基于WebGL三維引擎的軌道交通工程BIM+GIS平臺研究

楊 吉吉 付功云 袁文祥 王震宇 王恰時

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

引言

軌道交通工程涉及車站、隧道、橋梁等子工程[1]，建設過程中存在不良地質條件、風險源眾多等復雜工況，傳統(tǒng)信息化管理存在信息孤島、不直觀等問題，往往形成信息化管理與現(xiàn)場管理“兩張皮”現(xiàn)象[2]。

根據(jù)當前BIM和GIS技術水平、軟硬件水平及5G等新技術應用，以立足當前展望未來為原則，科學、有前瞻性預測，軌道交通工程從二維信息化管理向三維可視化管理升級是技術發(fā)展和復雜工況工程管理需求的必然趨勢。

軌道交通工程中利用BIM+GIS技術進行平臺技術架構已經(jīng)成為當前主流的技術趨勢。從BIM與GIS的基礎特性分析，BIM側重于內向微觀領域，GIS側重于外向宏觀領域。BIM與GIS結合應用，不僅發(fā)揮了各自優(yōu)勢特點又對微觀與宏觀結合應用進行探索，使軌道交通工程規(guī)劃、設計、施工、運營維護管理全生命周期的三維可視化管理更加合理、高效[3]。

目前BIM與GIS融合，主要研究軟件交互層次領域及數(shù)據(jù)信息模式領域[4]。軟件交互層次為BIM與GIS軟件兼容文件方式及集成軟件接口應用獲取數(shù)據(jù)信息。如ArcGIS應用數(shù)據(jù)拓展模塊可以對BIM/IFC格式數(shù)據(jù)進行支撐，Autodesk InfraWorks支持CityGML、IFC等不同類型的文件格式結合數(shù)據(jù)庫已有數(shù)據(jù)信息整合并構建基本信息模型。此種BIM與GIS融合方法需業(yè)主單位及實施單位采購昂貴的專業(yè)軟件，同時需軟件廠商提供系統(tǒng)集成技術支持且業(yè)主單位自身具備二次開發(fā)能力，局限性高、推廣性低； 數(shù)據(jù)信息模式通過幾何及數(shù)據(jù)文字信息差異性構建的信息模型，此種BIM與GIS融合方法需實施單位具備底層數(shù)據(jù)模型分析與工具軟件研發(fā)能力，同時需大量人力來進行實施工作，產(chǎn)品化及自動化程度均不高，已有成果無法直接應用于其他項目。

軟硬件集成技術成熟，如API接口、Web Service消息推送、共享數(shù)據(jù)庫、硬件SDK二次開發(fā)包等，可以將互不關聯(lián)的平臺、不同語言、不同硬件進行數(shù)據(jù)交換與集成，為BIM+GIS平臺信息共建、共享、集成提供解決方案。

目前市場主流商業(yè)系統(tǒng)BIM平臺，一種采用ActiveX控件模式，存在只能應用于IE瀏覽器、需配置復雜環(huán)境、易崩潰、易閃屏、移動端需使用新框架重新開發(fā)等問題，技術路線不適應未來發(fā)展方向； 一種采用WebGL引擎無GIS系統(tǒng)模式，該模式只能應用于點工程如房建單體工程，而軌道交通工程是車站、隧道、橋梁等單體工程、線路線性工程、多條線路組成的線網(wǎng)工程，不僅需要宏觀的整體管控，還需要單體微觀精細化管控，需采用BIM+GIS技術架構實現(xiàn)軌道交通工程宏觀與微觀的融合可視化管理。

本文將基于WebGL三維引擎，探索BIM+GIS平臺技術架構，利用WebGL作為容器構建出建筑、結構、風水電、設備、地質、環(huán)境等模型數(shù)據(jù)信息與地理信息相結合的軌道交通工程BIM+GIS三維交互平臺，對BIM+GIS數(shù)據(jù)信息集成及可視化分析，輔助軌道交通工程全生命周期管理及決策[5]。

1 基于WebGL容器 BIM+GIS 數(shù)據(jù)集成原理

新一代基于Web的3D圖形引擎WebGL自2006年誕生到2017年逐步完善，WebGL(Web Graphics Library)是一種3D繪圖協(xié)議，OpenGL ES 2.0與JavaScript綁定，可通過HTML5 Canvas調用顯卡硬件實現(xiàn)3D加速渲染，直接在瀏覽器中實現(xiàn)3D場景、3D模型、3D結構定位導航的流暢訪問與操作?；赪ebGL容器可實現(xiàn)BIM+GIS平臺三維可視化應用及數(shù)據(jù)融合。

WebGL充當固定容器承載GIS數(shù)據(jù)，在此基礎上利用BIMServer Web Service 接口加載調取BIM信息模型，從而將BIM與GIS信息模型在WebGL三維引擎中實時渲染展示并輸出管理應用。

BIM由IFC及相應數(shù)據(jù)端口構成[6]，BIM模型依據(jù)IFC標準建模及輸入數(shù)據(jù)信息，依照等級層次進行不同級別構建，相應數(shù)據(jù)信息表納入對應數(shù)據(jù)庫，Web Service接口基于Web Upload方式將BIM模型及數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)紹IM平臺，集成軌道交通工程區(qū)域的高程及影像數(shù)據(jù)，BIM信息模型與GIS數(shù)據(jù)整合共同構成BIM+GIS平臺。

高程及影像數(shù)據(jù)由天地圖、百度地圖、高德地圖、Google Map等服務器接口獲取，采用WebGL容器將幾何模型、模型承載信息、高程及影像數(shù)據(jù)融合，將多細節(jié)層次的相關數(shù)據(jù)及模型所在的WGS84坐標數(shù)據(jù)信息、軌道交通工程參數(shù)，通過模型與數(shù)據(jù)分層LOD加載方式實現(xiàn)流暢瀏覽與管理操作，提高BIM+GIS融合順通性。

2 基于WebGL容器BIM+GIS平臺實現(xiàn)方法

2.1 幾何可視化

基于WebGL Primitive實體對象，對具有頂點屬性和定義圖元的幾何圖形，通過geometry類將描述陰影的幾何圖形和外觀分配給圖元實現(xiàn)可視化，通過appearance類使用材質定義著色，兩者結合增強可視化效果。

軌道交通工程地鐵車站按照IFC標準建模，使用模型輕量化工具轉換并上傳到基于WebGL容器的BIM+GIS平臺，在BIM+GIS平臺中地鐵車站構件通過geometry類、appearance類實現(xiàn)幾何模型的可視化，如圖1所示。

圖1 基于IFC標準的地鐵車站幾何可視化模型

2.2 模型渲染

BIM+GIS平臺模型與信息展示需要外形美觀又能準確表達，基于WebGL三維引擎能夠在瀏覽器中制作Web三維交互場景、驅動Html 腳本JavaScript程序，充分利用顯卡等底層圖形加速硬件來進行三維模型渲染。

渲染流程為構建WebGL環(huán)境、更新場景Scene與相機Camera的世界坐標變換矩陣、渲染對象投影變換、渲染背景、渲染場景、輸出渲染結果，如圖2所示[7]。

圖2 WebGL三維引擎渲染流程

WebGL三維引擎通過解析數(shù)據(jù)和著色器陣列來進行繪制、渲染三維場景。BIM+GIS平臺渲染效果如圖3所示。

圖3 盾構區(qū)間風險源WebGL引擎三維場景渲染

2.3 信息檢索

BIM+GIS平臺主要包含軌道交通工程BIM模型信息數(shù)據(jù)及GIS地理信息數(shù)據(jù)。BIM具有微觀特性，軌道交通工程中主要有車站、隧道、橋梁、軌道、設備等，通過IFC標準700多個實體對象進行解析，按照層級構成構件樹索引表，如層級一工程定義如IFCProject、IFCSite，層級二構建筑物輪廓如IFCWall，層級三內部構建筑物如IFCWindow等，IFC標準的模型導入BIM+GIS平臺，形成如圖4所示，可以在該構件樹中按照層級查找并定位信息模型； GIS具有宏觀特性，主要有高程數(shù)據(jù)、影像圖片，通過WGS84坐標體系支撐索引與信息查詢[8]。

圖4 BIM+GIS平臺BIM構件樹索引

BIM微觀與GIS宏觀特性差別，表達方式不同，如圖5所示，因此信息檢索也存在構件樹導航、坐標體系索引、信息查詢等不同方式[9]。

圖5 BIM與GIS特性不同表達方式

3 系統(tǒng)設計與研發(fā)

3.1 BIM+GIS平臺技術架構

基于WebGL三維引擎B/S框架進行BIM+GIS平臺技術架構設計，采用三層技術架構，包含數(shù)據(jù)層、服務層與應用層[10，11]，如圖6所示。

圖6 BIM+GIS平臺技術架構

表1 主要工具及框架選型表

(1)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層為BIM+GIS平臺底層支持，對數(shù)據(jù)進行人工錄入、移動APP錄入、系統(tǒng)集成接入、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析應用等，非線性文件數(shù)據(jù)庫采用MongoDB、線性數(shù)據(jù)庫采用MySQL，通過JDBC提供Java API，供Java開發(fā)使用，對文件采用HDFS分布式存儲。

(2)服務層

服務層提供BIM+GIS平臺前端應用所需底層框架技術接口，采用符合技術發(fā)展方向的三維引擎 WebGL，使用JavaScript編寫，支持瀏覽器利用底層圖形加速硬件進行圖形渲染，可創(chuàng)建三維場景，包括了攝影機、光影、材質等，基于WebGL三維引擎實現(xiàn)B/S模式訪問、移動端訪問，可廣泛應用于鐵路、地鐵等軌道交通工程建設施工階段。同時服務層集成瓦片數(shù)據(jù)服務、工作流、前端框架等，結合線下的坐標轉換、BIM模型轉換導入、數(shù)據(jù)導入等工具，實現(xiàn)BIM+GIS平臺底層驅動及數(shù)據(jù)轉換融合。

(3)應用層

應用層直接面向用戶實現(xiàn)工程管理與信息展示，采用Html5、JavaScript、WebGL等技術實現(xiàn)移動端(Android、IOS)及PC(Windows、Linux、MacOS)Web端訪問與維護。

3.2 研發(fā)工具及框架選型

研發(fā)工具包含工具軟件、平臺框架等兩大類，總體選型原則為免費、開源為主，自主研發(fā)、商業(yè)軟件為輔。BIM+GIS平臺底層采用Java編程、前端采用Vue.js框架、中間工具采用C#編程、移動端采用H5與源生框架，依據(jù)BIM+GIS平臺三層技術架構展開說明，具體如表1所示。

4 技術局限性的解決方案概述

以WebGL作為軌道交通工程BIM+GIS平臺三維引擎底層支撐，存在一定的技術局限性。

(1)瀏覽器內存限制

本平臺以Google Chrome為主要瀏覽器，Google Chrome限制了所能使用的內存極限，其中64位為1.4GB、32位為1.0GB。一條20公里的軌道交通工程場景原始BIM模型大小可達到10G以上，瀏覽器內存限制導致大場景加載存在局限[12]。

目前采用模型輕量化、LOD分層加載減少內存資源占用，在瀏覽器內存機制內進行優(yōu)化。而問題的根本在于解決Google Chrome JavaScript V8引擎的機制問題，基于BIM+GIS平臺底層研發(fā)內存釋放回收機制，或者依賴于 JavaScript V8引擎的升級。

(2)網(wǎng)速及流量限制

BIM+GIS平臺，PC端10M帶寬、移動端4G即可流暢訪問，但是移動端每次訪問流量耗費300Mb以上，對于目前移動端流量超限后降速到3G或2G來說，存在移動端應用局限。

BIM+GIS平臺BIM模型是信息承載與應用的基礎，可提高輕量化比例、使用LOD分層加載模式減少加載、采用Vue.js前端框架不重復加載等方式減少移動端流量使用，而根本解決方案為移動5G技術的普及應用。

圖7 基于BIM+GIS平臺盾構管理模塊

(3)輕量化限制

BIM模型輕量化主要技術為參數(shù)化幾何描述轉換與相似性圖元合并[13]，由于軌道交通工程涉及車站、隧道、橋梁、設備等多種類型模型。其中隧道模型相似性圖元多，如隧道管片可以用一般管片與楔形管片兩種圖元代替，多個空間位置重復引用，輕量化比例能達到1： 120以上。而施工設備如盾構機，曲面多、結構復雜、相似圖元少、減面比例低，輕量化比例一般只能達到1： 20左右。

可通過研究WBS、EBS、CBS等多碼合一體系加強相似圖元提取與引用提高輕量化比例，解決輕量化瓶頸的根本方法同樣為5G技術的普及應用。

5 軌道交通工程應用

基于BIM+GIS平臺，集成軌道交通工程BIM設計模型成果、安全監(jiān)控設備數(shù)據(jù)、施工設備數(shù)據(jù)、人工施工報表、施工日志、監(jiān)理日志、運維設備數(shù)據(jù)及移動APP錄入數(shù)據(jù)等[14]，以全生命周期管理理念實現(xiàn)軌道交通工程BIM+GIS平臺應用。設計階段BIM成果協(xié)同與導入BIM+GIS平臺，實現(xiàn)方案展示、線路比選、技術交底等應用； 施工階段集成多方數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全、進度、質量、成本管理等應用； 運營維護集成多方設備與維護流程，實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、資產(chǎn)維護、知識庫建設等應用。

圖8 基于BIM+GIS平臺監(jiān)控量測模塊

以某軌道交通工程海底盾構隧道工程為例，該工程建設規(guī)模大，海底隧道長13km，是目前國內最長的鐵路水下隧道； 環(huán)境條件復雜，沿線港口、碼頭密集，航道等級高； 河床水深變化大、地質條件復雜多變； 技術難度大，無論采用什么工法修建，技術上都存在很大的難度。為解決工程中的風險，引入BIM+GIS平臺進行施工過程可視化管理，實現(xiàn)基于BIM信息化集成支撐的動態(tài)盾構安全風險管理為目標的海底隧道環(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。

基于BIM+GIS平臺系統(tǒng)集成盾構機數(shù)據(jù)、攝像頭監(jiān)控數(shù)據(jù)、智能監(jiān)測數(shù)據(jù)(沉降、變形、位移、應力、壓力、地下水位等)[15]，提供人工監(jiān)測報表數(shù)據(jù)導入接口，巡檢接口。通過二三維關聯(lián)定位，三維方式展示，進行分析預警，發(fā)起處置流程。

海底盾構隧道施工BIM+GIS平臺安全管控模塊應用如圖7基于BIM+GIS平臺盾構管理模塊、圖8 基于BIM+GIS平臺監(jiān)控量測模塊。目前海底盾構隧道施工BIM+GIS平臺應用已通過專家評審驗收，驗收意見為“滿足應用需求、技術先進、成果完善、具有普遍推廣價值”。平臺應用過程中，三維可視化交底，提高效率，節(jié)約工期72天； 準確定位巖溶，節(jié)省巖溶處置材料5%，約為1 150萬元。平臺應用大大降低掘進誤差、巖溶特大風險源引起的軌道交通工程盾構機陷落等導致10億多項目成為廢棄工程的風險。

我方研發(fā)的BIM+GIS平臺，相較于其他商業(yè)系統(tǒng)，擁有技術領先的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在先進WebGL三維引擎實踐應用、輕量化比例高、支持主流BIM建模軟件IFC標準導入、二三維通用關聯(lián)工具解決二維向三維管理升級的關鍵瓶頸。BIM+GIS平臺在研發(fā)與實踐應用過程中，已取得7項軟件著作權、已申報11項發(fā)明專利。

6 結語

BIM+GIS交融平臺實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)信息為骨架整合BIM信息模型，基于宏觀領域與微觀領域共同分析處理，更全面、直觀地實現(xiàn)軌道交通工程三維可視化分析與管理。軌道交通線網(wǎng)工程特質與WebGL三維引擎先進性，未來基于WebGL三維引擎BIM+GIS平臺應用將成為軌道交通工程BIM應用的主流方向。

本文所提出理論均已在工程中實踐通過，存在多個技術完善方向，如輕量化、大場景加載、空間坐標體系轉換、多碼合一等，未來我們將繼續(xù)針對存在的問題進一步完善。