李 鑫 蔣綺琛 于 鑫 陳濱津

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

引言

當(dāng)今，我國(guó)建筑業(yè)已經(jīng)進(jìn)入推進(jìn)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化，重視質(zhì)量和創(chuàng)新的新時(shí)代，BIM技術(shù)的應(yīng)用助力數(shù)字建造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。與此同時(shí)，因建設(shè)工程對(duì)BIM技術(shù)的需求層次不同，成本承擔(dān)能力參差不齊，在進(jìn)行涵蓋多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域且數(shù)據(jù)量龐大的BIM應(yīng)用集成管理過(guò)程中，既無(wú)法方便地將工程數(shù)據(jù)攜帶到現(xiàn)場(chǎng)，也無(wú)法方便地將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)，為了解決BIM全模型技術(shù)相對(duì)較“重”的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外同行做了很多有益的探索。

首先，國(guó)外通用的輕量化產(chǎn)品以Autodesk公司的BIM360和Forge為主。這類(lèi)輕量化產(chǎn)品基本都是基于WebGL或者OpenGL引擎涉及封裝之后的成品輕量化產(chǎn)品。但因?yàn)榭紤]數(shù)據(jù)信息的安全性，這些產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的應(yīng)用普及率不高。

然后，國(guó)內(nèi)的BIM模型輕量化技術(shù)正處于發(fā)展階段，BIM協(xié)同平臺(tái)均存在多種使用性能方面的缺陷。BIM技術(shù)應(yīng)用尚難以解決工程數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和多方參與協(xié)同管理的問(wèn)題。

綜上所述，面對(duì)國(guó)內(nèi)外輕量化產(chǎn)品普及率不高或者性能不完善的現(xiàn)狀，從保證中建八局BIM協(xié)同管理平臺(tái)的實(shí)用性考量，如果可以研究并且應(yīng)用BIM技術(shù)輕量化的技術(shù)及其概念，必定可以大幅度地推進(jìn)BIM技術(shù)在企業(yè)中的推廣，進(jìn)而支持項(xiàng)目的協(xié)同工作，提高項(xiàng)目管理效率。

1 BIM輕量化技術(shù)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究中，基于BIM輕量化的協(xié)同管理平臺(tái)，通過(guò)對(duì)Revit、Bently、Civil 3D等軟件的BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)處理，以自主開(kāi)發(fā)渲染引擎進(jìn)行3D展示。在平臺(tái)上，將項(xiàng)目施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)、技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度、材料管理與BIM模型結(jié)合，在PC端、移動(dòng)端、網(wǎng)頁(yè)端實(shí)現(xiàn)BIM模型查看，業(yè)務(wù)處理，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的集成管理。中建八局BIM協(xié)同管理平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 中建八局BIM協(xié)同管理平臺(tái)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)輕量化底層。通過(guò)BIM輕量化技術(shù)與平臺(tái)多端操作的結(jié)合，解決了企業(yè)BIM應(yīng)用落地過(guò)程中所面臨的模型較重的核心問(wèn)題。

(2)業(yè)務(wù)管理層。在掌握我局BIM應(yīng)用的主要業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，將輕量化的BIM模型與業(yè)務(wù)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)與項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)的集成。

(3)應(yīng)用展現(xiàn)層。現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員使用便捷的模型，確保高度一致的數(shù)據(jù)，使溝通效率有了大幅度的提升，項(xiàng)目移動(dòng)辦公更方便。

1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在工程實(shí)踐中，需按照實(shí)際使用模型的情況，轉(zhuǎn)化BIM模型的數(shù)據(jù)格式，輕量化的改造圖形，屬性數(shù)據(jù)篩選與復(fù)用，模型的云渲染展示，多端交互的數(shù)據(jù)應(yīng)用，以便能夠在不同階段查看模型的關(guān)鍵信息，便于一線工程技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)便捷地調(diào)用模型，充分發(fā)揮BIM模型的數(shù)據(jù)可識(shí)別、信息可關(guān)聯(lián)等特性，使BIM技術(shù)融入到整個(gè)項(xiàng)目工程管理體系中。

1.2.1 基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的模型文件轉(zhuǎn)換

BIM輕量化技術(shù)的基本手段標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式化。在工程實(shí)踐中，三維模型的數(shù)據(jù)來(lái)自建造行業(yè)的多個(gè)專(zhuān)業(yè)。土建、機(jī)電、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻等專(zhuān)業(yè)BIM人員會(huì)使用Revit，Tekla，MagiCAD，Civil 3D等等不同的BIM軟件創(chuàng)建三維模型和他們所需要的數(shù)據(jù)，我們需考慮多源數(shù)據(jù)兼容的問(wèn)題。

目前，BIM沒(méi)有能夠建立一個(gè)完整統(tǒng)一的應(yīng)用軟件體系，各參與項(xiàng)目人員之間交換信息時(shí)，必須把BIM模型變成現(xiàn)在主流的以IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)的模型，才能夠完成數(shù)據(jù)交換。BIM信息協(xié)同管理平臺(tái)支持不同BIM軟件之間完成以IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的信息交換，從而確保兩種BIM模型之間共享和交換信息的通暢性。

1.2.2 基于語(yǔ)義解析分割的圖形輕量化

輕量化的核心數(shù)據(jù)依然是BIM模型。由于構(gòu)成BIM模型的構(gòu)件數(shù)量非常多，并且單個(gè)構(gòu)件的信息都比較復(fù)雜，使得BIM模型的數(shù)據(jù)龐大。

首先三維模型的數(shù)據(jù)，需要從各種建模軟件中獲取，在處理這些數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)盡量獲取基本的圖形參數(shù)，而不是確切的三角面片圖形，這樣不僅可以保證三維模型數(shù)據(jù)輕量化，而且還能更好地詮釋圖形數(shù)據(jù)表達(dá)的含義。通過(guò)這些參數(shù)化的圖形數(shù)據(jù)，在各端通過(guò)不同的功能需求翻譯成需要的幾何圖形來(lái)展示。

三角面片優(yōu)化存儲(chǔ)技術(shù)是輕量化最重要的一項(xiàng)指標(biāo)。通過(guò)BIM參數(shù)化的圖形數(shù)據(jù)，在各端通過(guò)不同的功能需求翻譯成需要的幾何圖形來(lái)展示。先按照網(wǎng)格相似性匹配的原則分析各構(gòu)件的相似性，并且利用同一組三角網(wǎng)格對(duì)相似幾何外形的構(gòu)件進(jìn)行表示； 然后利用矩陣轉(zhuǎn)換的方法，對(duì)其空間進(jìn)行存儲(chǔ)。轉(zhuǎn)換原則如圖2所示。

圖2 BIM參數(shù)化圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原則

因?yàn)榻ㄖＰ蛿?shù)據(jù)量匯集了各專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)，模型的三角面片數(shù)會(huì)達(dá)到數(shù)千萬(wàn)，內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)在20～30G以上。在常規(guī)的繪制流程下平臺(tái)無(wú)法裝載整個(gè)數(shù)據(jù)，繪制也非?？D，因此需要通過(guò)多種手段加速場(chǎng)景的繪制，并精簡(jiǎn)、控制內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)。在本研究中，通過(guò)遮擋剔除、批量繪制、多重LOD的方法來(lái)提高優(yōu)化渲染效果。BIM輕量化技術(shù)基于映射的存儲(chǔ)方式如圖3所示。

圖3 BIM輕量化技術(shù)基于映射的存儲(chǔ)方式

1.2.3 基于插件的屬性數(shù)據(jù)篩選與復(fù)用

BIM模型輕量化技術(shù)作為模型創(chuàng)建與應(yīng)用的中間環(huán)節(jié)，決定了BIM模型輕量化解決方案必須具備如下兩個(gè)方面的技術(shù)：一方面，對(duì)引擎進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一個(gè)模型文件。利用二次開(kāi)發(fā)BIM軟件，有效地組織及提取BIM模型里面的信息，建立一個(gè)導(dǎo)出后占用存儲(chǔ)空間較小的文件，且對(duì)原始BIM文件里面的關(guān)鍵信息進(jìn)行保留； 另外，解析引擎對(duì)導(dǎo)出的文件進(jìn)行解析，把文件里面的關(guān)鍵信息進(jìn)行還原，進(jìn)行模型的瀏覽與顯示。

(1)構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)篩選。對(duì)BIM模型構(gòu)件所對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，用軟件進(jìn)行篩選。數(shù)據(jù)從建模軟件中獲取或者在軟件功能中用戶(hù)自己手動(dòng)輸入，根據(jù)BIM軟件不同的使用目的，會(huì)舍棄不相關(guān)的冗余數(shù)據(jù)，選取相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)存取。輕量化必須確保數(shù)據(jù)盡可能地精簡(jiǎn)，每次只獲取當(dāng)前功能相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在平臺(tái)整個(gè)軟件體系中共用，不同的客戶(hù)端使用不同的方式，保證不缺失需要的數(shù)據(jù)。

圖4 模型文件轉(zhuǎn)換插件的構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)篩選

(2)復(fù)用性數(shù)據(jù)提取。使用同一個(gè)數(shù)據(jù)達(dá)到多種應(yīng)用目的，是復(fù)用性數(shù)據(jù)提取技術(shù)在輕量化中的重要思想。軟件功能和實(shí)際復(fù)用頻率決定了復(fù)用性數(shù)據(jù)的選擇。從基本的模型中變換得到其它同類(lèi)的模型，這種復(fù)用性數(shù)據(jù)提取技術(shù)，可以節(jié)省大量的數(shù)據(jù)量，是輕量化的一個(gè)重要組成。

1.2.4 基于云渲染的BIM模型展示

在實(shí)現(xiàn)BIM模型展示的過(guò)程中，為了將一個(gè)物體繪制到屏幕上，需要發(fā)起一次圖形API繪制調(diào)用。為了優(yōu)化性能、負(fù)載均衡，可以將具有相同狀態(tài)(例如相同材質(zhì))的物體合并到一次繪制調(diào)用中，通過(guò)合并物體來(lái)減少繪制調(diào)用，從而帶來(lái)性能的優(yōu)化。結(jié)合動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的批次合并策略，達(dá)到渲染流暢度的提升。

1.2.5 基于多端交互的數(shù)據(jù)應(yīng)用

項(xiàng)目級(jí)的BIM協(xié)同管理平臺(tái)支持PC端、移動(dòng)端和網(wǎng)頁(yè)端的多平臺(tái)使用，各端的功能劃分是應(yīng)用層輕量化必須重點(diǎn)解決的問(wèn)題。WebGL適用于各大市場(chǎng)主流瀏覽器的使用，無(wú)需配置或下載任何插件就能夠在網(wǎng)頁(yè)端對(duì)一些復(fù)雜的三維BIM模型以及二維圖紙完成瀏覽。OpenGL適用于移動(dòng)端和PC端的運(yùn)行平臺(tái)。

(1)PC端平臺(tái)應(yīng)用

鑒于固定端突出的性能，可以勝任大批量、高逼真的模型展示，大批量數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和錄入，直觀的數(shù)據(jù)管理等功能，設(shè)備可以完成更高層級(jí)的功能。

(2)網(wǎng)頁(yè)端平臺(tái)應(yīng)用

中建八局BIM協(xié)同管理平臺(tái)，基于WebGL解決方案的網(wǎng)頁(yè)端應(yīng)用，在網(wǎng)頁(yè)端實(shí)現(xiàn)進(jìn)行場(chǎng)景漫游、查詢(xún)建筑信息、尺寸測(cè)量等基本功能，方便項(xiàng)目管理人員隨時(shí)查看了解工程項(xiàng)目信息，同時(shí)也降低使用門(mén)檻，加快平臺(tái)的普及應(yīng)用。

(3)移動(dòng)端平臺(tái)應(yīng)用

手機(jī)或者平板這種配置一般的移動(dòng)端，由于它們攜帶方便，可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作。移動(dòng)端通過(guò)最小化的數(shù)據(jù)展示來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)更多平臺(tái)功能的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖5 PC端模型操作使用效果展示

圖6 移動(dòng)端模型操作使用效果展示

移動(dòng)端需要提供實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，如拍照，錄音，記錄問(wèn)題等功能?？砂l(fā)送消息或者錄入簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)?？紤]移動(dòng)端設(shè)備性能的局限，模型展示應(yīng)劃分區(qū)域處理?？梢酝ㄟ^(guò)按單個(gè)樓層、單個(gè)專(zhuān)業(yè)或者樓層與專(zhuān)業(yè)相結(jié)合的方式劃分模型。

1.3 性能對(duì)比分析

對(duì)BIM協(xié)同管理平臺(tái)與國(guó)內(nèi)外頂級(jí)平臺(tái)的輕量化技術(shù)，從模型打開(kāi)速度、上傳體量上限、模型上傳速度、總體輕量化效果等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。平臺(tái)模型上傳體量上限為10GB，高于廣聯(lián)達(dá)協(xié)筑、歐特克BIM360采用云端轉(zhuǎn)換的平臺(tái)； 測(cè)試上傳289MB模型的數(shù)據(jù)壓縮比為22.2，模型打開(kāi)時(shí)間5s，不但數(shù)據(jù)壓縮比高、打開(kāi)速度快，而且輕量化后的模型在與同類(lèi)平臺(tái)的操作功能對(duì)比中也體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖7 同類(lèi)平臺(tái)BIM模型輕量化性能的對(duì)比分析

圖8 超大體量模型在平臺(tái)中流暢展示

2 工程應(yīng)用實(shí)踐

BIM協(xié)同管理平臺(tái)輕量化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型在Web端、移動(dòng)端的“輕量化”應(yīng)用模式，規(guī)模較大的BIM模型在完成輕量化操作之后，模型大小可壓縮到原文件的5%～20%，讓中建八局的工程管理人員，無(wú)需安裝專(zhuān)業(yè)建模軟件即可使用BIM模型開(kāi)展各類(lèi)應(yīng)用，有效地降低了BIM技術(shù)深度應(yīng)用過(guò)程中對(duì)軟硬件的性能要求。

圖9 各單位的C8BIM平臺(tái)項(xiàng)目覆蓋情況

圖10 歸集全局BIM模型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

(1)BIM協(xié)同管理平臺(tái)已面向全局18個(gè)分公司、覆蓋項(xiàng)目數(shù)量1 500余個(gè)，歸集全局BIM模型總計(jì)11 000余個(gè)；

(2)通過(guò)對(duì)BIM輕量化數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的研究，對(duì)我局1 500余個(gè)項(xiàng)目的BIM模型在功能和信息量上進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低其對(duì)軟硬件的性能要求，減少參與人員的工作量，節(jié)約應(yīng)用BIM技術(shù)的成本；

(3)一線工程技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)便攜的使用模型，解決了數(shù)據(jù)信息瀏覽困難的問(wèn)題，并保證數(shù)據(jù)的一致性，提高了溝通效率，使得項(xiàng)目移動(dòng)辦公更方便，項(xiàng)目管理效率更高。

3 結(jié)論

平臺(tái)所應(yīng)用的BIM輕量化技術(shù)，解決了企業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用落地的核心問(wèn)題。在滿(mǎn)足了大型項(xiàng)目的BIM深度應(yīng)用需求的同時(shí)，通過(guò)精細(xì)的權(quán)限管控，可以既滿(mǎn)足不同協(xié)同方之間數(shù)據(jù)查看共享的需求，又較大提升了工作效率，為項(xiàng)目精細(xì)化管理做出了有益的探索。后續(xù)我們將繼續(xù)加大平臺(tái)的推廣培訓(xùn)力度，擴(kuò)大平臺(tái)的使用覆蓋率。通過(guò)后續(xù)的工程實(shí)踐，對(duì)平臺(tái)功能進(jìn)行進(jìn)一步完善，使其發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。