BIM全生命周期管理平臺三維引擎選型研究

張佩竹 青 舟 付功云

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)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(yīng)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(chǔ)，管理是核心”的理念成為BIM應(yīng)用的主流方向[1-2]。

工程建設(shè)過程中，在設(shè)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(shè)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(yīng)用很有必要[3]。

全生命周期管理平臺是BIM應(yīng)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(fù)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(yīng)用三維模型[5-6]，存在場景設(shè)計與操作繁瑣、復(fù)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(dǎo)致BIM平臺研發(fā)與應(yīng)用過程中人力投入大、開發(fā)周期長、維護(hù)困難[7-8]。

在傳統(tǒng)三維底層圖形技術(shù)的基礎(chǔ)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(chǔ)上進(jìn)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(luò)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(jìn)行三維應(yīng)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(yīng)用于實際工程建設(shè)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(wù)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(tuán)隊能力強、界面布局美觀， 也難以實現(xiàn)既定目標(biāo)。

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(yīng)用能力[11]。BIM全生命周期管理平臺三維引擎選型需響應(yīng)政策要求與順應(yīng)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(yīng)用，并適應(yīng)Windows、MacOS、Linux、IOS、Android操作系統(tǒng)及各種瀏覽器多端應(yīng)用。

通過三維引擎適應(yīng)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(yīng)契合BIM平臺需求，初步滿足多種操作系統(tǒng)、移動端應(yīng)用、基于三維模型的管理應(yīng)用的需求。適應(yīng)性比較見表2。

表2 主流底層圖形技術(shù)適應(yīng)性比較

采用主流三維引擎平臺產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)步，基于先進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(shè)備而設(shè)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(yīng)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(yīng)用。

(2)完整性：能夠完整實現(xiàn)BIM應(yīng)用的功能函數(shù)。

(3)獨立性：三維引擎不依賴于應(yīng)用而獨立存在。

(4)高隱藏性：復(fù)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(yīng)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(yīng)性，無需配置復(fù)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(yù)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(yīng)性，無需重復(fù)開發(fā)，便于管理，具有統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、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(wù)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(biāo)準(zhǔn)，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(wù)層包含基礎(chǔ)服務(wù)、擴展服務(wù)、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(chǔ)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(chǔ)功能上結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)設(shè)計階段的成果協(xié)同與可視化交互，施工階段的安全、進(jìn)度、質(zhì)量、成本管理等應(yīng)用，運維階段的資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、維護(hù)管理、物資管理、應(yīng)急管理、調(diào)度管理、知識庫建設(shè)等應(yīng)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(yīng)用案例

深茂鐵路是國家鐵路網(wǎng)建設(shè)“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(shè)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(fù)雜，沿線港口、碼頭密集，航道等級高；③地質(zhì)條件復(fù)雜，河床水深變化大、地質(zhì)條件復(fù)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(fēng)險，引入BIM進(jìn)行可視化管理。

深茂鐵路越珠江口隧道項目BIM應(yīng)用主要為建立標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險管控、指導(dǎo)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(chǔ)。通過對模型的開發(fā)運用，分別從盾構(gòu)監(jiān)控、進(jìn)度管理、風(fēng)險源展示、監(jiān)控量測、隱患管理、視頻監(jiān)控、地質(zhì)剖切、預(yù)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(jìn)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(yīng)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(yù)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(yīng)用，檢驗了WebGL引擎性能、應(yīng)用開發(fā)接口、管理模式、承載能力等功能，可滿足BIM平臺應(yīng)用需求。不難看出，WebGL三維引擎是一款適應(yīng)技術(shù)趨勢、移動應(yīng)用方向、具有廣泛的適應(yīng)性的三維引擎。