地下管網(wǎng)BIM模型輕量化技術(shù)應(yīng)用研究
——以云南某高校管網(wǎng)為例

陳永鴻, 甘文杰， 高 雄， 楊宇范

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 昆明 650500； 2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校， 昆明 650000)

城市智能化進(jìn)程的加速正在滿足人民日益增長的美好生活需求，為緩解人口環(huán)境增長的壓力，城市空間由地上至地下的發(fā)展更是受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究[1]。其中，城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)中的供水和供電等管道網(wǎng)絡(luò)更是確保城市建設(shè)進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)、社會和諧、協(xié)調(diào)發(fā)展，發(fā)揮城市功能必不可少的環(huán)節(jié)。根據(jù)Bobylev在東京和巴黎等地的城市調(diào)研中得出，地下管網(wǎng)在城市的地下空間占用率高達(dá)8%[2]。城市地下管網(wǎng)的作用不僅在于信息和能量的傳輸，還與人們的日常生活息息相關(guān)，影響著人們的生活、生產(chǎn)、資源利用、出行、環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)安全。因?yàn)楣芫W(wǎng)大多掩埋于地下，除專業(yè)人員外他人對地下管網(wǎng)的狀態(tài)并不知情，一旦發(fā)生問題輕則對管網(wǎng)造成破壞，重則危害人身安全。因此數(shù)字化、可視化和輕量化的管網(wǎng)運(yùn)維管理能準(zhǔn)確定位管網(wǎng)坐標(biāo)和實(shí)時監(jiān)控管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)問題能夠及時發(fā)出警報，還可以對管網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，是城市智能化進(jìn)程當(dāng)中不可或缺的重要部分[3]。

通過梳理現(xiàn)有關(guān)于BIM輕量化應(yīng)用的研究文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)關(guān)于BIM輕量化的研究與應(yīng)用基本覆蓋建設(shè)項(xiàng)目全生命周期。蒙勝宇在設(shè)計(jì)階段通過對模型的輕量化，從而降低對計(jì)算機(jī)硬件的性能要求和減少參與人員工作量[4]。鐘誠在項(xiàng)目實(shí)施階段，通過模型的輕量化達(dá)到對施工進(jìn)程的方案模擬和成本測算從而降低成本[5]。郭思怡等在運(yùn)維階段，通過增添對建筑物外部網(wǎng)格模型，減少內(nèi)部構(gòu)件的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),再通過Revit二次開發(fā)達(dá)到便于Web端瀏覽的模型輕量化[6]。輕量化的應(yīng)用點(diǎn)存在于多個階段，但主要集中在建筑設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理階段。學(xué)者們結(jié)合BIM輕量化的產(chǎn)品模型和平臺架構(gòu)對建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行管理決策、管理模式、管理方法的探索分析，但少有研究關(guān)注到BIM輕量化技術(shù)在地下管網(wǎng)中的應(yīng)用。地下管網(wǎng)作為基礎(chǔ)設(shè)施的命脈，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息來源豐富，專業(yè)性較強(qiáng)，在進(jìn)行模型C/S結(jié)構(gòu)的三維可視化呈現(xiàn)時會產(chǎn)生大量BIM數(shù)據(jù)和文件，對操作人員和設(shè)備都有較高的要求，難以進(jìn)行協(xié)同管理。如何采用信息技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，縮小文件體積，便于數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和傳輸，最終構(gòu)建可供項(xiàng)目參與方實(shí)時共享和交互的信息管理平臺，實(shí)現(xiàn)智慧管理，將成為目前亟須解決的問題[7]。

1 基于BIM與輕量化結(jié)合的管網(wǎng)運(yùn)維

BIM是一種對建筑項(xiàng)目的材料、物理、功能特性進(jìn)行數(shù)字化管理和描述的工具。BIM的作用范圍廣泛包括了建設(shè)項(xiàng)目前期的設(shè)計(jì)、施工及后期的運(yùn)營維護(hù)階段，項(xiàng)目全生命周期的數(shù)字化管理和優(yōu)化是建筑業(yè)未來發(fā)展不可抵擋的趨勢[8]。Revit是基于BIM下最常用的一款3D建模軟件，Revit作為三維建模軟件在信息管理方面極具優(yōu)勢，可以為模型的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、建筑等不同專業(yè)提供可視化管理[9]。并且Revit還支持IFC處理后的通用多軟件交互，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)程序之間的數(shù)據(jù)交互[10-11]。

盡管BIM技術(shù)能夠?yàn)榈叵鹿芫W(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)提供精細(xì)化管理，每一段管道甚至每一個部件的設(shè)備信息和工作狀態(tài)都可以為運(yùn)維系統(tǒng)全生命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐[12]，但在實(shí)際運(yùn)維系統(tǒng)中使用Revit構(gòu)建的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)管理對計(jì)算機(jī)硬件的要求極高，且在模型與運(yùn)維管理的交互中存在數(shù)據(jù)交互、及時性等問題。如何在不改變原有模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上減少對計(jì)算機(jī)硬件的依賴，甚至還能將模型適用于移動設(shè)備端、Web端等多端交互成為管網(wǎng)運(yùn)維熱門問題[13-14]。本文以云南某高校地下管網(wǎng)系統(tǒng)為例，建立三維管網(wǎng)系統(tǒng)，并通過BIM技術(shù)對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行輕量化，打通不同系統(tǒng)的格式轉(zhuǎn)換，并結(jié)合PC端、移動端、網(wǎng)頁端的多端交互應(yīng)用，達(dá)到基于BIM應(yīng)用的輕量化交互，以解決云南某高校管網(wǎng)的智能運(yùn)行維護(hù)問題。

2 工程概況及模型的建立

云南某高校的管網(wǎng)工程包含：北片區(qū)運(yùn)動場和體育館室內(nèi)消火栓、自動噴水滅火及大空間智能消防系統(tǒng)；南片區(qū)兩棟十二層學(xué)生宿舍樓、三棟多層標(biāo)準(zhǔn)化工廠房、三棟單層工業(yè)廠房的室內(nèi)消火栓、自動噴水滅火系統(tǒng)。南北兩個片區(qū)室內(nèi)消防采用集中消防系統(tǒng)，統(tǒng)一由設(shè)于南片區(qū)的消防泵房供水。室內(nèi)消防水采用自來水，貯存于南片區(qū)學(xué)生宿舍樓地下室消防水池。一旦發(fā)生火災(zāi)由消防泵出水管壓力信號控制器及屋頂水箱流量控制器二者啟動室內(nèi)消防水泵向火場供水，其工程量覆蓋整個學(xué)校區(qū)域總計(jì)1 244.43畝地。

首先以Revit建立管網(wǎng)三維模型是輕量化管理管網(wǎng)系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作，通過對CAD圖紙研究可得出整個管網(wǎng)包括管道、閥門、水泵等所有構(gòu)件的信息。將CAD平面圖紙導(dǎo)入Revit可以建立三維可視化管網(wǎng)模型。三維模型建立思維圖如圖1所示。

圖1 三維模型建立思維圖

與傳統(tǒng)的二維模型信息相比，在Revit系統(tǒng)中建立的三維模型具有數(shù)字化、可視化等優(yōu)勢可完美展示管網(wǎng)幾何、屬性、材質(zhì)等信息，在模型建成時就已經(jīng)成為一個相對完成的體系[15]。完整模型如圖2所示。

圖2 Revit管網(wǎng)模型

3 模型輕量化

建筑的三維模型通常采用一個或多個文件夾來儲存模型信息，這樣雖然方便與單個用戶的獨(dú)立瀏覽和使用幾何、材質(zhì)、紋理、模型等信息，也方便與用戶之間的文件數(shù)據(jù)傳送互通。但如果模型信息較大，文件的傳輸將會受到一定程度的限制，如等待時間過長、接受用戶需要大量時間解析顯示模型等。所以將模型文件轉(zhuǎn)換成相對適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸和瀏覽的輕量化意義重大，不僅方便建筑模型的瀏覽、信息的及時傳達(dá)與互通，還可大大加強(qiáng)各部門的信息集成，避免“信息孤島”的存在。

3.1 Forge平臺輕量化

Forge是PaaS平臺下的云服務(wù)平臺，F(xiàn)orge無須安裝任何程序軟件即可提取Revit中已建立好的三維模型的幾何數(shù)據(jù)、對象、信息及縮略圖。通過提取的三維模型數(shù)據(jù)還可將Revit模型轉(zhuǎn)換為Web端的形式瀏覽，并且能在云端操作修改上傳的模型。

模型輕量化，首先需要通過數(shù)據(jù)管理API將模型上傳至Forge云端，為通過Forge Viewer API進(jìn)行模型的上傳，應(yīng)提前用API將上傳模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為svf格式。其次，模型的輕量化還需要在Autodesk官網(wǎng)中注冊申請App并獲取Client ID和Client Secret的開發(fā)許可。再通過Client ID和Client Secret得到管理和開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)所需的Token，通過所得到的Token分配得到程序的儲存空間bucket。最后，使用得到的全局唯一urn碼將三維模型轉(zhuǎn)換為代碼形式并上傳至網(wǎng)頁端瀏覽。輕量化流程如圖3所示。

圖3 輕量化流程

3.1.1 Client ID和Client Secret的獲取

以實(shí)際管網(wǎng)項(xiàng)目為單元申請Apps，模型的輕量化只需申請Date Management API與Model Derivative API即可，同時填寫讓登陸結(jié)果回傳到服務(wù)器端的Callback回調(diào)函數(shù)。身份認(rèn)證的API已經(jīng)在API基礎(chǔ)框架體系里，不需要額外操作?？蛻舳薎D和客戶端密碼的獲取圖如圖4所示。

圖4 客戶端ID和客戶端密碼的獲取圖

獲得對應(yīng)項(xiàng)目開發(fā)所需的Client ID和Client Secret后如遇Client Secret被盜竊可以通過Regenerate重新生成相對應(yīng)Client ID的Client Secret。

3.1.2 Token的獲取

Token相當(dāng)于臨時的身份認(rèn)證令牌，通俗地來說可以把Token看作是暗號，在數(shù)據(jù)傳輸前需要進(jìn)行暗號的核對，暗號通過后才能進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸。通過發(fā)出的請求，F(xiàn)orge Authentication API會將Token返回到應(yīng)用程序。JWT是Token所使用的規(guī)范，可獲取對應(yīng)權(quán)限的Token。通過微軟官方的操作平臺.Net在Visual Studio中的使用得到的Token。Forge平臺的使用還需要在編譯程序中添加所獲得的Client ID與Client Secret作為引用。最終獲取的Token，如圖5所示。

圖5 獲取的Token

3.1.3 底層數(shù)據(jù)庫OSS

Forge云平臺的底層數(shù)據(jù)庫儲存結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，是以底層OSS數(shù)據(jù)的存儲為基礎(chǔ)，并有項(xiàng)目與數(shù)據(jù)的服務(wù)提供于SaaS(云計(jì)算服務(wù)類型)產(chǎn)品應(yīng)用。需要在OSS中建立一個全局唯一的Bucket，并以Bucket的形式將模型存儲在Forge云平臺中。Bucket除了提更供廣泛的Forge生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)下載能力之外，還提供了管理應(yīng)用程序?qū)ο蟮墓δ苋鐒?chuàng)建、上傳、下載、刪除多個Bucket。

3.2 實(shí)現(xiàn)模型輕量化

Web應(yīng)用的開發(fā)通常會使用JavaScript這種腳本語言，將JavaScript腳本嵌在HTML5中可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)模型的輕量化。本文通過對Autodesk公司開放的建筑模型Web端源代碼進(jìn)行JavaScript腳本整體修改，最終在網(wǎng)頁端實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)模型Web端輕量化，如圖6所示。

圖6 輕量化管網(wǎng)模型與部分代碼

4 模型輕量化的應(yīng)用效果

4.1 Web端系統(tǒng)化運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)

基于Web端的JavaScript語言編程，以云南某高校管網(wǎng)為對象將管網(wǎng)三維模型輕量化后，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)模型PC端可視化平臺，同時提供了管網(wǎng)詳細(xì)信息、構(gòu)建分離查看、建筑x軸與y軸還有z軸的剖切、標(biāo)記、場景旋轉(zhuǎn)、添加外部構(gòu)件、三維漫游等一系列模型的用戶管理功能。并且通過二次開發(fā)后的模型重建，使原來170 M的模型在瀏覽器端的大小只有9 M左右，將原來建筑文件所占內(nèi)存優(yōu)化掉90%以上，提高了加載建筑模型的效率，如圖7所示。

圖7 Web端管網(wǎng)展示

4.2 設(shè)備管理

校園管網(wǎng)建成后管道的運(yùn)維階段是整個建筑全生命周期中耗時最長也是最重要的環(huán)節(jié)，管網(wǎng)由生活供水、生活下水、消防供水、各種管件設(shè)備組成，復(fù)綜錯雜且屬于隱蔽工程，給管理和維修人員帶來工作上的不便，維修時定位的不準(zhǔn)確更是可能導(dǎo)致管網(wǎng)的亂挖錯挖，嚴(yán)重甚至?xí)＜熬S修人員的生命安全。該Web端輕量化模型實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的位置定位、狀態(tài)檢測與更新、分類的設(shè)備查詢。通過點(diǎn)擊頁面中某一設(shè)備即可查閱該設(shè)備的屬性名、族與類型、主體ID、類別、類型、尺寸、使用年限、供應(yīng)商等相關(guān)信息。在二次開發(fā)中接入管件設(shè)備監(jiān)控器還可以達(dá)到對管網(wǎng)的實(shí)時設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控，并將管網(wǎng)的實(shí)時使用狀態(tài)以不同顏色區(qū)分，如正常使用為綠色，異常狀態(tài)為黃色，故障狀態(tài)為紅色。便于管理人員及時發(fā)現(xiàn)后安排后續(xù)的設(shè)備更換和維修，避免安全事故或管網(wǎng)的損壞導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，給管網(wǎng)的運(yùn)維優(yōu)化帶來顯著效果提升，如圖8所示。

圖8 設(shè)備信息瀏覽

4.3 移動端模型的查看

為方便對管網(wǎng)的運(yùn)維管理，通過輕量化的校園管網(wǎng)，同時可以通過鏈接分享的形式進(jìn)行移動端的模型信息查看，解決了管理人員必須隨身帶著電腦查看模型的負(fù)重。輕量化的移動端模型擁有和Web端模型同樣的功能，在移動端的模型構(gòu)件信息查看的同時也給現(xiàn)場管理和維修人員帶來了極大的方便。移動端模型瀏覽如圖9所示。

圖9 移動端模型瀏覽

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

運(yùn)用BIM建模軟件和輕量化技術(shù)進(jìn)行了管網(wǎng)系統(tǒng)二次開發(fā)探索，并以云南某高校管網(wǎng)為例分析相關(guān)應(yīng)用過程，通過對Web端模型輕量化的構(gòu)建方便了模型的瀏覽，減輕了對計(jì)算機(jī)的配置要求，提高管理效率，對管網(wǎng)優(yōu)化管理具有一定的借鑒價值。在未來的研究中，深入對管網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)的二次開發(fā)研究，為相關(guān)部門的信息交流提供管網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)平臺，達(dá)到信息和運(yùn)維情況的及時更新；為新建或翻修地下管網(wǎng)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確定位，避免不必要的二次開挖或?qū)υ泄芫W(wǎng)的損壞，保障對管網(wǎng)的防護(hù)運(yùn)維，為建設(shè)智慧城市打下牢固的基礎(chǔ)。

5.2 輕量化應(yīng)用的展望

模型輕量化使管網(wǎng)的運(yùn)維管理更高效便捷，本文研究了輕量化后的Web端的展示與參數(shù)化信息瀏覽和對構(gòu)件的剖切、分離查看等功能。并對下一步更深層次的模型輕量化研究做出展望：

1)優(yōu)化模型著色效果，現(xiàn)有Revit建模軟件對模型的色彩庫數(shù)據(jù)不夠完善，導(dǎo)致原模型真實(shí)場景和環(huán)境等因素影響下所存在明顯色差。通過優(yōu)化著色效果彌補(bǔ)模型在渲染時因不同光照、氣候、環(huán)境帶來的呈現(xiàn)效果影響，從而提高真實(shí)性。

2)通過優(yōu)化程序使模型在渲染時，提高模型渲染速度與效果，做到在快速渲染的同時又能高精度地還原模型細(xì)節(jié)。

3)加強(qiáng)與Web端的三維可視化網(wǎng)絡(luò)交互，在模型建成和修改時可及時自動上傳加載模型，達(dá)到自動更新的效果。

4)開發(fā)對管網(wǎng)的流量實(shí)時監(jiān)控，壓力點(diǎn)分析、損壞程度等級顯示、遠(yuǎn)程操控等一系列功能，為智慧城市的加速進(jìn)展推波助瀾。