王健，陳濤

（廣西機械工業(yè)研究院有限責任公司，廣西 南寧 530007）

0 引言

近年來，我國BIM 技術在交通基礎設施建設領域發(fā)展迅速，特別是在公路橋梁設計施工階段、運營養(yǎng)護階段以及后期運營維護階段。因此，將輕量化BIM技術應用到高速公路建設運維管理平臺中，對提高系統(tǒng)可靠性和管理效率具有重要意義。通過多個參數對比分析驗證該模型輕量化方法能夠有效提升平臺用戶體驗。

1 基于WebGL 的BIM 輕量化平臺技術必要性

BIM 技術的應用為工程建設項目的全生命周期提供了一個三維可視化管理平臺，大大提高了工程建設的效率和質量。該框架以WebGL 為渲染引擎實現了輕量級BIM 中的三維模型渲染、WebGL 本地三維模型顯示、施工模擬、工作流管理和協(xié)同辦公等功能，從而提供了一個輕量化的高速公路建設運維管理平臺。BIM技術是一種應用于工程項目全生命周期的技術，而輕量化BIM 就是利用輕量化三維場景引擎來實現BIM在工程應用中的可視化、高效化，它是一種新的BIM 形式，其主要特點體現在以下幾個方面：它可以實現較低成本地構建出高質量、高效率的三維場景，并實現與其他平臺的數據共享和協(xié)同工作?；赪ebGL 技術進行三維場景構建，可輕松地將模型與其他軟件進行數據交互。從而減輕了前端開發(fā)人員工作量，使系統(tǒng)具有更好的擴展性和靈活性。輕量級BIM 中可裝配的構件數量相對較多，并且可以靈活地將一些復雜構件拆分成多個單獨的組件。通過這些組件之間的關聯(lián)和組合，可大大提高模型搭建效率?；谳p量級BIM 系統(tǒng)平臺可進行高質量三維場景構建及應用開發(fā)，可以廣泛應用于隧道、橋梁、道路等領域的建設管理與運維工作中。該系統(tǒng)基于輕量級三維場景引擎架構已在“智慧高速”平臺進行了初步應用驗證，具有一定推廣價值。

2 基于WebGL 的輕量化BIM 技術在高速公路建設運維管理平臺中的應用

2.1 系統(tǒng)框架

基于WebGL 的輕量化BIM 技術能夠為用戶提供了一個交互友好、功能豐富的可視化平臺，其主要用于解決目前國內BIM 軟件造價高昂、實施難度大、與施工過程脫節(jié)等問題。輕量化BIM 主要包含四大部分：基礎設施層、數據層和用戶層。基礎設施層主要包括地形地物和建筑的三維模型層將工程建設中的基本元素（幾何實體、材質、紋理等）以三維數字化形式展示出來；數據層將數據轉換成可直接瀏覽和查詢的矢量格式，方便用戶瀏覽和操作；用戶層將矢量數據加載到瀏覽器端進行圖形顯示。輕量級BIM 通過多維數據集成，將復雜信息以直觀方式呈現出來，并在平臺中提供了多層次的操作界面。

輕量級BIM 通過WebGL 瀏覽器的渲染、腳本、插件等手段來實現BIM 模型的輕量化。該技術可通過不同的瀏覽器，或者自定義不同瀏覽器下的輕量化實現方式。在輕量級BIM 系統(tǒng)框架中，主要包括了Web 端和客戶端兩個部分。Web 端包括了四個子系統(tǒng)：模型構建系統(tǒng)、三維場景展示系統(tǒng)、三維模型與施工圖紙融合顯示系統(tǒng)以及施工過程管理與監(jiān)控系統(tǒng)。客戶端包括了數據庫管理和輕量化API 兩個部分。本文基于WebGL技術實現輕量級BIM 框架，通過不斷的調整優(yōu)化，使之成為一種輕量化BIM 技術手段，最后應用于工程建設領域當中去。輕量化BIM 系統(tǒng)框架，其核心技術是基于WebGL 實現的三維模型渲染功能。該技術包括3個部分：首先是三維模型渲染，通過WebGL 技術在瀏覽器端渲染并顯示三維模型。其次是基于WebGL 的幾何紋理處理，可將幾何對象映射到虛擬場景中，并通過OpenCV（open source computer vision）將真實場景渲染到三維模型上。最后是基于Cesium（common web engine）技術的實時交互功能，通過這種方式可以使三維模型更加真實地貼合現實環(huán)境，同時也支持用戶與三維模型的實時交互。

基于輕量化BIM 技術，在實際項目中通過該輕量級框架開發(fā)了高速公路建設運維管理系統(tǒng)（簡稱“建設運維系統(tǒng)”），其中包含了管理子系統(tǒng)、養(yǎng)護管理子系統(tǒng)等，該系統(tǒng)運行后有效地提高了項目管理效率，減少了人力成本的投入。具體應用展示如下：通過輕量化BIM技術在項目建設中的應用，有效的提升了項目前期決策效率、后期運營維護效率、施工過程安全防護效率等。利用輕量化BIM 技術構建了高速公路建設運維一體化數據平臺，實現數據的統(tǒng)一存儲和管理、資源的共享共用以及數據更新維護等功能。通過輕量化BIM 技術構建的建設運維一體化數據平臺，使運維單位能夠方便快捷地完成工作流程并獲得直觀有效的效果統(tǒng)計分析，為項目后期運營維護提供指導作用[1]。

2.2 路基模型簡化

BIM 技術的應用，為高速公路建設運維管理帶來了便利。在項目建設過程中，通過BIM 技術，可對工程項目進行可視化的模擬，包括構件制作、模型裝配、模擬施工等。在模型裝配過程中，由于有模型和數據交互環(huán)節(jié)較多，流程相對復雜且效率較低。而BIM 模型在通過WebGL 進行交互時，其優(yōu)勢較為明顯。在基于WebGL 的BIM 輕量化技術下，在路基模型構建方面，高速公路建設運維平臺可以通過輕量化BIM 技術，利用Three.js 三維圖形引擎，對項目中的路基模型進行簡化設計及輕量化封裝。最后使用WebGL 對簡化后的路基模型進行可視化交互。將公路實體抽象為一系列的數據塊，并采用輕量化BIM 技術構建了基于VRML 的輕量化BIM 模型；基于輕量化BIM 模型及輕量化BIM技術構建了一個輕量化、高性能且操作簡單的可視化交互平臺；以高速公路建設運維管理平臺為例展示了輕量化BIM 技術在項目中應用的優(yōu)勢[2]。

在實際操作中，其主要根據高速公路的縱斷面以及橫斷面來對路基的基本結構以及形狀進行構建，并通過高速公路中的邊坡以及路面上的特征點進行標注。之后采用四邊形模型建設，將不同特征點連接起來。在該過程中，形成的模型面隨著特征點密度減小，其模型也會更加簡化，且模型面的數量也會更少。在模型建立過程中，采用了QEM 算法，QEM 算法比較經典，在使用中可以簡化復雜高速公路情況。其在使用中會將模型簡化，刪除部分端點以及連線，簡化折疊邊數量，形成全新的格網模型。在簡化比例的選擇方面，需要就不同簡化程度的模型進行對比以及測量。比如對高速公路路基進行模型簡化時，公路的和斷面間距為7m，經過簡化之后，模型中間距數值會降低，且模型展現的模型面以及數據量也會更少。5m 的模型比7m 的模型數據更少，而3m 的模型也會比5m 模型的數據量更少。想要對高速公路中路基的設計與施工進行規(guī)劃，簡化需要被控制在一定的范圍內，過于簡化會導致模型精細度不足，從而產生模擬誤差。因此，在BIM 技術的控制下，對不同間距表現下的模型精細度以及輕量化程度進行綜合考慮，發(fā)現3m、5m、7m 的簡化后比例進行計算，發(fā)現比例大于90%，也就是3m 模型建立之后，整體模型數據變動較大，而最佳比例約為70%，即5m 簡化模型，因此在高速公路建設運維管理中可以采用該種模型作為主要參考標準。

2.3 BIM+GIS 綜合管理

隨著公路建設的快速發(fā)展，高速公路運營管理的信息化、數字化和智能化水平日益提高。為滿足高速公路運維管理過程中各類數據的可視化分析、高效統(tǒng)計等需求，BIM 技術被引入高速公路建設運維管理當中。但是，在實際應用過程中，BIM 數據與GIS 空間數據融合程度不夠、BIM 模型不能在三維場景中呈現等問題嚴重制約了BIM 在高速公路建設運維管理中的應用?；赪ebGL 技術和GIS 技術相結合的輕量化BIM+GIS 綜合應用技術，其利用WebGL 實現了模型輕量化、可視化和交互性，可滿足基于BIM+GIS 的高速公路建設運維管理需求。然而目前傳統(tǒng)BIM 技術在復雜工程場景下存在數據量大、數據精度低等問題，在很大程度上制約了高速公路管理水平的提升。WebGL（web components language）是一種基于瀏覽器的圖形渲染技術，能在瀏覽器端直接運行在三維虛擬場景中，無須下載到本地。它同時利用了瀏覽器與3D 圖形庫之間的天然聯(lián)系，使3D 模型可以被瀏覽器直接瀏覽，而且其使用和普通渲染技術并沒有多大差異[3]。WebGL 利用瀏覽器強大的網絡能力和3D 圖形庫進行數據交互，與傳統(tǒng)基于WebP 和XML 引擎的開發(fā)方式相比更容易實現渲染效果。而且通過對三維模型進行WebGL 操作能夠提高程序運行效率、提高用戶體驗、降低運行成本。本文將通過WebGL 技術對高速公路建設運維管理平臺中道路模型數據進行封裝、優(yōu)化處理和封裝接口，然后實現與GIS 功能對接的可視化應用模塊，以達到為用戶提供便捷、直觀交互效果的目的。

首先，采用Java 語言進行建模，其特點是用Java語言實現的圖形工具可以將三維模型轉換成二維圖形。其次，采用XML 語言對模型進行數據封裝，將模型轉換為XML 文檔。最后，使用Java 語言實現對XML 文檔的解析。利用WebGL 的特點，可以實現在瀏覽器中直接觀看三維模型。為了彌補傳統(tǒng)BIM 軟件在三維展示方面的不足，還采用了基于.NET 的WebGL 框架構建GIS 系統(tǒng)，通過該框架能夠實現基于Web 瀏覽器和GIS客戶端的互動。再將基于WebGL 技術開發(fā)的程序接入高速公路建設運維管理平臺中，通過簡單的界面設計完成可視化應用模塊展示。通過該技術構建的高速系統(tǒng)不僅能夠提高對高速公路管理部門信息化管理水平和應急決策能力，還為我國交通基礎設施建設帶來了更多可能性。

2.4 Web 端快速加載

該架構使用Web 服務器進行數據的讀取和處理；通過WebGL 技術結合.NET 平臺開發(fā)Web 端輕量化BIM 應用，使得項目管理人員可以通過Web 頁面快速獲取所需要信息；同時使用輕量級算法減少后臺計算所需存儲空間；并將前端展現和后臺計算合二為一，使得項目管理人員能夠高效、直觀地進行管理工作。在現今對輕量化的BIM 技術的研究以及其在高速公路建設運維工程的應用中，其由于是基于WebGL 技術實現的，所以在文件傳輸方面還有待提高[4]。即使是輕量級應用系統(tǒng)，在加載時仍需要一定時間，還沒有達到實時響應。前端展現部分仍需改進，如增加圖片、視頻等信息類型。因此需要就基于WebGL 的輕量化BIM 技術中Web 前端的加載與輸送情況進行探究。

輕量級BIM 技術框架包括前端展示層、后臺計算層和后臺存儲層。其中前端展現層主要提供基于Web端的用戶使用界面；后臺計算層負責數據的存儲，根據不同角色的權限獲取相應信息并進行處理；而后臺存儲層則是為前端展現提供數據支撐，以及對數據進行統(tǒng)一管理。考慮到輕量化BIM 技術在項目應用過程中可能會涉及多個不同用戶角色，所以在后端計算層中加入了第三方數據服務接口以便于擴展BIM 模型數據。其核心思想是基于WebGL 技術結合.NET 平臺開發(fā)Web 端輕量化BIM 應用，為項目管理人員提供高效、便捷的可視化設計工具，讓其在移動終端設備上也能實時獲取設計信息[5]。.NET 平臺實現了一個Web 端快速加載BIM 模型的應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用WebGL技術結合。.NET 平臺實現Web 端的快速加載，通過數據交換機制進行前端頁面和后臺計算數據的同步更新，為項目管理人員提供一個方便、直觀、高效、可靠的管理平臺。同時將前端展現與后臺計算合二為一，減少了后期開發(fā)過程中數據庫操作以及文件上傳下載的工作量。在此架構下，web 端可以通過輕量化的方法減少后臺計算所需存儲空間；通過后臺加載頁面提供前端所需信息；同時使用輕量級算法減少數據處理所需時間。

3 結語

本文通過WebGL 技術實現了基于BIM 技術的三維模型輕量化、自動化的數據封裝和可視化交互功能，對傳統(tǒng)的BIM 建模技術進行了優(yōu)化和改進，大大提升了BIM 建模效率。并通過該WebGL 技術為平臺提供了便捷、高效的可視化交互功能，有效提高了用戶體驗。