超大體量BIM模型的協(xié)同施工及信息共享平臺應(yīng)用

向 前 黃瑞涵 凌 莉 陳智昊

中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430040

隨著信息化技術(shù)在國內(nèi)的高速發(fā)展，以BIM為代表的現(xiàn)代技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，掀起了工程管理信息化和智能化發(fā)展的熱潮，并取得了一定的進(jìn)展。為實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)數(shù)字化、智能化升級，提高智能建造在工程建設(shè)中的應(yīng)用，對以BIM技術(shù)為核心的協(xié)同管理、信息交互平臺的探索研究勢在必行，而對BIM平臺研究的首要問題是解決模型的輕量化處理，行業(yè)學(xué)者對該問題進(jìn)行了相關(guān)的研究，趙菲[1]對基于B/S架構(gòu)的BIM輕量化系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計和分析；馬金忠等[2]提出了幾種模型文件輕量化轉(zhuǎn)換的方法。但上述研究均未涉及針對大體量BIM模型的輕量化處理，而隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，工程項目規(guī)模及復(fù)雜程度不斷提高，BIM模型體量大、構(gòu)件多、專業(yè)廣，模型加載卡頓、功能使用不順暢，不能給予用戶良好的體驗，這成為制約BIM平臺推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文對超大體量BIM模型的輕量化處理進(jìn)行了相關(guān)的研究，分析了超大體量BIM模型的輕量化處理技術(shù)，基于超大體量模型輕量化處理方案，自主研發(fā)了BIM協(xié)同管理平臺，并結(jié)合案例項目提出基于BIM的協(xié)同施工管理方法[3-4]。

1 基于BIM的協(xié)同管理及信息共享平臺概況

基于BIM的協(xié)同管理及信息共享平臺，是由中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司自主研發(fā)的，目標(biāo)是打通施工項目管理各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同辦公。平臺基于B/S架構(gòu)，以三維模型為基礎(chǔ)，從進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本、設(shè)計等方面對項目進(jìn)行建設(shè)周期內(nèi)的跟蹤和管控，提升項目生產(chǎn)效率、提高施工質(zhì)量、控制施工進(jìn)度和建設(shè)成本。

2 案例分析

2.1 工程概況

橫琴科學(xué)城（一期）租賃住房項目位于粵港澳大灣區(qū)建設(shè)合作示范區(qū)橫琴新區(qū)，占地面積32.2萬 m2，總建筑面積115.2萬 m2。項目采用EPC總承包管理模式，需提供設(shè)計、施工、運(yùn)維階段BIM技術(shù)服務(wù)。建設(shè)方要求搭建基于BIM的協(xié)同管理平臺，打通項目設(shè)計、進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)各參建方的協(xié)同施工與信息共享，為行業(yè)向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級提供示范作用。

2.2 重難點(diǎn)分析

EPC總承包模式包括建設(shè)、設(shè)計、總承包、監(jiān)理、咨詢等參建方約21家管理單位，涉及的管理流程復(fù)雜，EPC總承包管理難度大。

EPC合同模式包括設(shè)計、采購、施工內(nèi)容，時間緊、工作內(nèi)容多，施工后期涉及全專業(yè)穿插，對項目進(jìn)度控制要求高。

EPC模式實(shí)行限額設(shè)計、總價包干。本項目建設(shè)規(guī)模大，建設(shè)周期內(nèi)材料、設(shè)備及勞動力價格起伏大，涉及專業(yè)眾多，成本控制風(fēng)險大，對項目成本管控提出更高要求。

本工程體量巨大，涉及專業(yè)廣，項目土建、機(jī)電、裝飾、幕墻等專業(yè)BIM模型達(dá)300 GiByte，實(shí)施本項目基于BIM的施工管理，需解決大體量模型輕量化處理及模型加載問題。

2.3 BIM協(xié)同平臺綜合應(yīng)用

2.3.1 BIM協(xié)同平臺部署方式

針對橫琴科學(xué)城項目BIM服務(wù)周期長、數(shù)據(jù)安全可控的需求，確定BIM協(xié)同平臺采用私有化部署的方式，相比采購SAAS服務(wù)，私有化部署的優(yōu)勢如下：

1）安全性更高，系統(tǒng)部署在本地，數(shù)據(jù)更安全可控。

2）可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)隔離，通過局域網(wǎng)＋外網(wǎng)辦公發(fā)揮綜合優(yōu)勢。系統(tǒng)部署單位內(nèi)部，內(nèi)部人員可以使用PC局域網(wǎng)連接，速度更快；手機(jī)用戶＋安全連接可實(shí)現(xiàn)外部訪問和單位內(nèi)部互聯(lián)互通。

2.3.2 平臺服務(wù)器配置

BIM協(xié)同平臺部署分為3個部分，分別由4臺服務(wù)器承擔(dān)，服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，光纖寬帶上下行速度為50 Mibit/s，服務(wù)器之間內(nèi)部通過萬兆交換機(jī)連接。

1）Web Application Server，由1臺服務(wù)器承擔(dān)，磁盤有較好的讀寫性能，有獨(dú)立的公網(wǎng)IP地址，100 M光纖互聯(lián)網(wǎng)寬帶。

2）Application & BIM Server，由2臺服務(wù)器承擔(dān)，有較大內(nèi)存、較高的磁盤讀寫性能；有高3D性能的GPU，主要用于模型輕量化處理和模型、圖紙查看服務(wù)以及API服務(wù)；有較大的磁盤空間。

3）Database Server，由1臺服務(wù)器承擔(dān)，用于運(yùn)行MySQL數(shù)據(jù)庫，有較快的處理器速度和較高的磁盤讀寫性能。

2.3.3 BIM協(xié)同平臺應(yīng)用準(zhǔn)備

1）功能測試。協(xié)同平臺正式部署前，在測試環(huán)境對平臺基本功能進(jìn)行了測試，結(jié)合項目管理流程對基本功能的線上操作流程進(jìn)行修改和完善。

2）平臺信息上傳制度。為規(guī)范項目BIM協(xié)同平臺BIM信息資源上傳工作，提高信息資源上傳質(zhì)量，確保安全、準(zhǔn)確、及時，充分發(fā)揮BIM平臺在項目各參建方信息共享中的作用，結(jié)合項目實(shí)際情況，為項目制定了BIM平臺信息資源上傳制度。

3）權(quán)限分配。對各參建方進(jìn)行了權(quán)限梳理分配，確保了各參建方在平臺中操作權(quán)限與項目實(shí)際角色功能的一致性。

4）業(yè)務(wù)操作培訓(xùn)。為確保項目各參建方能熟悉掌握系統(tǒng)的使用及管理，確保各方在同一標(biāo)準(zhǔn)、同一平臺上使用BIM技術(shù)，開展了一系列的培訓(xùn)服務(wù)，促進(jìn)整個項目的BIM平臺實(shí)施能具體落實(shí)到各個參建方，從而提升項目整體的BIM協(xié)同平臺應(yīng)用的質(zhì)量。

2.3.4 超大體量BIM模型輕量化處理

BIM模型輕量化技術(shù)可以有效減少模型的體積，但隨著BIM技術(shù)的推廣發(fā)展，BIM協(xié)同涉及的專業(yè)越來越廣，設(shè)計、施工及運(yùn)維BIM對模型精度提出了更高的要求，導(dǎo)致BIM模型體量越來越大。這些大體量的模型即便經(jīng)過輕量化，在加載的時候也需要較長的時間和較多的資源，這對BIM模型輕量化技術(shù)是個巨大的挑戰(zhàn)。結(jié)合本項目情況，針對大模型輕量化在以下方面做了優(yōu)化。

1）幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。針對模型的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用了參數(shù)化幾何描述的方式。用關(guān)鍵參數(shù)來描述一個幾何體。例如：對于一個長方體，通過保存長方體的中心位置坐標(biāo)，以及長方體的長、寬、高來進(jìn)行記錄。通過參數(shù)化描述方式，用很少量的數(shù)據(jù)對模型的幾何信息進(jìn)行保存，減少幾何信息的數(shù)據(jù)大?。▓D1）。

圖1 參數(shù)化幾何描述

此外，在保存相似圖元時，只保留一個圖元的完整信息，其他的圖元只記錄完整圖元的引用及對應(yīng)的位置坐標(biāo)信息，通過對圖元信息的復(fù)用，進(jìn)一步減少模型的幾何信息，提高輕量化的壓縮比（圖2）。

圖2 相似圖元復(fù)用

2）渲染處理優(yōu)化。一般認(rèn)為單次渲染量＝構(gòu)件數(shù)量×構(gòu)件精度。本平臺在渲染處理上采用了多重LOD，使用不同級別的幾何體來表示觀察對象，距離越遠(yuǎn)，加載模型越粗糙，距離越近，加載模型越精細(xì)。基于此，可在不影響視覺效果的前提下，提高顯示效率，降低儲存成本。在視距較遠(yuǎn)的情況下，構(gòu)件數(shù)量多，構(gòu)件精度較低，視距較近時，構(gòu)件精度高，但構(gòu)件數(shù)量少，通過此方式可控制單次渲染體量。

此外，根據(jù)視點(diǎn)對場景圖元建立空間索引，將非視點(diǎn)場景圖元進(jìn)行遮擋剔除處理，并采用批量繪制，將需要合并的模型數(shù)據(jù)作為整體計算頂點(diǎn)、位置，去除重復(fù)幾何信息（如邊界、相對位置），提升渲染流暢度（圖3）。

圖3 視點(diǎn)場景構(gòu)件遮擋示意

2.3.5 BIM協(xié)同平臺加載優(yōu)化

除了在模型輕量化時針對大體量模型進(jìn)行優(yōu)化，在大體量模型加載時也從以下方面做了優(yōu)化，進(jìn)一步提高用戶在瀏覽大體量模型時的體驗。

1）模型分組。BIM協(xié)同平臺提供了模型分組管理的功能，管理員可按不同的專業(yè)和區(qū)域?qū)δＰ瓦M(jìn)行分組（用戶在加載模型時，可按需加載顯示。每個用戶均可單獨(dú)設(shè)置模型瀏覽的偏好，互不影響，方便不同角色的人員快速定位瀏覽模型。

2）模型、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單獨(dú)處理。系統(tǒng)將模型渲染的相關(guān)數(shù)據(jù)單獨(dú)管理，離開頁面時只釋放頁面相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，模型相關(guān)數(shù)據(jù)保留在內(nèi)存中。需要重新顯示模型時，快速從內(nèi)存中調(diào)取出來恢復(fù)模型渲染。如此一來，用戶在進(jìn)入BIM協(xié)同平臺后，只需加載一次模型，即可在不同的業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行切換，無需重新加載就可以立即顯示，大大提高了用戶體驗及操作的連貫性。

3）輕量化數(shù)據(jù)自動緩存。BIM協(xié)同平臺在加載模型后，用戶端會自動進(jìn)行緩存，在模型數(shù)據(jù)未發(fā)生改變的情況下，再次瀏覽模型，從本地進(jìn)行加載，可有效減少服務(wù)器寬帶資源的消耗，提高輕量化模型加載的速度（圖4）。

圖4 輕量化數(shù)據(jù)緩存

以本項目6 0 0 個測試模型文件為例，總體量為8.8 GiByte，優(yōu)化前加載時長120 s，優(yōu)化后加載時長縮短為55 s，縮短了54%的加載時間。

2.3.6 基于BIM協(xié)同平臺的總承包管理

1）進(jìn)度管理。本項目基于BIM協(xié)同平臺的進(jìn)度管理，由總承包方計劃工程師編制項目總進(jìn)度計劃，上傳至平臺形成總控計劃，將計劃項與對應(yīng)模型掛接，計劃工程師以周為單位在移動端和Web端填報計劃項的實(shí)際完成節(jié)點(diǎn)，并以項目規(guī)定的審批流，發(fā)送至監(jiān)理單位對應(yīng)責(zé)任人審批，審批通過后完成實(shí)際節(jié)點(diǎn)的填報。

根據(jù)計劃節(jié)點(diǎn)及實(shí)際完成時間，在平臺實(shí)現(xiàn)動態(tài)進(jìn)度模擬，通過不同顏色塊反映工期超前、滯后的情況，并以周為單位在監(jiān)理例會進(jìn)行展示匯報，供各參建方了解、分析管理項目的實(shí)施進(jìn)度。

此外，項目計劃部以周為單位對項目現(xiàn)場進(jìn)行航拍，將航拍照片上傳至平臺，方便各參建方對現(xiàn)場形象進(jìn)度有更清晰直觀的把握。

2）質(zhì)量、安全管理。BIM平臺的質(zhì)量、安全管理流程大致相同，流程如下：監(jiān)理單位通過移動端對現(xiàn)場質(zhì)量、安全缺陷問題進(jìn)行采集記錄，拍照上傳平臺，選擇對應(yīng)施工單位責(zé)任人發(fā)起整改流程，并將問題項與對應(yīng)的模型構(gòu)件掛接，方便管理人員精確掌控問題項的位置及詳情，施工單位責(zé)任人收到通知后進(jìn)行問題整改，經(jīng)監(jiān)理單位復(fù)檢通過后閉合此問題整改流程。

此外，平臺支持任意時間段的質(zhì)量、安全問題的篩選統(tǒng)計，通過統(tǒng)計分析表顯示待整改、待復(fù)查、閉合項等數(shù)據(jù)，用以展示項目的整體質(zhì)量、安全狀態(tài)與趨勢，便于高層進(jìn)行管理決策。

3）成本管理。本項目基于BIM的成本管理流程大致為：基于BIM模型算量、模型與算量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、模型與合同清單關(guān)聯(lián)、進(jìn)度款計算及產(chǎn)值統(tǒng)計（圖5）。

圖5 成本管理流程示意

算量數(shù)據(jù)作為成本管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為了確保基于BIM的算量結(jié)果能夠達(dá)到指導(dǎo)項目成本管控，實(shí)施思路如下：

① 整合平臺算量所需模型的屬性數(shù)據(jù)，調(diào)整建模數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

② 基于上述建模數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用Revit二次開發(fā)算量插件，采用數(shù)模分離技術(shù)對測試模型進(jìn)行全專業(yè)算量。

③ 將測試模型的BIM算量結(jié)果分專業(yè)與項目造價咨詢（廣聯(lián)達(dá)軟件）算量結(jié)果進(jìn)行對比分析，調(diào)整BIM算量規(guī)則，控制與造價咨詢算量結(jié)果誤差不超過5%。

④ 按調(diào)整后的算量規(guī)則完成全專業(yè)模型算量。基于上述算量結(jié)果，將算量數(shù)據(jù)上傳至BIM平臺，并根據(jù)構(gòu)件ID將算量數(shù)據(jù)與對應(yīng)模型進(jìn)行自動掛接。由商務(wù)人員將合同清單、人材價差調(diào)整數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺，完善支付規(guī)則、措施費(fèi)等信息。基于進(jìn)度模塊填報的實(shí)際完工量，綜合合同、簽證、變更等數(shù)據(jù)信息自動計算進(jìn)度款、后續(xù)結(jié)算金額，并完成相應(yīng)的進(jìn)度產(chǎn)值統(tǒng)計（圖6）。

圖6 資金產(chǎn)值統(tǒng)計

4）設(shè)計管理。設(shè)計技術(shù)人員結(jié)合圖紙、三維模型，通過框選、批注、添加文字等形式標(biāo)記設(shè)計問題，形成問題報告、表單、截圖，再通過設(shè)置的工作流發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)計人員，通過線上會議機(jī)制，對圖紙、模型進(jìn)行在線校審，協(xié)同解決設(shè)計問題，并根據(jù)會議結(jié)果自動生成會議紀(jì)要（圖7）。

圖7 設(shè)計問題標(biāo)注

5）文檔管理。通過單文件、批量文件方式，將模型、圖紙、文檔資料導(dǎo)入平臺，按類別、時間等不同維度進(jìn)行分類管理，提供瀏覽、下載、創(chuàng)建、修改、刪除、權(quán)限設(shè)置6種顆細(xì)粒度的權(quán)限控制。

6）模型管理。將上傳的單項模型組合為基礎(chǔ)管理模型，基于此進(jìn)行平臺各項功能管理，模型支持Web端和移動端的模型瀏覽、空間漫游、二三維聯(lián)動、三維剖切、縮放、旋轉(zhuǎn)、移動等操作，并可根據(jù)專業(yè)、樓層、構(gòu)件等查看詳細(xì)屬性信息。

7）駕駛艙展示。將基于三維模型的進(jìn)度可視化展示、質(zhì)量安全問題統(tǒng)計、成本資金數(shù)據(jù)，在駕駛艙集中展示，方便管理人員從不同維度把握項目整體情況，從而進(jìn)行管理分析和決策（圖8）。

圖8 駕駛艙數(shù)據(jù)看板

8）項目報告。通過平臺各板塊數(shù)據(jù)，現(xiàn)場進(jìn)度、設(shè)計變更、質(zhì)量安全問題整改、材料消耗、進(jìn)度款跟蹤等數(shù)據(jù)匯總，生成每周項目報告，以便項目管理人員分析和決策。

9）App應(yīng)用。App提供了施工現(xiàn)場進(jìn)度、質(zhì)量、安全數(shù)據(jù)的填報與審批功能，App支持iOS、Andriod智能設(shè)備，同時針對各級項目管理人員移動辦公的需求，提供了個人督辦事項、文檔查看等功能（圖9）。

圖9 移動端功能界面、模型瀏覽

3 結(jié)語

通過以行業(yè)BIM發(fā)展趨勢為背景，以BIM平臺為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際項目案例，研究分析超大體量BIM模型的輕量化處理方式，極大程度地提高了基于大體量BIM模型的平臺渲染速度、效率以及用戶交互操作時的流暢度。輕量化處理方式如下：

1）幾何結(jié)構(gòu)采用參數(shù)化描述形式，相似圖元采用引用＋坐標(biāo)方式。

2）采用多重LOD、遮擋剔除與批量繪制的渲染處理技術(shù)。

3）模型加載方面可進(jìn)行模型分組、模型數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離加載及本地數(shù)據(jù)緩存加載的方法。

通過研究基于BIM平臺的協(xié)同管理與信息交互，分享了基于BIM的總承包管理方法與經(jīng)驗，以信息化、可視化方式提高了項目的進(jìn)度管控水平，減少了質(zhì)量缺陷，降低了安全事故風(fēng)險。以BIM算量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，為項目提供了集成化、多維度成本管控方法，提高了工程整體建設(shè)水平，為建設(shè)項目帶來了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。同時，基于超大體量模型的BIM協(xié)同施工及信息共享平臺的應(yīng)用，為BIM、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的探索發(fā)展提供了借鑒。