張佩竹 青 舟 付功云

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

BIM的發(fā)展經(jīng)歷了方案展示、BIM建模及應用兩個階段后，逐步向基于BIM平臺的信息化管理模式升級，“模型是基礎，管理是核心”的理念成為BIM應用的主流方向[1-2]。

工程建設過程中，在設計、施工、運維中各個階段，對于信息連接、可視化管理、信息化管理均有較強需求。為更好管理工程建設全過程，引入BIM平臺實現(xiàn)數(shù)字孿生、智慧工地、智慧建造、智慧運維等應用很有必要[3]。

全生命周期管理平臺是BIM應用的重要一環(huán)，三維引擎是BIM平臺的核心，結(jié)合某BIM全生命周期管理平臺的研發(fā)與項目實施案例，以選擇適合的三維引擎[4]。

1 三維引擎概述

隨著計算機可視化技術(shù)的發(fā)展，用戶對B/S訪問模式調(diào)用本地顯卡硬件資源實時渲染及承載復雜場景體量提出更高要求。傳統(tǒng)三維底層圖形技術(shù)采用OpenGL或DirectX程序編程接口(API)制作與應用三維模型[5-6]，存在場景設計與操作繁瑣、復雜場景程序編制不友好、建模工具編寫封裝困難、關(guān)鍵技術(shù)(如LOD分層加載、動態(tài)實時計算并裁剪)缺乏等問題，導致BIM平臺研發(fā)與應用過程中人力投入大、開發(fā)周期長、維護困難[7-8]。

在傳統(tǒng)三維底層圖形技術(shù)的基礎上，封裝硬件操作與三維圖形算法，形成普遍意義上的三維引擎，提供給開發(fā)者一個簡單易用、功能豐富的三維圖形環(huán)境，在三維引擎基礎上進行虛擬現(xiàn)實、三維交互、BIM可視化管理平臺二次開發(fā)等，極大提高開發(fā)效率、提升穩(wěn)定性并減少底層技術(shù)研發(fā)費用投入。

BIM全生命周期管理平臺三維引擎需封裝ATI與NVIDIA顯卡芯片操作、OpenGL或DirectX編程接口，形成具有系統(tǒng)模塊、底層渲染模塊、控制臺模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡模塊的三維引擎開發(fā)包，輸出API函數(shù)接口與插件，以供開發(fā)者進行三維應用擴展開發(fā)[9]。三維引擎技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 三維引擎技術(shù)架構(gòu)

2 三維引擎選型的重要性

Information和Modeling(Management)是BIM全生命周期管理平臺的靈魂[10]，可理解為三維模型作為信息載體，實現(xiàn)信息化管理平臺過程數(shù)據(jù)三維可視化展現(xiàn)，其中以三維模型作為載體是與其他二維信息化管理平臺的最大區(qū)別。

BIM平臺要實現(xiàn)多專業(yè)、多角色、一體化的三維可視化管理，關(guān)鍵在于其三維引擎能夠承載大體量、多專業(yè)三維模型，并且能夠流暢操作訪問。如果選擇的三維引擎無法承載或無法流暢操作，則BIM平臺無法應用于實際工程建設管理。以軌道交通工程為例，長度為20 km的軌道交通工程，其BIM平臺需承載三維模型體量約為33 GB，承載體量計算見表1。

表1 20 km軌道交通工程BIM平臺承載體量

不難看出，BIM平臺產(chǎn)品化研發(fā)，關(guān)鍵在于三維引擎自身擁有實現(xiàn)大量與工程信息化管理業(yè)務結(jié)合的接口，且具有較高的二次開發(fā)自由度。如果選擇的三維引擎功能接口暴露少，硬件支持不夠，那么即使BIM平臺功能齊全、二次開發(fā)團隊能力強、界面布局美觀， 也難以實現(xiàn)既定目標。

3 三維引擎選型

《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》指出，十三五時期，全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應用能力[11]。BIM全生命周期管理平臺三維引擎選型需響應政策要求與順應技術(shù)發(fā)展的趨勢。三維引擎能夠滿足BIM與物聯(lián)網(wǎng)、移動APP、云計算、GIS等技術(shù)結(jié)合應用，并適應Windows、MacOS、Linux、IOS、Android操作系統(tǒng)及各種瀏覽器多端應用。

通過三維引擎適應性比較可以看出，基于OpenGL的三維底層圖形技術(shù)開發(fā)包應契合BIM平臺需求，初步滿足多種操作系統(tǒng)、移動端應用、基于三維模型的管理應用的需求。適應性比較見表2。

表2 主流底層圖形技術(shù)適應性比較

采用主流三維引擎平臺產(chǎn)品進行二次開發(fā)，如Dassault HOOPS、Skyline Globe、SuperMap GIS、ArcGIS Platform、BE BIM Cloud等，而隨著技術(shù)進步，基于先進的WebGL三維引擎研發(fā)逐步成為技術(shù)發(fā)展趨勢。

ActiveX控件應用模式為采用Web對象的鏈接與嵌入、OpenGL提供底層圖形庫，通過在Web瀏覽器中安裝控件的方式實現(xiàn)三維展示與管理。

WebGL(Web Graphics Library)3D繪圖協(xié)議隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而進步，OpenGL三維圖形API子集OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)針對手機、PDA和游戲主機等嵌入式設備而設計，通過增加OpenGL ES 2.0 JavaScript綁定派生而出。WebGL可為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，程序開發(fā)人員可以通過WebGL調(diào)用系統(tǒng)顯卡在瀏覽器中展示與應用3D模型場景[12]。

ActiveX控件與WebGL三維引擎均可用于BIM平臺開發(fā)，其主要技術(shù)要素如下[13]。

(1)驅(qū)動性：基于三維引擎研發(fā)BIM平臺，驅(qū)動軟硬件實現(xiàn)應用。

(2)完整性：能夠完整實現(xiàn)BIM應用的功能函數(shù)。

(3)獨立性：三維引擎不依賴于應用而獨立存在。

(4)高隱藏性：復雜的底層算法隱藏在容易確定的代碼中，只暴露簡單的接口。

(5)可擴展性：三維引擎技術(shù)架構(gòu)具有良好層次，對象與資源模塊化，易于二次開發(fā)。

(6)發(fā)展趨勢：符合互聯(lián)網(wǎng)+、移動APP、云計算與GIS結(jié)合等技術(shù)應用發(fā)展趨勢。

(7)環(huán)境配置：對操作系統(tǒng)、瀏覽器具有高適應性，無需配置復雜的三維場景環(huán)境。

(8)穩(wěn)定性：運行穩(wěn)定，不出現(xiàn)三維場景環(huán)境崩潰的情況。

(9)應用前景：開發(fā)完成后在其他項目是否可以長期延用。

(10)三維效果：渲染能力強、色彩豐富、場景逼真、粒子效果占用資源小等。

(11)模型承載：對大體量模型能夠輕量化轉(zhuǎn)換承載，展示效果好，并且能夠流暢操作。

綜合以上技術(shù)要求進行比選，從ActiveX控件模式與WebGL中選擇適合BIM全生命周期管理平臺開發(fā)的三維引擎[14]，比選結(jié)果見表3。

由表3可知，在驅(qū)動性、可擴展性、發(fā)展趨勢、環(huán)境配置、穩(wěn)定性、應用前景上，WebGL均優(yōu)于ActiveX控件；在完整性、獨立性、高隱藏性、模型承載方面則相差無幾；在三維效果上，雖然WebGL略低于ActiveX控件，但是WebGL處于起步階段的高速發(fā)展期，預計短期就可以超越ActiveX。

表3 ActiveX與WebGL比選

WebGL三維引擎無需安裝控件，可直接在Windows、IOS、Android等操作系統(tǒng)中使用，支持IE 11.0、Google Chrome 36.0、Firefox 36.0、Opera 22.0、IOS Safari 8.0及以上版本。

WebGL三維引擎具有廣泛的適應性，無需重復開發(fā)，便于管理，具有統(tǒng)一、標準、跨平臺接口。綜上，WebGL是目前BIM全生命周期管理平臺三維引擎最佳選擇。

4 基于WebGL三維引擎的BIM平臺技術(shù)架構(gòu)

基于WebGL三維引擎的BIM全生命周期管理平臺，采用4層架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)層、服務層、展示層及訪問層[15]，見圖2。

圖2 基于WebGL三維引擎BIM平臺架構(gòu)

數(shù)據(jù)層基于IFC國際標準，將模型存儲、數(shù)據(jù)庫信息錄入BIM平臺，文件存儲采用MongoDB、關(guān)系型數(shù)據(jù)采用MySQL或Oracle、高速緩存及大數(shù)據(jù)吞吐采用Redis。

服務層包含基礎服務、擴展服務、配置管理及運行環(huán)境配置。

展示層基于WebGL三維引擎實現(xiàn)基礎功能，場景管理、漫游交互、影像工具、地形工具、視點工具、測量、剖切等。在基礎功能上結(jié)合業(yè)務需求，實現(xiàn)設計階段的成果協(xié)同與可視化交互，施工階段的安全、進度、質(zhì)量、成本管理等應用，運維階段的資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、維護管理、物資管理、應急管理、調(diào)度管理、知識庫建設等應用。

訪問層支持在Windows、Linux、MacOS、IOS、Android等操作系統(tǒng)中使用IE、Chrome、Firefox、Safari、360、QQ。

5 應用案例

深茂鐵路是國家鐵路網(wǎng)建設“十二五”規(guī)劃的一條重要鐵路干線，建成后將與廣茂線一起構(gòu)成廣東西部與珠江三角洲的快速客貨運干線，成為我國沿海鐵路大動脈的重要組成部分。越珠江口隧道工程是深茂鐵路二期的控制性工程，該工程項目具有以下特點：①建設規(guī)模大，隧道長約13km，是目前國內(nèi)最長的鐵路水下隧道；②環(huán)境條件復雜，沿線港口、碼頭密集，航道等級高；③地質(zhì)條件復雜，河床水深變化大、地質(zhì)條件復雜多變；④技術(shù)難度大，無論采用什么工法修建，技術(shù)上都存在很大的難度。為解決工程中的風險，引入BIM進行可視化管理。

深茂鐵路越珠江口隧道項目BIM應用主要為建立標準模型，基于WebGL三維引擎的BIM全生命周期管理平臺，實現(xiàn)海底隧道環(huán)境的可視化展現(xiàn)、施工現(xiàn)場的安全風險管控、指導施工等。

BIM全生命周期管理平臺施工階段功能已經(jīng)處于上線實施階段，BIM模型結(jié)合GIS構(gòu)建模型，作為整個BIM項目的基礎。通過對模型的開發(fā)運用，分別從盾構(gòu)監(jiān)控、進度管理、風險源展示、監(jiān)控量測、隱患管理、視頻監(jiān)控、地質(zhì)剖切、預警處置、臺賬報表、VR展示等方面對深茂鐵路越珠江口隧道進行可視化管理。BIM全生命周期管理平臺在深茂鐵路越珠江口隧道項目施工階段應用效果見圖3、圖4。

圖3 BIM平臺集成盾構(gòu)機數(shù)據(jù)三維可視化管理

圖4 BIM平臺關(guān)聯(lián)監(jiān)測信息分析預警

6 結(jié)語

通過深茂鐵路越珠江口隧道BIM全生命周期管理平臺的應用，檢驗了WebGL引擎性能、應用開發(fā)接口、管理模式、承載能力等功能，可滿足BIM平臺應用需求。不難看出，WebGL三維引擎是一款適應技術(shù)趨勢、移動應用方向、具有廣泛的適應性的三維引擎。