迭代

建筑行業(yè)與其他普通工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)相比有個獨特之處，就是每一個建筑工程都是特例，因而沒有普通工業(yè)生產(chǎn)的技術凍結概念。直白地說就是在建設的過程中，設計可能會因建設過程的實際情況，而發(fā)生變化，比如局部地基異常未勘探到而補充、為加快進度而更換工藝等等。因此在具體項目的建設過程中，圖紙需要持續(xù)版本修訂。

局部的變更修訂，在二維圖紙中有廣泛的影響，平面、立面、剖面、表格、說明都要做相應的修改，因此通常是累積一定的變更后，整個圖紙作版本迭代； 而BIM中，只需要迭代局部的實體數(shù)字對象，就足以表達變更。雖然整個BIM也會在積累一定局部變更后作整體版本迭代，但與二維圖紙的版本迭代意義不同，而是一種分層次的版本迭代，其原理簡化說明如表1兩層次版本迭代所示。

表1 兩層次版本迭代

其中以構件為單位的順序進行版本迭代，按提交時間統(tǒng)一編號，因此局部看起來版本不連續(xù)。整個BIM的版本則通過定義一套全體構件版本的組合來表達。這樣不同的整體版本可以很容易地找出局部的差異。

更進一步，基于BIM實體模型建立的任務、計劃、以及相關的文檔(比如工程簽證)也可作相關的、分層次的版本迭代。這些分層次的版本迭代，可以為合同變更、工程索賠、以及工作審計等提供依據(jù)，也可以給工程組織協(xié)調(diào)，提供準確、直觀的信息支持。

1.3 構件的識別

裝配式體系的建造過程中，對構件的識別是工作的基礎，BIM三維實體為識別提供了基礎數(shù)字對象。識別工作主要分為以下四個方面：

(1)人對圖形的識別

在二維圖紙方式下，平、立、剖設計圖紙對于設計師來說，那就是建筑信息的描述，但需要專業(yè)識圖的技能才能讀懂。就好比五線譜，對于作曲家，那就是音樂的描述，但普通人則完全沒有感覺。而BIM直接用三維模型來描述設計師對建筑的構想，沒有專業(yè)識圖的技能，也可基本獲得建筑構想的全面信息，不需要訓練出空間想象力，去補充二維圖紙難以表達的細節(jié)。BIM可類比于作曲大師軟件，把作曲者捕獲的旋律，記錄為數(shù)字樂譜(如MIDI)，用樂器模擬器演奏了出來，普羅大眾都可以接受欣賞。BIM消除了專業(yè)壁壘，極大降低了溝通協(xié)調(diào)的成本。

(2)機器對圖形的識別

概括地說，就是電腦通過各種“看”構件的設備，獲取實際構件外形信息，并與構件設計信息對比，使得實際構件與設計的構件匹配和對應起來。

目前主流的技術方向有兩個：一個是激光掃描的“看”，獲取構件三維外形尺寸與參數(shù)； 二是多角度照相，在計算機圖像識別的基礎上，重建三維模型來“看”，也是獲取構件三維外形尺寸與參數(shù)(附帶可生成構件的外表紋理，方便顯示)。這兩種技術目前還沒有成熟，還在迭代發(fā)展中，并且只能和三維的BIM匹配識別。

(3)人對構件編碼的識別

理論上任意字符、數(shù)字組合構成字符串，都可作為構件的唯一識別編碼。不過為方便人員記憶、區(qū)分，一般都按一定的方式、規(guī)則來編碼。

典型的方式是助記符+編碼分段。助記符通常有英文縮寫，比如F代表地板、W代表窗； 或拼音縮寫，比如Z代表柱、L代表梁等。編碼分段，則是將編碼，按工作時的需要，人為分割成幾個賦予意義的段，方便識別應用，比如“軸線—樓層—循序號”方式，加上之前的助記符，L-C1-2-03就代表C1軸線處第二層的第三根梁。

在二維圖紙中，這種編碼是標注在構件上、或在構件附近； 在BIM中，這種編碼是記錄在實體數(shù)字對象中的，可有多種方式顯示出來，包括標注、屬性對話框、甚至構件紋理貼圖等等。

(4)機器對構件編碼的識別

編碼若采用人工識別，數(shù)量大了以后，難免易出錯，尤其是手寫狀態(tài)下，比如0和D、5和S等等。當前常用的機器自動編碼識別技術，條碼(包括二維碼)和RFID最為普及。一維條碼、二維碼、RFID電子標簽都可運用到構件的自動識別中去，通過手持式PDA，可很方便地追蹤構件從生產(chǎn)到安裝，乃至以后的維護全過程信息。

在二維圖紙中，編碼只是顯示在圖形附近或表格中，與圖形缺少緊密關聯(lián)，不方便被計算機所識別使用。在BIM中基于三維實體數(shù)字對象，編碼和對象直接關聯(lián)，甚至就存儲在對象中，識別出編碼就能夠聯(lián)動操作三維實體，需要時，條碼還可在構件的三維實體中顯示出來，RFID也可顯示出圖例和編碼。

1.4 模型操作控制

二維圖紙可直接呈現(xiàn)其全部信息，因此方便打印出來查看使用，即便在有限的電腦屏幕上，也僅需要放縮放、平移兩個操作； 但缺點也很明顯，需要看的人有專業(yè)識圖技能，空間狀態(tài)需要人腦處理、構建和判斷。

BIM的三維實體無法直接呈現(xiàn)全部信息，需要各角度旋轉才能看清全貌、需要沉浸到模型中去才能看清各細節(jié)，可以局部投影打印，但全部信息只有看三維實體模型； 優(yōu)點是看的人不需要專業(yè)技能，直觀易懂，方便建設工程的各參與單位之間，各層次人員之間溝通協(xié)調(diào)。由此在BIM中，模型的操作功能很重要，除了縮放、平移，常用的還有旋轉、漫游、剖切、分解、顯隱等等。更重要的是模型需要和管理信息結合起來，交互聯(lián)動，才能直觀、便捷地操作； 同時利用模型參數(shù)，分析計算，輔助管理，更進一步發(fā)揮三維實體模型的價值。

常見的管理信息界面是平面平鋪化的，以文字、圖表為基礎，嵌入圖片、語音、視頻等多媒體信息，結合文本框、下拉框、按鈕等等操作控件，構成人機對話界面。加入三維實體模型后，界面操作方式、乃至程序編制的思路，都會有根本性的變化。比如在平面界面中選取或框選界面中對象，只需要簡單對比平面坐標，甚至很多已有的控件模塊，都已經(jīng)封裝有這樣的邏輯，可直接利用； 同樣操作在三維實體模型中，需要考慮視角、掩隱、透視等的組合，以及不同精細程度、不同類型級別模型的切換。因此操作用戶的簡捷、直觀，需要開發(fā)人員更為復雜、精細、及更多的努力。

1.5 虛擬施工與裝配

在以上優(yōu)勢的基礎上，還可開發(fā)出二維圖紙條件下所難以實現(xiàn)的功能，比如虛擬過程，這是裝配式建造領域常用到的，包括施工與裝配，主要有三個方面：

一是根據(jù)進度計劃，按時間軸順序，壓縮時間，把關聯(lián)的模型逐次顯示出來，模擬施工的過程，建筑從無到有、到完成的逐漸變化;

二是靜態(tài)碰撞檢查，檢查建筑最終完成狀態(tài)的模型，包含各專業(yè)內(nèi)容，以發(fā)現(xiàn)各部分存在的重疊沖突之處，預先調(diào)整，把設計矛盾引起的返工、無用功減到最小;

三是動態(tài)碰撞檢查，模擬裝配工作順序，確認建筑建造的中間狀態(tài)中，結構受力合理，裝配空間充足，構件運送無礙、堆放有序，整個施工現(xiàn)場排布科學合理等。

其中后兩方面有專業(yè)的處理軟件可以利用，只需做好系統(tǒng)與現(xiàn)有專業(yè)處理軟件的應用程序接口(API)，以便系統(tǒng)集成利用。

2 關鍵技術研究

基于BIM的裝配式建造信息系統(tǒng)可充分利用BIM的技術優(yōu)勢。其核心是將模型分解為構件，乃至零件,以此為管理的基本單元、顆粒對象，在裝配式建造過程的方方面面，得到貫穿運用。由此需要突破以下幾個技術關鍵點:

2.1 模型數(shù)據(jù)形態(tài)與輕量化策略

BIM在系統(tǒng)屏幕中顯示出來是三維的模型(或投影打印出來是二維圖形)，而在系統(tǒng)內(nèi)部，不論是點、線、面、實體，還是參數(shù)化模型的參數(shù)，都表達為一組有規(guī)則的數(shù)據(jù)集合。該數(shù)據(jù)集合在系統(tǒng)中有三種存在形態(tài)：

第一種是內(nèi)存對象形態(tài)，表現(xiàn)為內(nèi)存塊結構，信息技術的專業(yè)稱謂——數(shù)據(jù)結構，這是BIM數(shù)據(jù)集合的主要工作狀態(tài)。程序根據(jù)結構去使用數(shù)據(jù)，包括設置、讀取、轉換、查找、排序、遍歷、計算等等，實現(xiàn)對模型的操作、分析、及顯示等運用。例如REVIT軟件打開模型文件，讀入文件的模型數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中完整構建出模型的數(shù)據(jù)結構，而后顯示出模型來，該數(shù)據(jù)結構即為內(nèi)存對象形態(tài)。通過Autodesk公司提供的二次開發(fā)接口，用戶可以編程訪問到它。它包含整個文件的所有模型數(shù)據(jù)，因此會給內(nèi)存和顯卡帶來很大的負荷，當模型足夠龐大和復雜時，高性能的工作站都會難以承受。

第二種是數(shù)據(jù)流形態(tài)，表現(xiàn)為報文格式，其專業(yè)稱謂叫數(shù)據(jù)格式，包括磁盤中的文件形態(tài)和網(wǎng)絡傳輸中的數(shù)據(jù)流形態(tài)，這是BIM數(shù)據(jù)集合的存儲和傳輸?shù)臓顟B(tài)，不便于操作使用，不適合作為工作狀態(tài)。例如REVIT軟件保存模型為rvt文件，再被提交到協(xié)作中心服務器共享，其他用戶需要取下rvt文件，打開為內(nèi)存對象才能操作使用。該形態(tài)用作管理的信息單元使用較為不便，主要原因有三：一是不能直接訪問，需要接收或讀取(IO操作)，存于內(nèi)存，才能運用； 二是顆粒度難以足夠細致，難以精細管理； 三是相互之間難以建立關聯(lián)、與管理信息關聯(lián)操作也不方便。

第三種是數(shù)據(jù)庫形態(tài)，表現(xiàn)為關系型數(shù)據(jù)庫的表、或非關系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集等，稱為數(shù)據(jù)庫結構，這是BIM數(shù)據(jù)集合的存儲狀態(tài)，也可以用于工作。例如CATIA軟件就部分采用了這種方式，精細模型存儲于文件，但相互之間的關聯(lián)關系存儲于數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自帶的增、刪、改、查等操作來統(tǒng)一操控管理，支持多用戶并發(fā)操作。數(shù)據(jù)庫另一個特點是可非常精細地操控外存(當前主要是磁盤)中的數(shù)據(jù)，比如可按條件僅讀取構件表中某一個構件的長度，而不是載入整個模型文件再來找出某一個構件的長度。數(shù)據(jù)庫通常還有緩存策略，把最頻繁使用的或最近使用的數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，需要時可快速獲取。因此數(shù)據(jù)庫可操縱和管理遠大于內(nèi)存的數(shù)據(jù)，并讓這些數(shù)據(jù)時刻準備著投入工作。由此不妨把數(shù)據(jù)庫形態(tài)看作是存儲與預備工作狀態(tài)。

模型輕量化的根本目的，是讓模型的顯示與操作盡可能少地消耗資源，包括數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)存容量與顯卡性能，使得普通的PC、乃至資源有限的平板、手機等亦可順暢地查看大型的復雜模型，進而模型三維操作可推廣到各終端平臺。由此模型輕量化可采用的策略基本有以下幾種：

一是壓縮策略，就是對模型數(shù)據(jù)做無損壓縮。比如IFCXML這種標記型文本，模型文件或報文體量大，壓縮效果明顯，能有數(shù)量級的壓縮率。不過壓縮策略只適合存儲和傳輸?shù)臓顟B(tài)，服務于數(shù)據(jù)流形態(tài)； 在工作狀態(tài)時，壓縮和解壓過程會明顯消耗計算資源，對性能影響明顯，且若做整體壓縮則不利于精細地操作局部數(shù)據(jù)。

二是局部策略，就是只顯示用戶當前需要的局部模型。比如當前結構工程師在查看模型，則僅顯示模型的結構部分； 若暖通工程師在檢查二樓的設備，則可僅顯示二樓的設備； 用戶當前的關注點總是有限的。還有極端的做法，把當前視角不可見的，也從內(nèi)存和顯存中釋放掉，待轉過角度可見時，再作加載。

三是層次策略，就是按層次顯示不同精細度的模型，這也可算作是局部策略的延伸。比如用戶選擇看總體效果時，僅顯示粗略的模型，但顯示出模型全部，還顯示其附屬環(huán)境，以便查看整個建筑的形態(tài)布局； 而用戶選擇看局部細節(jié)時則顯示局部精細模型，方便查看精巧的細部設計； 還可以組合，視角的有限范圍內(nèi)顯示局部精細模型，遠處則顯示粗略的模型，方便用戶定位、識別、判斷。目前BIM已經(jīng)劃分了5級模型精細度層次LOD1～LOD5。

后面兩個策略適合工作和預備工作狀態(tài)，尤其適合數(shù)據(jù)庫形態(tài)，加載、切換、釋放方便。

2.2 數(shù)據(jù)庫混合存儲、與管理信息關聯(lián)交互

根據(jù)上文模型數(shù)據(jù)形態(tài)與輕量化分析，在建造信息系統(tǒng)中，模型的核心形態(tài)應當是數(shù)據(jù)庫形態(tài)，里面保存有BIM的全部信息，包括不同精細層次模型以及不同版本，還保存有與BIM關聯(lián)的管理信息，其它形態(tài)圍繞核心形態(tài)展開工作。工作時，按條件過濾，把需要的模型相關數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，內(nèi)存對象形態(tài)方便操作與顯示。傳輸備份時，則生成數(shù)據(jù)流，網(wǎng)絡收發(fā)或輸出輸入到文件，傳輸或備份也可以是按條件過濾的一部份數(shù)據(jù)。

BIM中構件模型一種有復雜層次的對象形式的數(shù)據(jù)，比如構件模型某一位置坐標x，數(shù)據(jù)存于[構件]->[位置]->[局部坐標系1]->[頂點1]->[x]。數(shù)據(jù)若存于關系型數(shù)據(jù)庫，將是多張復雜的關聯(lián)關系表，操作繁瑣； 更加難以克服的困難是：不同類型的構件模型需要的關聯(lián)關系表組合還不一樣，難以用一組統(tǒng)一的表結構來容納。因此經(jīng)過嘗試后選用對象文檔型(NoSQL型之一)數(shù)據(jù)庫MongoDB，存模型可以不受二維表的字段約束，多層次深入的屬性依舊可以做索引，方便數(shù)據(jù)檢索。而對于項目和企業(yè)管理的信息，關系型數(shù)據(jù)庫對其存儲管理已經(jīng)有成熟的模式，因此保留關系型數(shù)據(jù)庫，用MySQL存儲管理，也方便與其它管理系統(tǒng)做交互協(xié)同，同時通過ID與屬性數(shù)組關聯(lián)MongoDB中構件模型。這是種不同類型數(shù)據(jù)庫混合工作模式。

2.3 版本迭代與差異對比

數(shù)據(jù)庫中有足夠的空間保存不同版本的模型數(shù)據(jù)。當構件模型被更新提交到系統(tǒng)保存，系統(tǒng)不會覆蓋之前的構件模型數(shù)據(jù)，而是創(chuàng)建一條新紀錄來保存，并登記上最新的順序版本號。模型被使用時，一般是根據(jù)整體版本的指定來選用構件對應的順序版本，或者默認選用最新順序版本。而與構件模型關聯(lián)的管理信息，可采用構件編號與版本雙重關聯(lián)方式，需要時可更新關聯(lián)的構件模型版本。

在構件模型更新、版本迭代時，應先作模型數(shù)據(jù)比較，有差異時才作版本迭代。較容易實現(xiàn)的一個比較方法是：對模型內(nèi)存對象作屬性排序，而后序列化對象為字符串，比較字符串即可。形成的順序字符串也可顯示出來，方便用戶確認，做人工復核。同時迭代構件的前后版本模型還可以并列三維顯示，以及操作動作同步，方便用戶查看差異。

進一步，關聯(lián)的管理信息也可按模型整體版本，作對應的版本更迭，更迭的信息還可用作合同變更、工程索賠、以及工作審計等的依據(jù)。

2.4 基于WEB的模型顯示與操控

WebGL是一種三維的繪圖協(xié)議。也可以看作是一種基于WEB的圖形引擎，其英文全稱是Web Graphics Library。它將OpenGL圖形功能引入了JavaScript引擎，為HTML5的Canvas提供了硬件三維加速渲染，并提供JavaScript的API，使絕大多數(shù)WEB開發(fā)人員都能夠使用它，并不再需要給瀏覽器開發(fā)、維護、安裝專門的三維渲染插件。

當前WebGL被最廣泛地應用到各種平臺，不論是PC端的windows、linux、MacOS等，還是移動端的Android、iOS等，只要有瀏覽器能支持HTML5，或應用程序嵌入的瀏覽器控件支持HTML5，就可以運行WebGL。這也實現(xiàn)了另一種意義的輕量化，圖形引擎不再是一種專有的、高深的、重型的技術資產(chǎn)了。

WebGL提供的是底層技術平臺，Three.js作為中間件，它封裝了WebGL中大量基于數(shù)學、圖形學的底層接口，將復雜的底層接口簡單化為一組基礎對象及其操作方法，如幾何體、燈光、相機等等，極大地方便了圖形開發(fā)。

BIM有其特定的行業(yè)場景應用，不少是動畫、游戲等其他行業(yè)用不到的，比如透視相機與正交相機切換、標注軸線、模型剖切、模型分解、構件實體框選等等，通過進一步開發(fā)，已將這些模型操作標準化，封裝打包為JavaScript的控件，運用到了建造信息系統(tǒng)中。

JavaScript中的模型內(nèi)存對象，可方便地轉換為JSON格式報文，比較版本變化，或作為應用服務API的交換數(shù)據(jù)，或保存為備份文件； 也可方便地轉換為BSON格式，存儲于MongoDB數(shù)據(jù)庫中； 反之亦然。其中根據(jù)輕量化策略，可依據(jù)專業(yè)、區(qū)域、版本、精細度層次等條件，過濾出當前用到的局部數(shù)據(jù)，加載到工作用的模型內(nèi)存對象中； 傳輸或存儲用的JSON格式報文也可根據(jù)需要，采用過濾出的局部數(shù)據(jù)，同時采用壓縮策略，來輕量化。

圖1 數(shù)據(jù)庫結構示例

2.5 構件識別與追蹤管理

基于WebGL技術，BIM可被推廣應用到各種終端平臺，方便用戶查看識別模型，不過效率更高的還是編碼自動識別技術，目前被廣泛應用的有一維條碼、二維條碼和RFID。其中二維條碼和RFID能存更多的數(shù)據(jù)； 二維條碼可噴打、印刻、貼標簽，使用方便，成本低廉； 而RFID不需要直視條件，在一定距離范圍內(nèi)就行，自動識別更易。因此在系統(tǒng)中，首先選二維條碼為自動識別標識，后續(xù)還會加入RFID方便實現(xiàn)無人狀態(tài)下的自動識別。

通過固定式掃描器、手持式掃描器、以及手持式無線PDA可快速識別出編碼，記錄下工作狀態(tài)； 在PC端的管理界面，則反映為計劃狀態(tài)變更為實際進展； 在BIM中，這種變化可表達為構件模型的顏色變化。壓縮時間，在BIM中回放這個變化過程，可以追蹤實際狀態(tài)，幫助總結項目實施的經(jīng)驗教訓； 而壓縮時間，在BIM中將實施計劃播放出來，可模擬計劃過程，查漏補缺，幫助計劃完善。比如對某一緊急運輸批次構件模型，按進度計劃著色，可發(fā)現(xiàn)是否錯排了非緊急的構件； 或?qū)δ骋粯嫾褕觯催M度計劃著色，可發(fā)現(xiàn)是否有順序優(yōu)先的構件被壓在堆下部，不便于吊裝使用等。

3 原型實現(xiàn)與工程實踐

3.1 原型采用的技術

本原型系統(tǒng)包含有五個可獨立運行的部分，分別是：后臺服務端、PC建?？蛻舳恕C應用客戶端、平板客戶端、及手持式PDA(手機)端。

其中后臺服務端用Node.JS開發(fā)，基于面向服務的架構(SOA)，主要提供模型數(shù)據(jù)與管理信息的接口服務，服務通過HTTP協(xié)議以WebService的形式發(fā)布給各客戶端。后臺服務端包含有關系型MySQL和非關系型MongoDB數(shù)據(jù)庫，分別存儲管理信息和模型數(shù)據(jù)。圖1給出了數(shù)據(jù)庫結構示例。

PC建模客戶端以Auto-CAD+3D3S設計軟件為基礎，用C++實現(xiàn)了模型導出功能，模型導出存儲于JSON格式的文件，或直接提交JSON報文給WebService。

PC應用客戶端以Node-Webkit為基礎，采用Node.JS+HTML5開發(fā)，主要實現(xiàn)模型查看、操控、及與管理信息關聯(lián)交互的操作，并使用AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)技術，遠程調(diào)用后臺服務端的WebService服務。

平板客戶端和手持式PDA端都是Android應用，主要采用JavaScript+HTML5開發(fā)，小部分底層功能用java實現(xiàn)，也都采用AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)技術，遠程調(diào)用后臺服務端的WebService服務。平板客戶端實現(xiàn)PC應用客戶端的主要功能，方便工地現(xiàn)場攜帶使用； 手持式PDA端實現(xiàn)編碼自動識別和狀態(tài)記錄功能，方便工地現(xiàn)場操作。

3.2 原型主要功能

裝配式體系的建造過程主要劃分為生產(chǎn)、倉儲、運輸和安裝四個階段過程，整個建造過程主要的管理對象是建筑結構構件：基礎、梁、板、柱等。本原型系統(tǒng)圍繞這些階段過程，結合實際企業(yè)調(diào)研和自行開發(fā)的實踐，梳理裝配式建造信息系統(tǒng)的主要功能，如圖2系統(tǒng)主要功能所示。

圖2 系統(tǒng)主要功能

其中項目管理、系統(tǒng)管理部分是普通的信息管理功能，有關于項目、人員角色、系統(tǒng)設備、接口、及其相互操控關系等信息的管理； 模型轉換與ID管理對接模型數(shù)據(jù)并編碼生成標簽，為管理準備模型數(shù)據(jù)； 進度追蹤和實時狀態(tài)雖然沒有涵蓋建造管理的所有領域，但貫穿了整個建造過程，包括計劃編排、數(shù)據(jù)收集、狀態(tài)轉換、實時監(jiān)控，可綜合展示模型包括管理信息，以及建造狀態(tài)評估。

3.3 原型工程實踐

工程實踐應用某鍋爐廠工程項目的實際數(shù)據(jù)，對裝配式建造信息系統(tǒng)原型進行了實際部署和運行。該項目屬于典型的裝配式建筑體系，同時其構造復雜、裝配件數(shù)量較多，具備了裝配式建造項目的代表性。通過該案例應用，對基于BIM的裝配式建造信息系統(tǒng)，以及其中關鍵技術的實際應用效果，進行了驗證分析。

圖3 某鍋爐廠鋼結構模型

項目中使用的BIM模型來源于3D3S設計軟件，模型如圖3所示。3D3S將模型內(nèi)存對象轉化為JSON格式文件，如圖4(a)所示，PC客戶端解析文件，提交到服務器； 也可直接將之轉化的JSON格式流，通過進程間通信傳給PC客戶端，再提交服務器。本項目采用了JSON格式文件方式，通過其PC客戶端讀入模型數(shù)據(jù)，解析后發(fā)送至服務器端。服務器端接收到模型數(shù)據(jù)后，作為項目模型初始版本，并啟動對數(shù)據(jù)的自動處理，包括對模型構件進行編號和為每個裝配構件生成標簽信息等，最后分解保存入數(shù)據(jù)庫。

圖4 模型數(shù)據(jù)的接收與顯示

圖5 構件掃碼與模型狀態(tài)響應

此后以裝配構件為單元編排計劃，分配操作人員任務。依輕量化策略，藉任務需要，模型只需部分取出，與計劃列表信息關聯(lián)顯示如圖4(b)所示，左上角九宮格控制盤，方便鼠標操作模型。項目的實際進展情況通過手持式PDA掃碼錄入，如圖5(a)所示。二維碼標簽作為本工程中構件的標示，工廠生產(chǎn)人員和現(xiàn)場建造人員均可使用普通移動設備，掃碼識別查看信息，極大地方便了管理。服務器更新進度信息后，各方亦可實時查看狀態(tài)變化，圖5(b)展示建造過程中的模型狀態(tài)，已完成的部分顏色變?yōu)樗{色，右側則關聯(lián)顯示具體完成的構件列表及相關時間。

最后，當出現(xiàn)模型修改時，將變更模型上傳服務器，服務器檢測出更新部分，同步到自身數(shù)據(jù)庫，作新版本迭代，從而令模型與實際相符，方便工程順利推進。

4 展望

本文總結了BIM的技術特征與應用方向； 梳理了基于BIM的裝配式建造信息系統(tǒng)的關鍵技術問題，并針對問題研究了切實有效的技術方向和解決辦法； 最后形成比較完整的指導思想和技術方案，藉此開發(fā)了基于BIM的裝配式建造信息系統(tǒng)原型，并通過實際工程案例的測試，印證了技術方案與原型的可行性與實用性。后續(xù)將會在原型基礎上迭代開發(fā)出完善、實用的系統(tǒng)，推向行業(yè)應用市場。

不過從行業(yè)角度考慮，還有很多的工作有待推進，比如WebGL技術方面，Three.js解決了開發(fā)便利的問題，但性能是否可以優(yōu)化，參考底層的OPENGL效果，性能應該還有較大的提升空間； 再如信息系統(tǒng)方面，BIM技術如何與信息系統(tǒng)更好地結合，以便更有效地推廣，提高建筑行業(yè)整體信息化水平； 又如新興的云計算、大數(shù)據(jù)可以幫助BIM技術大規(guī)模并行擴展，人工智能可以在三維構件識別、處理方面大顯身手等等。因此BIM技術的應用研究不應局限于建筑行業(yè)內(nèi)，應盡快展開行業(yè)交叉研究，更多引入信息技術領域、管理科學領域的力量，共同推進BIM技術的發(fā)展和應用。