BIM與Web信息服務(wù)融合的關(guān)鍵技術(shù)研究

司典浩 張麗麗 趙云輝 張 楊

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 智能建造中心，北京 100089；2.北京高新市政工程科技有限公司 智能建造中心，北京 100089)

引言

隨著B(niǎo)IM技術(shù)在城市建設(shè)、水務(wù)、交通、電力和市政等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，BIM模型已由規(guī)劃、設(shè)計(jì)逐步向施工、運(yùn)維延伸。BIM技術(shù)實(shí)質(zhì)是數(shù)字圖形與建筑信息融合集成的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，三維圖形的變化驅(qū)動(dòng)著附屬屬性的變化[1]。在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等過(guò)程中，各類數(shù)據(jù)都可從圖形的附加信息中獲取，這是BIM技術(shù)持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)和動(dòng)力。隨著B(niǎo)IM技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，需要獲取信息的單位包含設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、業(yè)主等多方，單一的BIM模型文件已不足以支撐多個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，BIM模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和擴(kuò)展性呈現(xiàn)不足[2]。

在基于Web的信息服務(wù)中，傳統(tǒng)的聯(lián)機(jī)檢索工具由Web查詢引擎和數(shù)據(jù)庫(kù)檢索兩部分取代，Web查詢引擎用于定位信息源，Web與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Web與數(shù)據(jù)庫(kù)的融合[3]，使得數(shù)據(jù)可以基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)范化管理及擴(kuò)充。

通過(guò)Web信息服務(wù)與BIM模型的深度融合，用瀏覽器進(jìn)行模型的查看、溝通，一方面可以讓各參與單位基于一個(gè)更加輕量的平臺(tái)開(kāi)展工作，進(jìn)行協(xié)同應(yīng)用，形成資源共享和功能互補(bǔ)[4-5]； 另一方面通過(guò)Web API對(duì)BIM模型進(jìn)行信息擴(kuò)展，達(dá)到與其他系統(tǒng)的交互對(duì)接，從而提升BIM的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)工程量算到人力資源，從成本預(yù)算到財(cái)務(wù)統(tǒng)籌，從工程監(jiān)管到企業(yè)資源，從作業(yè)協(xié)同到真正的智慧建造。

1 BIM與Web信息服務(wù)融合

市政工程建筑信息模型的建立，不僅要考慮工程設(shè)計(jì)的需要，還應(yīng)在三維模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各類信息的融合，并通過(guò)一定的數(shù)字仿真技術(shù)，來(lái)模擬建筑物在全生命周期中所具有的真實(shí)信息。因此，一個(gè)完備的BIM信息模型應(yīng)該能夠?qū)⑹姓こ添?xiàng)目在整個(gè)生命周期中的工程信息、過(guò)程和資源集成在一個(gè)模型中，方便當(dāng)前工程各參與方使用，為設(shè)計(jì)和施工提供協(xié)調(diào)一致的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6]。

BIM模型的創(chuàng)建者，往往是由建筑設(shè)計(jì)人員完成，其附帶的相關(guān)參數(shù)和信息更偏向于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的需要，導(dǎo)致花費(fèi)代價(jià)建立的BIM模型根本無(wú)法傳遞到工程應(yīng)用的下一個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于BIM的施工一體化和各工序的協(xié)同工作，無(wú)法提供快速算量、精確計(jì)劃及工程清單，更無(wú)法快速精確獲取相關(guān)的資源計(jì)劃，導(dǎo)致BIM模型的價(jià)值無(wú)法得充分發(fā)揮。

Web信息服務(wù)具有面向消息的、松散耦合的特點(diǎn)[7-8]。Web服務(wù)對(duì)信息時(shí)代有著重大的意義，它可以像那些可置換的標(biāo)準(zhǔn)零部件，進(jìn)行自由更換與耦合。同時(shí)Web信息服務(wù)是具體的業(yè)務(wù)流程的特點(diǎn)，它能夠公開(kāi)和描述自己，可以定義自己的功能和屬性，以便其他應(yīng)用能夠快速集成它，也容易向其它應(yīng)用提供這種功能，從而實(shí)現(xiàn)基于事務(wù)處理的復(fù)雜供應(yīng)鏈集成和管理[9]。

通過(guò)建立BIM模型與Web信息服務(wù)相融合，在BIM模型中通過(guò)唯一的關(guān)聯(lián)信息，快速獲取任意構(gòu)件上的工程基礎(chǔ)信息，并通過(guò)不同的職責(zé)和權(quán)限劃分，將所需的Web信息服務(wù)自由掛載。例如，將合同資料、實(shí)施計(jì)劃與施工的消耗量、分項(xiàng)單價(jià)、分項(xiàng)合價(jià)等數(shù)據(jù)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，讓BIM模型承載工程在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維等階段的所有信息，再結(jié)合虛擬可視化技術(shù)進(jìn)行有效協(xié)同，讓設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方甚至非工程出身的業(yè)主都對(duì)項(xiàng)目的各種問(wèn)題和情況了如指掌[10]。

要實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)與BIM模型的融合，需對(duì)BIM模型進(jìn)行規(guī)范化與輕量化整理，形成有組織、有層級(jí)的實(shí)體化數(shù)據(jù)模型。統(tǒng)一其構(gòu)件編碼規(guī)則，再結(jié)合具有彈性擴(kuò)展特點(diǎn)的Web信息服務(wù)接口，最終實(shí)現(xiàn)以BIM圖形信息為載體，Web多源數(shù)據(jù)為掛接的綜合信息管理系統(tǒng)。

2 模型的剔除與聚類

模型的剔除與聚類，其核心目的就是為了減少BIM模型對(duì)電腦硬件的依賴，實(shí)現(xiàn)多類型終端的快速瀏覽，從而增加模型的應(yīng)用范圍。BIM模型要實(shí)現(xiàn)與Web信息服務(wù)的有機(jī)結(jié)合，必然要對(duì)BIM進(jìn)行輕量化處理，在保證模型核心要素完整的前提下，降低數(shù)據(jù)量的大小，實(shí)現(xiàn)模型能在互聯(lián)網(wǎng)中的快速呈現(xiàn)與渲染。剔除主要分為三個(gè)方面：一，對(duì)三維網(wǎng)格圖形的刪減剔除，降低模型的精度，減少圖形數(shù)據(jù)的尺寸； 二，通過(guò)剔除模型中非關(guān)鍵屬性和綁定的非必要數(shù)據(jù)，降低模型中屬性數(shù)據(jù)的大?。?三，結(jié)合聚類的特性，將同質(zhì)構(gòu)件與族庫(kù)統(tǒng)一管理，避免相同構(gòu)件多次轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)。

2.1 圖形剔除

BIM數(shù)據(jù)中元素的基本圖元有點(diǎn)、單元、線、面和體等，配合一定的三維表達(dá)，如旋轉(zhuǎn)、倒角和參數(shù)等，來(lái)呈現(xiàn)各種體，表達(dá)復(fù)雜的三維實(shí)體。但是對(duì)于瀏覽器來(lái)說(shuō)，不具備建模軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力，三維數(shù)據(jù)會(huì)被離散化處理，則以統(tǒng)一的Mesh來(lái)表達(dá)。在模型輕量化處理中，需在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換損失與運(yùn)行效率之間尋找平衡點(diǎn)，采用不同的顯示等級(jí)。可利用八叉樹(shù)的三角片等值面消減算法，在盡量不影響模型外觀的情況下，可以大大降低三角片數(shù)量，如圖1所示。

圖1 圖形的消減

接下來(lái)再進(jìn)行部分精度降低，如將Double轉(zhuǎn)換為Float型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可大大減少模型的存儲(chǔ)量，滿足網(wǎng)絡(luò)快速加載，提升三維引擎的渲染性能[11]。

2.2 屬性的剔除和分離

BIM模型和屬性形影相依，各種屬性系統(tǒng)是構(gòu)建信息模型的基礎(chǔ)。但對(duì)于Web服務(wù)來(lái)說(shuō)，屬性的賦值和加載并不需要和模型數(shù)據(jù)保持統(tǒng)一的加載順序和節(jié)奏，可利用Web自由通信和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的按需獲取與加載。通過(guò)對(duì)非關(guān)鍵信息的剔除和分離，既可以減少模型的大小，也可以提升模型的加載與渲染能力。同時(shí)，利用Web系統(tǒng)的互操作性，按需匹配屬性，使業(yè)務(wù)過(guò)程能夠動(dòng)態(tài)、靈活地變換，并支持業(yè)務(wù)的任意拓展。

BIM模型的屬性剔除是對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀分離存儲(chǔ)，然后再利用Web服務(wù)進(jìn)行后賦值，如圖2所示。

圖2 屬性的剔除與分離

對(duì)模型屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，存儲(chǔ)于云端，通過(guò)標(biāo)識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，既不影響構(gòu)件的屬性特征，還可以按需獲取，按場(chǎng)景獲取，這樣既靈活也不降低效率。

2.3 構(gòu)件的聚類

通過(guò)簡(jiǎn)化BIM模型能夠大量減少模型數(shù)據(jù)大小，但BIM模型構(gòu)件有眾多同質(zhì)化的特點(diǎn)，很多樓層都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)層，且也存在大量構(gòu)件復(fù)用，除個(gè)別屬性不一樣之外，其他特性都基本一致?？梢詫⑼粋€(gè)族中的相似對(duì)象進(jìn)行抽象歸類，把相異部分進(jìn)行解析和分離，對(duì)相同的構(gòu)件只需要保存一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的圖形元素，其他構(gòu)件只需要保留少量差異化的數(shù)據(jù)，可以大大減少模型構(gòu)件的數(shù)量存儲(chǔ)，降低模型的大小，模型在網(wǎng)絡(luò)中加載速度又會(huì)進(jìn)一步得到提升。

3 歸類編碼與唯一標(biāo)識(shí)

建立BIM構(gòu)件編碼體系是建立以BIM為載體，實(shí)現(xiàn)與其他信息進(jìn)行交互和搭接的基礎(chǔ)，其可以關(guān)聯(lián)物料編碼、清單編碼等信息。通過(guò)統(tǒng)一的構(gòu)件編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)物料編碼、清單編碼等，從而實(shí)現(xiàn)以構(gòu)件單體為中心，其他信息為擴(kuò)展的編碼組織方式。

傳統(tǒng)的編碼是基于表格數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，BIM的構(gòu)件編碼體系是基于BIM數(shù)據(jù)模型，由BIM模型作為編碼的載體，即所有編碼都能找到物理模型對(duì)象，這樣的編碼體系會(huì)使編碼數(shù)據(jù)庫(kù)更清晰完整，且更有利于開(kāi)展對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 構(gòu)件編碼

為了更有利于構(gòu)件編碼的應(yīng)用和實(shí)施，構(gòu)件編碼可結(jié)合國(guó)標(biāo)清單項(xiàng)目編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。主要的優(yōu)化原則是把原來(lái)清單中不算或者通過(guò)套定額算的量重新拆分出構(gòu)件子項(xiàng)并找到對(duì)應(yīng)的模型構(gòu)件。

4 數(shù)據(jù)的組織與集成

4.1 數(shù)據(jù)組織

基于Web服務(wù)的BIM模型需以層級(jí)單位進(jìn)行元素管理，將圖形元素進(jìn)行邊界檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)有效的空間切割，形成模型子元素，也可以稱作瓦片(Tiles)[12]，如圖4所示。一個(gè)層級(jí)可以包含多個(gè)文件及種文件類型，一個(gè)文件又可以包含多個(gè)子層級(jí)，再通過(guò)瓦片的參考邊界和節(jié)點(diǎn)關(guān)系，來(lái)組成總裝文件。對(duì)于非空間圖形信息，同樣以層級(jí)單位進(jìn)行要素管理，一個(gè)層級(jí)只能包含一種數(shù)據(jù)類型的要素，多種類型數(shù)據(jù)要素，需分離出子層。介于BIM數(shù)據(jù)可以多級(jí)深度參考，為確保數(shù)據(jù)被提取分散到最低層級(jí)，同時(shí)保證轉(zhuǎn)換后層級(jí)關(guān)系正確，因此需要建立起圖層—圖層、參考文件—要素集、總裝文件—文件方面的映射。

圖4 數(shù)據(jù)的組織

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

BIM模型將幾何與屬性存儲(chǔ)于同一文件，而利用Web服務(wù)后，可根據(jù)BIM數(shù)據(jù)的特性，將結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)采用不同的存儲(chǔ)策略。例如圖形、材質(zhì)等非結(jié)構(gòu)化文件存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中，按照加載順序進(jìn)行分割，實(shí)現(xiàn)分布和梯度加載，對(duì)于結(jié)構(gòu)化的屬性數(shù)據(jù)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式進(jìn)行存儲(chǔ)，并建立相應(yīng)的索引，實(shí)現(xiàn)快速檢索和查詢，并支持動(dòng)態(tài)的更新。將兩種數(shù)據(jù)形式，通過(guò)對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，最終將大型BIM數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成一個(gè)可分布式存儲(chǔ)和靈活擴(kuò)展的數(shù)據(jù)管理方式。

4.3 BIM信息服務(wù)的集成

通過(guò)唯一的信息標(biāo)識(shí)，建立Web信息服務(wù)與建模軟件、輕量化模型一一關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)獲取與熱拔插，把相關(guān)的信息服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭商鎿Q的零件單元，根據(jù)用戶場(chǎng)景不同。設(shè)計(jì)者與相關(guān)人員在BIM建模軟件和輕量化端，可以根據(jù)角色特性，自由切換，改變當(dāng)前模型關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)范圍與狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)BIM上的關(guān)聯(lián)信息有序擴(kuò)展，其業(yè)務(wù)模型如圖5所示。

圖5 與信息服務(wù)的集成

通過(guò)Web信息服務(wù)與BIM模型建立關(guān)聯(lián)，可以將各方人員統(tǒng)一起來(lái)，保證數(shù)據(jù)的完整性和可擴(kuò)展性，且能將BIM應(yīng)用延伸到更加廣泛的范疇，發(fā)揮BIM的更大價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

Web服務(wù)與BIM模型是BIM應(yīng)用的重要方向，大大擴(kuò)展了BIM的應(yīng)用范圍。因此，很多BIM平臺(tái)商都推出滿足Web端、移動(dòng)端運(yùn)行的系統(tǒng)，如Autodesk的Forge，廣聯(lián)達(dá)的BIMface，即通過(guò)解析和重建BIM模型，加快模型在網(wǎng)頁(yè)端和移動(dòng)端的運(yùn)行效率。但要實(shí)現(xiàn)BIM與Web深度數(shù)據(jù)融合與信息交流，依然需要BIM從業(yè)人員與各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)及大量的實(shí)踐與信息對(duì)接。