王健，陳濤

（廣西機(jī)械工業(yè)研究院有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)BIM 技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，特別是在公路橋梁設(shè)計(jì)施工階段、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)階段以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。因此，將輕量化BIM技術(shù)應(yīng)用到高速公路建設(shè)運(yùn)維管理平臺(tái)中，對(duì)提高系統(tǒng)可靠性和管理效率具有重要意義。通過(guò)多個(gè)參數(shù)對(duì)比分析驗(yàn)證該模型輕量化方法能夠有效提升平臺(tái)用戶體驗(yàn)。

1 基于WebGL 的BIM 輕量化平臺(tái)技術(shù)必要性

BIM 技術(shù)的應(yīng)用為工程建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期提供了一個(gè)三維可視化管理平臺(tái)，大大提高了工程建設(shè)的效率和質(zhì)量。該框架以WebGL 為渲染引擎實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)BIM 中的三維模型渲染、WebGL 本地三維模型顯示、施工模擬、工作流管理和協(xié)同辦公等功能，從而提供了一個(gè)輕量化的高速公路建設(shè)運(yùn)維管理平臺(tái)。BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程項(xiàng)目全生命周期的技術(shù)，而輕量化BIM 就是利用輕量化三維場(chǎng)景引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)BIM在工程應(yīng)用中的可視化、高效化，它是一種新的BIM 形式，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：它可以實(shí)現(xiàn)較低成本地構(gòu)建出高質(zhì)量、高效率的三維場(chǎng)景，并實(shí)現(xiàn)與其他平臺(tái)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作?；赪ebGL 技術(shù)進(jìn)行三維場(chǎng)景構(gòu)建，可輕松地將模型與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。從而減輕了前端開(kāi)發(fā)人員工作量，使系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性和靈活性。輕量級(jí)BIM 中可裝配的構(gòu)件數(shù)量相對(duì)較多，并且可以靈活地將一些復(fù)雜構(gòu)件拆分成多個(gè)單獨(dú)的組件。通過(guò)這些組件之間的關(guān)聯(lián)和組合，可大大提高模型搭建效率?；谳p量級(jí)BIM 系統(tǒng)平臺(tái)可進(jìn)行高質(zhì)量三維場(chǎng)景構(gòu)建及應(yīng)用開(kāi)發(fā)，可以廣泛應(yīng)用于隧道、橋梁、道路等領(lǐng)域的建設(shè)管理與運(yùn)維工作中。該系統(tǒng)基于輕量級(jí)三維場(chǎng)景引擎架構(gòu)已在“智慧高速”平臺(tái)進(jìn)行了初步應(yīng)用驗(yàn)證，具有一定推廣價(jià)值。

2 基于WebGL 的輕量化BIM 技術(shù)在高速公路建設(shè)運(yùn)維管理平臺(tái)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)框架

基于WebGL 的輕量化BIM 技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁┝艘粋€(gè)交互友好、功能豐富的可視化平臺(tái)，其主要用于解決目前國(guó)內(nèi)BIM 軟件造價(jià)高昂、實(shí)施難度大、與施工過(guò)程脫節(jié)等問(wèn)題。輕量化BIM 主要包含四大部分：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層和用戶層?；A(chǔ)設(shè)施層主要包括地形地物和建筑的三維模型層將工程建設(shè)中的基本元素（幾何實(shí)體、材質(zhì)、紋理等）以三維數(shù)字化形式展示出來(lái)；數(shù)據(jù)層將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可直接瀏覽和查詢的矢量格式，方便用戶瀏覽和操作；用戶層將矢量數(shù)據(jù)加載到瀏覽器端進(jìn)行圖形顯示。輕量級(jí)BIM 通過(guò)多維數(shù)據(jù)集成，將復(fù)雜信息以直觀方式呈現(xiàn)出來(lái)，并在平臺(tái)中提供了多層次的操作界面。

輕量級(jí)BIM 通過(guò)WebGL 瀏覽器的渲染、腳本、插件等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)BIM 模型的輕量化。該技術(shù)可通過(guò)不同的瀏覽器，或者自定義不同瀏覽器下的輕量化實(shí)現(xiàn)方式。在輕量級(jí)BIM 系統(tǒng)框架中，主要包括了Web 端和客戶端兩個(gè)部分。Web 端包括了四個(gè)子系統(tǒng)：模型構(gòu)建系統(tǒng)、三維場(chǎng)景展示系統(tǒng)、三維模型與施工圖紙融合顯示系統(tǒng)以及施工過(guò)程管理與監(jiān)控系統(tǒng)?？蛻舳税藬?shù)據(jù)庫(kù)管理和輕量化API 兩個(gè)部分。本文基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)BIM 框架，通過(guò)不斷的調(diào)整優(yōu)化，使之成為一種輕量化BIM 技術(shù)手段，最后應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域當(dāng)中去。輕量化BIM 系統(tǒng)框架，其核心技術(shù)是基于WebGL 實(shí)現(xiàn)的三維模型渲染功能。該技術(shù)包括3個(gè)部分：首先是三維模型渲染，通過(guò)WebGL 技術(shù)在瀏覽器端渲染并顯示三維模型。其次是基于WebGL 的幾何紋理處理，可將幾何對(duì)象映射到虛擬場(chǎng)景中，并通過(guò)OpenCV（open source computer vision）將真實(shí)場(chǎng)景渲染到三維模型上。最后是基于Cesium（common web engine）技術(shù)的實(shí)時(shí)交互功能，通過(guò)這種方式可以使三維模型更加真實(shí)地貼合現(xiàn)實(shí)環(huán)境，同時(shí)也支持用戶與三維模型的實(shí)時(shí)交互。

基于輕量化BIM 技術(shù)，在實(shí)際項(xiàng)目中通過(guò)該輕量級(jí)框架開(kāi)發(fā)了高速公路建設(shè)運(yùn)維管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“建設(shè)運(yùn)維系統(tǒng)”），其中包含了管理子系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)管理子系統(tǒng)等，該系統(tǒng)運(yùn)行后有效地提高了項(xiàng)目管理效率，減少了人力成本的投入。具體應(yīng)用展示如下：通過(guò)輕量化BIM技術(shù)在項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用，有效的提升了項(xiàng)目前期決策效率、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率、施工過(guò)程安全防護(hù)效率等。利用輕量化BIM 技術(shù)構(gòu)建了高速公路建設(shè)運(yùn)維一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理、資源的共享共用以及數(shù)據(jù)更新維護(hù)等功能。通過(guò)輕量化BIM 技術(shù)構(gòu)建的建設(shè)運(yùn)維一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)，使運(yùn)維單位能夠方便快捷地完成工作流程并獲得直觀有效的效果統(tǒng)計(jì)分析，為項(xiàng)目后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供指導(dǎo)作用[1]。

2.2 路基模型簡(jiǎn)化

BIM 技術(shù)的應(yīng)用，為高速公路建設(shè)運(yùn)維管理帶來(lái)了便利。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)BIM 技術(shù)，可對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行可視化的模擬，包括構(gòu)件制作、模型裝配、模擬施工等。在模型裝配過(guò)程中，由于有模型和數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)較多，流程相對(duì)復(fù)雜且效率較低。而B(niǎo)IM 模型在通過(guò)WebGL 進(jìn)行交互時(shí)，其優(yōu)勢(shì)較為明顯。在基于WebGL 的BIM 輕量化技術(shù)下，在路基模型構(gòu)建方面，高速公路建設(shè)運(yùn)維平臺(tái)可以通過(guò)輕量化BIM 技術(shù)，利用Three.js 三維圖形引擎，對(duì)項(xiàng)目中的路基模型進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)及輕量化封裝。最后使用WebGL 對(duì)簡(jiǎn)化后的路基模型進(jìn)行可視化交互。將公路實(shí)體抽象為一系列的數(shù)據(jù)塊，并采用輕量化BIM 技術(shù)構(gòu)建了基于VRML 的輕量化BIM 模型；基于輕量化BIM 模型及輕量化BIM技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)輕量化、高性能且操作簡(jiǎn)單的可視化交互平臺(tái)；以高速公路建設(shè)運(yùn)維管理平臺(tái)為例展示了輕量化BIM 技術(shù)在項(xiàng)目中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)[2]。

在實(shí)際操作中，其主要根據(jù)高速公路的縱斷面以及橫斷面來(lái)對(duì)路基的基本結(jié)構(gòu)以及形狀進(jìn)行構(gòu)建，并通過(guò)高速公路中的邊坡以及路面上的特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。之后采用四邊形模型建設(shè)，將不同特征點(diǎn)連接起來(lái)。在該過(guò)程中，形成的模型面隨著特征點(diǎn)密度減小，其模型也會(huì)更加簡(jiǎn)化，且模型面的數(shù)量也會(huì)更少。在模型建立過(guò)程中，采用了QEM 算法，QEM 算法比較經(jīng)典，在使用中可以簡(jiǎn)化復(fù)雜高速公路情況。其在使用中會(huì)將模型簡(jiǎn)化，刪除部分端點(diǎn)以及連線，簡(jiǎn)化折疊邊數(shù)量，形成全新的格網(wǎng)模型。在簡(jiǎn)化比例的選擇方面，需要就不同簡(jiǎn)化程度的模型進(jìn)行對(duì)比以及測(cè)量。比如對(duì)高速公路路基進(jìn)行模型簡(jiǎn)化時(shí)，公路的和斷面間距為7m，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化之后，模型中間距數(shù)值會(huì)降低，且模型展現(xiàn)的模型面以及數(shù)據(jù)量也會(huì)更少。5m 的模型比7m 的模型數(shù)據(jù)更少，而3m 的模型也會(huì)比5m 模型的數(shù)據(jù)量更少。想要對(duì)高速公路中路基的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行規(guī)劃，簡(jiǎn)化需要被控制在一定的范圍內(nèi)，過(guò)于簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致模型精細(xì)度不足，從而產(chǎn)生模擬誤差。因此，在BIM 技術(shù)的控制下，對(duì)不同間距表現(xiàn)下的模型精細(xì)度以及輕量化程度進(jìn)行綜合考慮，發(fā)現(xiàn)3m、5m、7m 的簡(jiǎn)化后比例進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)比例大于90%，也就是3m 模型建立之后，整體模型數(shù)據(jù)變動(dòng)較大，而最佳比例約為70%，即5m 簡(jiǎn)化模型，因此在高速公路建設(shè)運(yùn)維管理中可以采用該種模型作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 BIM+GIS 綜合管理

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，高速公路運(yùn)營(yíng)管理的信息化、數(shù)字化和智能化水平日益提高。為滿足高速公路運(yùn)維管理過(guò)程中各類數(shù)據(jù)的可視化分析、高效統(tǒng)計(jì)等需求，BIM 技術(shù)被引入高速公路建設(shè)運(yùn)維管理當(dāng)中。但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，BIM 數(shù)據(jù)與GIS 空間數(shù)據(jù)融合程度不夠、BIM 模型不能在三維場(chǎng)景中呈現(xiàn)等問(wèn)題嚴(yán)重制約了BIM 在高速公路建設(shè)運(yùn)維管理中的應(yīng)用?；赪ebGL 技術(shù)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的輕量化BIM+GIS 綜合應(yīng)用技術(shù)，其利用WebGL 實(shí)現(xiàn)了模型輕量化、可視化和交互性，可滿足基于BIM+GIS 的高速公路建設(shè)運(yùn)維管理需求。然而目前傳統(tǒng)BIM 技術(shù)在復(fù)雜工程場(chǎng)景下存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)精度低等問(wèn)題，在很大程度上制約了高速公路管理水平的提升。WebGL（web components language）是一種基于瀏覽器的圖形渲染技術(shù)，能在瀏覽器端直接運(yùn)行在三維虛擬場(chǎng)景中，無(wú)須下載到本地。它同時(shí)利用了瀏覽器與3D 圖形庫(kù)之間的天然聯(lián)系，使3D 模型可以被瀏覽器直接瀏覽，而且其使用和普通渲染技術(shù)并沒(méi)有多大差異[3]。WebGL 利用瀏覽器強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力和3D 圖形庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，與傳統(tǒng)基于WebP 和XML 引擎的開(kāi)發(fā)方式相比更容易實(shí)現(xiàn)渲染效果。而且通過(guò)對(duì)三維模型進(jìn)行WebGL 操作能夠提高程序運(yùn)行效率、提高用戶體驗(yàn)、降低運(yùn)行成本。本文將通過(guò)WebGL 技術(shù)對(duì)高速公路建設(shè)運(yùn)維管理平臺(tái)中道路模型數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、優(yōu)化處理和封裝接口，然后實(shí)現(xiàn)與GIS 功能對(duì)接的可視化應(yīng)用模塊，以達(dá)到為用戶提供便捷、直觀交互效果的目的。

首先，采用Java 語(yǔ)言進(jìn)行建模，其特點(diǎn)是用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的圖形工具可以將三維模型轉(zhuǎn)換成二維圖形。其次，采用XML 語(yǔ)言對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，將模型轉(zhuǎn)換為XML 文檔。最后，使用Java 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)XML 文檔的解析。利用WebGL 的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在瀏覽器中直接觀看三維模型。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)BIM 軟件在三維展示方面的不足，還采用了基于.NET 的WebGL 框架構(gòu)建GIS 系統(tǒng)，通過(guò)該框架能夠?qū)崿F(xiàn)基于Web 瀏覽器和GIS客戶端的互動(dòng)。再將基于WebGL 技術(shù)開(kāi)發(fā)的程序接入高速公路建設(shè)運(yùn)維管理平臺(tái)中，通過(guò)簡(jiǎn)單的界面設(shè)計(jì)完成可視化應(yīng)用模塊展示。通過(guò)該技術(shù)構(gòu)建的高速系統(tǒng)不僅能夠提高對(duì)高速公路管理部門(mén)信息化管理水平和應(yīng)急決策能力，還為我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)了更多可能性。

2.4 Web 端快速加載

該架構(gòu)使用Web 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和處理；通過(guò)WebGL 技術(shù)結(jié)合.NET 平臺(tái)開(kāi)發(fā)Web 端輕量化BIM 應(yīng)用，使得項(xiàng)目管理人員可以通過(guò)Web 頁(yè)面快速獲取所需要信息；同時(shí)使用輕量級(jí)算法減少后臺(tái)計(jì)算所需存儲(chǔ)空間；并將前端展現(xiàn)和后臺(tái)計(jì)算合二為一，使得項(xiàng)目管理人員能夠高效、直觀地進(jìn)行管理工作。在現(xiàn)今對(duì)輕量化的BIM 技術(shù)的研究以及其在高速公路建設(shè)運(yùn)維工程的應(yīng)用中，其由于是基于WebGL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，所以在文件傳輸方面還有待提高[4]。即使是輕量級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，在加載時(shí)仍需要一定時(shí)間，還沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)。前端展現(xiàn)部分仍需改進(jìn)，如增加圖片、視頻等信息類型。因此需要就基于WebGL 的輕量化BIM 技術(shù)中Web 前端的加載與輸送情況進(jìn)行探究。

輕量級(jí)BIM 技術(shù)框架包括前端展示層、后臺(tái)計(jì)算層和后臺(tái)存儲(chǔ)層。其中前端展現(xiàn)層主要提供基于Web端的用戶使用界面；后臺(tái)計(jì)算層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，根據(jù)不同角色的權(quán)限獲取相應(yīng)信息并進(jìn)行處理；而后臺(tái)存儲(chǔ)層則是為前端展現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理?？紤]到輕量化BIM 技術(shù)在項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中可能會(huì)涉及多個(gè)不同用戶角色，所以在后端計(jì)算層中加入了第三方數(shù)據(jù)服務(wù)接口以便于擴(kuò)展BIM 模型數(shù)據(jù)。其核心思想是基于WebGL 技術(shù)結(jié)合.NET 平臺(tái)開(kāi)發(fā)Web 端輕量化BIM 應(yīng)用，為項(xiàng)目管理人員提供高效、便捷的可視化設(shè)計(jì)工具，讓其在移動(dòng)終端設(shè)備上也能實(shí)時(shí)獲取設(shè)計(jì)信息[5]。.NET 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Web 端快速加載BIM 模型的應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用WebGL技術(shù)結(jié)合。.NET 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Web 端的快速加載，通過(guò)數(shù)據(jù)交換機(jī)制進(jìn)行前端頁(yè)面和后臺(tái)計(jì)算數(shù)據(jù)的同步更新，為項(xiàng)目管理人員提供一個(gè)方便、直觀、高效、可靠的管理平臺(tái)。同時(shí)將前端展現(xiàn)與后臺(tái)計(jì)算合二為一，減少了后期開(kāi)發(fā)過(guò)程中數(shù)據(jù)庫(kù)操作以及文件上傳下載的工作量。在此架構(gòu)下，web 端可以通過(guò)輕量化的方法減少后臺(tái)計(jì)算所需存儲(chǔ)空間；通過(guò)后臺(tái)加載頁(yè)面提供前端所需信息；同時(shí)使用輕量級(jí)算法減少數(shù)據(jù)處理所需時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)WebGL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于BIM 技術(shù)的三維模型輕量化、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)封裝和可視化交互功能，對(duì)傳統(tǒng)的BIM 建模技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，大大提升了BIM 建模效率。并通過(guò)該WebGL 技術(shù)為平臺(tái)提供了便捷、高效的可視化交互功能，有效提高了用戶體驗(yàn)。