基于.NET6的鐵路BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)研究

彭 濤

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 電化電信工程設(shè)計研究院，天津 300308）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)為建設(shè)項目全生命周期信息化管理提供了先進的數(shù)字化工具和信息共享平臺[1]。在國家《“十四五”鐵路發(fā)展規(guī)劃》中，明確提出深化基于BIM技術(shù)的鐵路建設(shè)運維研究。BIM技術(shù)以其承載的高精度三維可視化模型和海量信息屬性，為鐵路項目全生命周期管理打下了堅實的數(shù)字化基礎(chǔ)[2]。然而，大體量BIM交互操作需要依賴專業(yè)的應(yīng)用軟件及高配置計算機硬件資源，導(dǎo)致BIM應(yīng)用技術(shù)的普及存在較高門檻。

近年來，隨著WebGL技術(shù)的迭代發(fā)展，基于B/S架構(gòu)的BIM交互應(yīng)用方案為BIM應(yīng)用提供解決思路。文獻[3—6]均提出了基于B/S架構(gòu)的BIM+地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）融合方案，實現(xiàn)對鐵路、軌道交通等項目中大范圍、大場景BIM的可視化操作。其基本原理是通過對BIM成果文件進行輕量化及切片處理，將BIM設(shè)計成果文件轉(zhuǎn)換成支持WebGL渲染的瓦片數(shù)據(jù)集；隨后利用前端Cesium、Three.js等渲染引擎，實現(xiàn)在瀏覽器端加載渲染BIM，并進行交互應(yīng)用[7-8]。但這些應(yīng)用方案仍存在以下不足之處：

（1）BIM切片處理技術(shù)難度較高，目前國內(nèi)大部分研究方案[9-10]是通過SuperMap商業(yè)軟件進行處理；

（2）BIM在客戶端的呈現(xiàn)原理是根據(jù)用戶可視范圍需求，實時從服務(wù)端獲取相應(yīng)切片數(shù)據(jù)集渲染，對網(wǎng)絡(luò)帶寬及穩(wěn)定性要求較高，而部分工程現(xiàn)場遠(yuǎn)離城市，較難滿足要求。因此，在某些僅在部分專業(yè)、場段而未全線開展BIM建模的情況下，BIM+GIS融合方案部署技術(shù)難度較大、成本較高，其超大場景渲染優(yōu)勢也無法體現(xiàn)。

鑒于此，本文研發(fā)并設(shè)計了基于.NET6的鐵路BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)，著重實現(xiàn)對鐵路單工點、單場段范圍內(nèi)BIM成果的可視化應(yīng)用。并實現(xiàn)了模型動態(tài)場景演示、物資管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合等功能，進一步豐富BIM數(shù)據(jù)交互應(yīng)用場景。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于.NET6的鐵路BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)主要使用對象是鐵路工程設(shè)計、建設(shè)、運營等過程中的各類專業(yè)人員。為滿足用戶便捷應(yīng)用需求，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，用戶可通過電腦、手機等設(shè)備瀏覽器實現(xiàn)BIM交互應(yīng)用。為方便非專業(yè)開發(fā)人員快捷部署及發(fā)布BIM，系統(tǒng)待用戶上傳模型數(shù)據(jù)后，服務(wù)器端可自動完成模型轉(zhuǎn)換、數(shù)模拆分發(fā)布等工作，同時發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口以便與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。鐵路BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)主要分為輸入層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 輸入層

利用各BIM設(shè)計平臺軟件生產(chǎn)BIM成果，并統(tǒng)一生成工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC，Industry Foundation Class）文件，上傳到數(shù)據(jù)處理層的服務(wù)器中。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

通過對IFC文件進行解析，對其進行數(shù)模分離。其中，幾何模型文件轉(zhuǎn)換為支持WebGL渲染的格式；非幾何數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗后得到有效數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫進行存儲。同步建立各類數(shù)據(jù)分發(fā)接口，供應(yīng)用層通過應(yīng)用程序接口（API，Application Program Interface）訪問各類應(yīng)用數(shù)據(jù)。

1.3 應(yīng)用層

用戶通過電腦、手機等設(shè)備瀏覽器與數(shù)據(jù)處理層數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)BIM在瀏覽器端的各類基本操作、屬性數(shù)據(jù)查詢等功能，同時支持與物資管理系統(tǒng)等外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)操作，實現(xiàn)BIM與實體設(shè)備的狀態(tài)查詢與異常告警。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 IFC文件解析轉(zhuǎn)換

現(xiàn)階段鐵路項目BIM設(shè)計成果主要以IFC格式輸出交付。由于IFC文件包含許多語義屬性，在交付后的實際應(yīng)用過程中，未簡化的模型會導(dǎo)致每次調(diào)用必須加載大量信息，渲染大規(guī)模的模型，使得加載時間延長甚至加載崩潰。而WebGL技術(shù)將Java Script和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，實現(xiàn)在HTML5 Canvas DOM中繪制三維圖。但是在基于WebGL技術(shù)的B/S架構(gòu)應(yīng)用方案中，IFC格式本身無法支持WebGL技術(shù)的讀取和加載，因此需要對IFC文件進行解析轉(zhuǎn)換。

為了實現(xiàn)IFC文件的靈活解析，本文利用xBIM Essentials和xBIM Geometry 開源組件，在服務(wù)端部署文件自動轉(zhuǎn)換服務(wù)，對用戶上傳的IFC文件進行解析，通過遮擋剔除、相似合并、參數(shù)化轉(zhuǎn)片面和三角面等幾何數(shù)據(jù)處理過程后， 創(chuàng)建支持WebGL渲染的WexBIM文件[11-12]；在前端通過部署Layui框架[13]及xBIM WebUI框架，實現(xiàn)網(wǎng)頁端對模型的加載渲染呈現(xiàn)，并提供基礎(chǔ)縮放、旋轉(zhuǎn)、漫游、隱藏、剖切等交互功能。

2.2 IFC文件數(shù)模分離及屬性數(shù)據(jù)存儲

IFC文件可附加屬性信息，若每次交互訪問直接讀取IFC文件獲取屬性數(shù)據(jù)，需要較長的解析時間，影響用戶體驗。本文通過將IFC文件里的屬性數(shù)據(jù)與幾何模型數(shù)據(jù)進行拆分，將拆分后的數(shù)據(jù)直接存入數(shù)據(jù)庫中，后續(xù)利用數(shù)據(jù)庫高I/O性能直接訪問模型附加屬性數(shù)據(jù)，顯著提高訪問速度。IFC文件數(shù)模拆分原理如圖2所示。

圖2 IFC文件數(shù)模拆分原理

用戶上傳IFC文件后，由系統(tǒng)服務(wù)端對其進行數(shù)模拆分轉(zhuǎn)換，將幾何數(shù)據(jù)與非幾何數(shù)據(jù)進行分離。其中，幾何數(shù)據(jù)作為文件直接存儲，文件格式支持Web端直接渲染展示；非幾何數(shù)據(jù)中的模型附件屬性數(shù)據(jù)通過篩選得到有效設(shè)計數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)換為JSON數(shù)據(jù)格式進行存儲，一個模型構(gòu)件對應(yīng)一條JSON屬性數(shù)據(jù)，有效減少數(shù)據(jù)存儲量，同步支持?jǐn)U展施工數(shù)據(jù)、廠家數(shù)據(jù)及運營數(shù)據(jù)。

為了在數(shù)模拆分過程中保持?jǐn)?shù)據(jù)與模型構(gòu)件的關(guān)聯(lián)，可以利用每一個IFC構(gòu)件的全球唯一標(biāo)識（GUID，Global Unique Identifier）特性，將幾何構(gòu)件ID與JSON屬性數(shù)據(jù)通過GUID綁定，實現(xiàn)數(shù)模分離后模型與附加屬性的關(guān)聯(lián)。用戶在瀏覽器端進行操作時，可通過幾何數(shù)據(jù)文件直接在網(wǎng)頁端渲染加載模型，并在點擊具體構(gòu)件模型時，根據(jù)獲取的GUID在數(shù)據(jù)庫查詢模型對應(yīng)的各類屬性信息。

2.3 三維模型瀏覽器端緩存技術(shù)

將IFC文件轉(zhuǎn)換為支持WebGL渲染的WebBIM格式文件過程中，雖然通過模型輕量化處理后，文件體量得到顯著縮減，但是如果每次瀏覽器加載顯示都需要從服務(wù)器端訪問獲取WebBIM文件，文件在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中仍會延遲，在施工現(xiàn)場等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡劣的條件下可能導(dǎo)致無法訪問使用。為了解決該問題，本文研究利用瀏覽器緩存技術(shù)，BIM文件首次下載渲染后，同步將模型緩存在用戶瀏覽器內(nèi)，后續(xù)訪問相同BIM，則直接從本地瀏覽器端加載緩存數(shù)據(jù)，提高訪問速度。

由于瀏覽器緩存常用的cookie、localStorage 2種方法存儲空間有限，均不符合本次研究緩存要求。本文通過研究IndexedDB瀏覽器數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，實現(xiàn)大容量緩存[14]。利用IndexedDB建立緩存模型數(shù)據(jù)表，每個BIM作為一條緩存數(shù)據(jù)，其中的Key和服務(wù)器端IFC文件的GUID編號保持一致，value設(shè)為三維模型文件的二進制Blob數(shù)據(jù)。此外，還需要對xBIM WebUI前端組件進行二次開發(fā)，修改其模型加載技術(shù)方案。

3 系統(tǒng)功能

3.1 多模型疊加及卸載

模型文件通過“項目–工點–模型文件”的3層級模式管理，使得一個項目可以承載多個工點，一個工點也可以承載多個模型文件。用戶在查看某一工點模型時，可先預(yù)覽該工點主模型，再在模型瀏覽界面對多個模型進行任意疊加、卸載。

3.2 客戶端交互操作

客戶端通過瀏覽器加載模型后，用戶可在三維模型呈現(xiàn)頁面實現(xiàn)模型交互操作，包括模型縮放、旋轉(zhuǎn)、透視、剖切、漫游、標(biāo)簽、測量等功能。通過對剖切數(shù)據(jù)進行云端存儲，可實現(xiàn)針對單體建筑的樓層剖切預(yù)設(shè)，用戶在后續(xù)使用過程中可通過剖切預(yù)設(shè)快速切換樓層視角。

3.3 屬性查詢

服務(wù)器端對IFC文件進行數(shù)模分離后，IFC文件附加屬性數(shù)據(jù)以JSON格式存儲至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。在模型交互過程中，雙擊模型構(gòu)件，系統(tǒng)可根據(jù)模型ID在服務(wù)器端快速獲取JSON格式屬性數(shù)據(jù)并在前端呈現(xiàn)。實現(xiàn)BIM在WebGL渲染交互模式下屬性數(shù)據(jù)的實時查詢。

3.4 動態(tài)場景演示

在BIM交互應(yīng)用過程中，尤其是利用BIM進行設(shè)計交底、運行維護培訓(xùn)時，需要通過剖切、顏色調(diào)整、部分類型設(shè)備設(shè)施隱藏等方式，切換符合成需求的某個模型視角場景，并對這一場景預(yù)設(shè)保存。系統(tǒng)的動態(tài)場景演示功能模塊可供用戶提前創(chuàng)建BIM不同視角的快照記錄，并附以文字圖片說明進行預(yù)設(shè)保存，演示效果如圖3所示。

圖3 動態(tài)場景演示效果

通過動態(tài)場景演示功能，用戶點擊不同場景記錄縮略圖時，隨即自動渲染至創(chuàng)建該場景時的視角狀態(tài)，并自動打開備注說明頁面。該功能充分利用了BIM可視化、精細(xì)化的特點，提升了用戶體驗感。

3.5 物資管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

結(jié)合主要設(shè)備BIM清單功能，通過公開的API接口規(guī)范，可將BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)與四電物資管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合交互。由BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)將BIM設(shè)備清單直接推送至物資管理系統(tǒng)。物資管理系統(tǒng)根據(jù)主要設(shè)備清單進入采購流程，利用射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）、二維碼等方式綁定實際設(shè)備，并用現(xiàn)場手持終端在采購、出入庫、安裝等各個環(huán)節(jié)錄入物資狀態(tài)。BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)模型ID獲取實際設(shè)備物資狀態(tài)信息，同時，根據(jù)不同狀態(tài)對設(shè)備標(biāo)記不同顏色，直觀展示整體工程進度，如圖4所示。

圖4 物資管理與BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合交互

4 結(jié)束語

通過對IFC文件解析轉(zhuǎn)換、數(shù)模分離發(fā)布、三維模型離線緩存等關(guān)鍵技術(shù)的研究，本文設(shè)計了一套基于.NET6的鐵路BIM可視化綜合應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)集模型解析、部署、應(yīng)用于一體，針對鐵路單工點或單場段BIM進行部署應(yīng)用時，有明顯的優(yōu)勢，是對現(xiàn)有BIM+GIS大體量模型部署方案的有效補充。其動態(tài)場景演示功能，在設(shè)計施工交底、教學(xué)培訓(xùn)中可任意切換預(yù)設(shè)場景展示，充分發(fā)揮BIM三維模型高精度可視化的優(yōu)勢。此外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合功能可為BIM+RFID全生命周期鐵路物資管控提供更大的發(fā)展空間。