基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用

龐紅軍 賈金原 衛(wèi)建東

摘要：BIM技術(shù)近三年來在地鐵中開始應(yīng)用，相對于了BIM需要強(qiáng)悍的電腦硬件支持，基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)可以使BIM實(shí)現(xiàn)輕量化在線顯示，使用手機(jī)等移動終端就可以實(shí)現(xiàn)BIM的全部功能，Web3D輕量化技術(shù)更方便快捷，在光照、紋理、色彩渲染方面更為強(qiáng)大。本文重點(diǎn)介紹基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)用場景分塊、漸進(jìn)式加載，支持地鐵漫游、碰撞檢測、模型構(gòu)件展示及構(gòu)件標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)地鐵車站、隧道大規(guī)模場景的跨平臺Web展示，同時(shí)簡要介紹了地鐵車站的火災(zāi)逃生模擬應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Web3D;BIM;輕量化;地鐵;在線漫游;碰撞檢測;火災(zāi)逃生模擬

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0253-04

Application of Lightweight Technologies on Web3D-based of BIM inMetro

PANG Hong-jun1， JIA Jin-yuan1， WEI Jian-dong2

（1.Tongji University， Shanghai 201804;2.Zhengzhou City Municipal Engineering Design & Research Institute， Zhengzhou 450000）

Abstract： BIM technology has been applied in the metro in the past three years. Compared with BIM， which requires powerful computer hardware support， BIM lightweight technology based on Web3D can enable BIM to realize lightweight online display. BIM can be realized by using mobile terminals such as mobile phones. All features， Web3D lightweight technology is more convenient and faster， more powerful in lighting， texture， color rendering. This paper focuses on Web3D-based BIM lightweight technology for scene segmentation， progressive loading and collision detection technology， supporting large-scale scene roaming， model component display and component labeling， and realizing cross-platform Web display of large-scale scenes of subway stations and tunnels. At the same time， the fire escape simulation application of the subway station is briefly introduced.

Key words： Web3D;BIM;lightweight;metro;online roaming; collision detection;fire escape simulation

BIM技術(shù)可以在地鐵工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和施工等建設(shè)全過程應(yīng)用BIM，并實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化交付。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在2018年5月頒布了《城市軌道交通工程BIM應(yīng)用指南》。近三年來，BIM技術(shù)開始在地鐵的設(shè)計(jì)施工圖設(shè)計(jì)、地鐵車站的施工、風(fēng)水電管線的安裝、地鐵站的火災(zāi)方面進(jìn)行了初步的研究和應(yīng)用。陳燚[1]介紹了BIM在地鐵車站施工中的應(yīng)用，謝校亭[2]介紹了BIM在地鐵暗挖風(fēng)道施工中的應(yīng)用，方瑾[3]介紹了BIM技術(shù)在上海地鐵管線綜合中的應(yīng)用研究，謝亞奇[4]介紹了基于BIM的地鐵車站火災(zāi)的應(yīng)用研究。伴隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+的大力發(fā)展，傳統(tǒng)的BIM從桌面端向Web端、移動端的發(fā)展是必然的趨勢。BIM的在線式應(yīng)用研究越來越受關(guān)注。相對于傳統(tǒng)BIM需要昂貴的硬件支撐，基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)，除具備BIM的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用外，還可以實(shí)現(xiàn)使用Web瀏覽器和移動設(shè)備的在線可視化顯示和瀏覽，而不需要加載額外的插件程序。然而基于Web3D 的BIM 大數(shù)據(jù)綜合性強(qiáng)，信息面廣等原因[5]，導(dǎo)致 BIM 場景比普通類型的 3D 建筑場景數(shù)據(jù)量要更大，結(jié)構(gòu)也要更復(fù)雜。另外，網(wǎng)頁在線應(yīng)用所處理的數(shù)據(jù)量又總受到網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和網(wǎng)頁瀏覽器資源等多方面的限制。如圖 1 為一個常見的地鐵場景實(shí)例，包含了300 多萬個實(shí)體，在Autodesk Revit中瀏覽需要消耗 3.7GB 以上的內(nèi)存空間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出網(wǎng)頁瀏覽器的承載量，導(dǎo)致其無法通過網(wǎng)頁直接顯示。因此，使得通過網(wǎng)頁能展示遠(yuǎn)超其承載量的 BIM 大數(shù)據(jù)場景，正是基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)的關(guān)鍵所在，BIM的可實(shí)現(xiàn)可交互可視化、虛擬漫游、碰撞檢測、干涉分析、過程模擬、交互式編輯標(biāo)注，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要經(jīng)過BIM輕量化處理及大數(shù)據(jù)的在線傳輸兩個步驟。

1 BIM輕量化優(yōu)點(diǎn)

BIM輕量化具有BIM的特點(diǎn)，又可在線瀏覽或應(yīng)用于移動終端，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）地鐵項(xiàng)目管理更精細(xì)化，項(xiàng)目全壽命周期的各個階段的研究、決策、過程控制、糾偏和應(yīng)急處理變得可視化、具體化、實(shí)時(shí)化，具有前瞻性、可預(yù)見性。

（2）地鐵項(xiàng)目跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、跨地區(qū)的二次開發(fā)和高效利用變?yōu)榭赡?，這在以前是不可想象的。

（3）對地鐵項(xiàng)目的各參與方顛覆性的改革和沖擊。BIM輕量化的三維數(shù)字化、可視化、動態(tài)化、可任意剖面顯示使二維圖紙變得蒼白無力。

（4）地鐵項(xiàng)目后期管理更精準(zhǔn)化，大大降低運(yùn)營維護(hù)成本。

（5）地鐵項(xiàng)目原本不能或收效甚微的試驗(yàn)成為可能，如地下工程火災(zāi)模擬、逃生，使其實(shí)驗(yàn)更接近現(xiàn)實(shí)。

（6）使地鐵工程項(xiàng)目為更多的人服務(wù)帶來便捷，人們不需要專業(yè)的計(jì)算機(jī)和土木工程、建筑學(xué)、風(fēng)水電管線等知識，使用移動終端或Web端在線就可以了解。

2 Web3D的輕量化處理

輕量化處理核心的工作就是最大化地去除冗余數(shù)據(jù)，利用BIM數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系、幾何關(guān)系、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，主要從三方面進(jìn)行：語義分析、幾何重用去除和拉伸體參數(shù)化。其中語義分析是整個輕量化處理過程的重要手段，不僅能提高輕量化效率，還是多個子過程的必要組成步驟。整個輕量化預(yù)處理的首要步驟就是根據(jù)構(gòu)件名稱等語義信息，將場景解析后的構(gòu)件分類，進(jìn)而在每類構(gòu)件內(nèi)執(zhí)行冗余數(shù)據(jù)的去除操作。

2.1基于語義分析的構(gòu)件輕量化

BIM 數(shù)據(jù)本身支持重復(fù)對象的描述和數(shù)據(jù)的參數(shù)化表達(dá)，致使在可視化應(yīng)用中解析后的幾何數(shù)據(jù)冗余較多。語義分析的目的就是對這些解析后的數(shù)據(jù)，通過語義“推導(dǎo)”出其中的冗余部分或冗余所在的范圍。

語義分析不只是對個別特殊實(shí)體進(jìn)行“追蹤”，還必須得到整個IFC（Industry Foundation Classes）標(biāo)準(zhǔn)和一些實(shí)體基本信息的支持，通過分析和比較兩個元素的唯一 GUID 值來判斷它們的重復(fù)情況。

2.2幾何數(shù)據(jù)輕量化

在符合 BIM 標(biāo)準(zhǔn)的前提下，BIM 數(shù)據(jù)的生成又需要多個部門經(jīng)過多個過程來完成，導(dǎo)致重復(fù)性數(shù)據(jù)的映射關(guān)系不唯一等情況，無法只從語義角度分析出冗余信息。幾何重用去除就是以幾何形狀為基礎(chǔ)，在語義分析的基礎(chǔ)上，通過幾何數(shù)據(jù)比較判斷兩個實(shí)體是否重復(fù)。該方面已有較多成熟的方法，使用體素序列來描述和比較模型間的相似性，量化了幾何比較過程，提高了比較效率。本文在稀疏體素化的支持下，也借助體素進(jìn)行幾何比較，并將該方法擴(kuò)展到 BIM 構(gòu)件或?qū)嶓w的重復(fù)性匹配中。圖5則為輕量化解析與普通方法解析后的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)對比情況，可以發(fā)現(xiàn)有較多的重復(fù)性構(gòu)件已被去除，只保留了一份單例數(shù)據(jù)。

2.3拉伸身參數(shù)化

參數(shù)化數(shù)據(jù)在BIM數(shù)據(jù)中普遍存在，重用去除后的構(gòu)件中仍有大量的冗余數(shù)據(jù)來自參數(shù)化計(jì)算。針對占大多數(shù)的拉伸冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化，進(jìn)一步減少冗余數(shù)據(jù)。在前期語義信息的參與下，拉伸體參數(shù)化首先通過語義過濾和分析確定拉伸情況，然后再根據(jù)分析結(jié)果針對性地計(jì)算拉伸參數(shù)。比如地鐵車站的構(gòu)件，在根據(jù)語義得出直線實(shí)體拉伸等拉伸情況后，即可針對性地快速進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

2.4場景構(gòu)建

由于 BIM 大數(shù)據(jù)場景往往內(nèi)部精細(xì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。結(jié)合場景剔除、IFC 場景構(gòu)物提取和場景索引結(jié)構(gòu)等現(xiàn)有工作，預(yù)先將 IFC 場景室內(nèi)外構(gòu)件分離，再進(jìn)行場景索引結(jié)構(gòu)構(gòu)建。圖6為場景構(gòu)件模型對應(yīng)的數(shù)據(jù)及解析，其中構(gòu)建場景索引結(jié)構(gòu)的步驟如下：

（1）根據(jù)BIM大數(shù)據(jù)場景的數(shù)據(jù)量和計(jì)算機(jī)資源數(shù)量對整個場景進(jìn)行分塊并記錄分塊信息。

（2）對每個分塊統(tǒng)計(jì)其總包圍盒以及內(nèi)部包含的所有構(gòu)筑物的平均外體包圍盒。

（3）根據(jù)用戶輸入的參數(shù)進(jìn)行體素分辨率估計(jì)，在此的參數(shù)主要用于設(shè)置每個體素要索引的平均構(gòu)筑物個數(shù)。

（4）使用稀疏體素化算法，構(gòu)建場景的第一層體素網(wǎng)格并記錄網(wǎng)格與構(gòu)筑物外體的對應(yīng)關(guān)系作為室外場景索引。

（5）將每個構(gòu)筑物作為整個場景，包含的內(nèi)體構(gòu)件當(dāng)作構(gòu)筑物重復(fù)步驟（2）到（4）構(gòu)建第二層體素網(wǎng)格并記錄網(wǎng)格與構(gòu)筑物內(nèi)體構(gòu)件的對應(yīng)關(guān)系作為室內(nèi)場景索引。

3 Web3D的可視化大數(shù)據(jù)在線傳輸技術(shù)

3.1細(xì)粒度化在線傳輸技術(shù)

細(xì)粒度化在線傳輸技術(shù)通俗地講就是BIM大數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)要經(jīng)過有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行傳輸，必然引起網(wǎng)絡(luò)擁堵。而將BIM細(xì)粒度化、流式化傳輸，就可以使大數(shù)據(jù)流式地通過有限帶寬，完成大數(shù)據(jù)的在線傳輸。溫來祥[5]對大規(guī)模三維場景的輕量化與流式傳輸做了介紹，BIM大數(shù)據(jù)模型經(jīng)過輕量化處理，需要在Web端進(jìn)行數(shù)據(jù)加載和實(shí)時(shí)渲染這些模型，細(xì)粒度預(yù)處理的流程是將大規(guī)模3D模型或場景分解成一些子空間，當(dāng)漫游進(jìn)入這個空間時(shí)，作為一個下載和渲染的獨(dú)立單元，每個子空間是個相對自我封閉的空間。Web瀏覽器根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)的位置和方位僅下載對應(yīng)的子空間。經(jīng)過細(xì)粒度處理后，整個構(gòu)筑物的數(shù)據(jù)又分為多個子空間，而對于每個子空間，則可以子空間內(nèi)部的構(gòu)件為單位，將該子空間作為模型進(jìn)行索引構(gòu)建，并將構(gòu)建完成的索引信息作為該子空間的組織方式。

3.2多線程加載技術(shù)

CPU進(jìn)入多核模式后，多線程技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的單核單線程運(yùn)行的操作系統(tǒng)、程序結(jié)構(gòu)處理方式、網(wǎng)絡(luò)加載模式，出現(xiàn)了分布式操作系統(tǒng)，多線程加載等新技術(shù)。可以實(shí)現(xiàn)多個線程并發(fā)執(zhí)行的技術(shù)。使用多線程加載技術(shù)，可以大大加快BIM大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)和Web端加載、渲染等。

3.3網(wǎng)頁級漸進(jìn)式對等傳輸方法

網(wǎng)頁級漸進(jìn)式對等傳輸方法就是BIM大數(shù)據(jù)在Web端進(jìn)行傳統(tǒng)時(shí)就是漫游或加載渲染時(shí)只傳輸當(dāng)前可以用到的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)分為不同等級的優(yōu)先級。賈金原[6]等提出基于多層增量式可擴(kuò)展扇形興趣區(qū)域，趙雙燕[7]對基于多特征融合的輕量級3D素材進(jìn)行了論述。BIM大數(shù)據(jù)在加載過程中可以采用雙層三角、多層環(huán)形、增量式視錐等方式，如圖8（a）采用雙層三角AOI域數(shù)據(jù)分等，黃色三角形區(qū)域數(shù)據(jù)是最高優(yōu)級，必須立即傳輸，綠色的區(qū)域可以次優(yōu)級傳輸，桔色的再次之，其他區(qū)域地暫緩加載傳輸，這種方法既節(jié)省了帶寬，又滿足了當(dāng)前的BIM數(shù)據(jù)傳輸要求。圖8（b）多層環(huán)形AOI域方式同雙層三角AOI域。增量式視錐FOI域的劃分為眼睛所看到的視錐優(yōu)先傳輸，隨著人向前不斷的前行（漫游），眼睛所視的錐FOI域不斷更新，同時(shí)以前加載的區(qū)域數(shù)據(jù)不再需要傳輸。

4地鐵的Web3D實(shí)時(shí)渲染

地鐵的Web3D只有經(jīng)過紋理、色彩、光照及陰影的處理，才能更加逼近真實(shí)事物。葛一波[8]對大規(guī)模Web3D場景實(shí)時(shí)渲染關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，大實(shí)時(shí)渲染的思路為：演染前，通過對地鐵的組織結(jié)構(gòu)研究，設(shè)計(jì)合理的場景管理機(jī)制，達(dá)到實(shí)時(shí)繪制效果，為3D地鐵模型的在線交互及展示提供解決方案;通過云渲染架構(gòu)構(gòu)建，將光照、紋理，色彩及陰影處理計(jì)算放在服務(wù)器端，同時(shí)充分利用前端的渲染能力，有效提高了渲染能力;研究前后端傳輸機(jī)制，優(yōu)化傳輸效率，保證前后端數(shù)據(jù)一致性。具體的技術(shù)路線圖如圖9所示。

5地鐵車站火災(zāi)逃生模擬

地鐵車站作為人流密集的場所，一旦火災(zāi)發(fā)生，后果不堪設(shè)想?；馂?zāi)具有突發(fā)性、不可復(fù)制性，因此根據(jù)地鐵站火災(zāi)發(fā)生的位置、障礙物多少及位置、地鐵站里人數(shù)多少等因素，設(shè)計(jì)出最佳的逃生路線，最大可能地減少人的傷亡，就成為地鐵站火災(zāi)逃生模擬目的地。火災(zāi)模擬一般分為算法分析、模型建立、火災(zāi)仿真、成果分析及改進(jìn)四個步驟。張永彬[9]提出了基于模擬退火粒子群（SAPSO）的人群疏散模型，吳雙[10]提出了基于蟻群（ACO）算法的人群疏散仿真研究，吳鵬飛[11]提出了改進(jìn)的蟻群（ACO）算法火災(zāi)疏散路徑優(yōu)化研究，本文采用了改進(jìn)的ACO進(jìn)行地鐵車站的火災(zāi)逃生模擬，人數(shù)從1到10000，建立了數(shù)據(jù)模型進(jìn)行火災(zāi)模擬，并在Web端和移動端作了Web3D展示。

6成果展示

6.1車站成果

應(yīng)用基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了深圳地鐵車公廟站場景的跨平臺Web展示，應(yīng)用了場景分塊、漸進(jìn)式加載和碰撞檢測技術(shù)，支持大規(guī)模場景漫游、模型構(gòu)件展示及構(gòu)件標(biāo)注等功能。

6.2地鐵區(qū)間隧道構(gòu)建

6.3地鐵車站火災(zāi)模擬及逃生

7結(jié)束語

本文基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BIM大數(shù)據(jù)地鐵車站及隧道的在線可視化，利用基于Web3D的BIM輕量化技術(shù)用場景分塊、漸進(jìn)式加載，支持地鐵漫游、碰撞檢測、模型構(gòu)件展示及構(gòu)件標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)地鐵車站、隧道大規(guī)模場景的跨平臺Web展示，同時(shí)也簡要介紹了地鐵車站的火災(zāi)逃生模擬應(yīng)用。Web3D已經(jīng)開始使用LPM漸進(jìn)式網(wǎng)格加載，模型的輕量化重用技術(shù)，模型的PM流式化技術(shù)等，使網(wǎng)頁模型盡可能輕量化且不失真，盡管如此，BIM數(shù)據(jù)模型依然有更好的輕量化技術(shù)在不斷開展。相信不久的將來，我們可以實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的人類肉眼感覺不到停頓的在線展示和渲染。

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