基于BIM 模型輕量化的協(xié)同應(yīng)用平臺研究與實踐

郭云峰 吳 巍 楊賀同 王樹昂

中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司 上海 201512

當前我國建筑施工行業(yè)已進入智能化、數(shù)字化時代。在全球數(shù)字化發(fā)展的趨勢下，建筑施工行業(yè)也將面臨施工技術(shù)創(chuàng)新、管理制度改革、工程數(shù)據(jù)優(yōu)化等問題。隨著建筑信息模型（BIM）技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的不斷深化，越來越多的項目開始應(yīng)用BIM 技術(shù)。BIM 技術(shù)主要以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，匯集了工程項目全生命周期的工程信息。這樣一來，工程項目的背后都伴隨著大量、復(fù)雜的圖紙、三維模型、進度計劃、聲像資料和施工方案等資料堆積。這些施工資料及BIM 模型的動態(tài)管理成為了施工安裝企業(yè)新的難點。其中，數(shù)量龐大的BIM 模型管理更是難點中的難點。同時，由于BIM 模型的使用嚴重依賴專業(yè)軟件，對使用人員的技能也有一定要求，基層施工與技術(shù)人員難以方便自如的使用。因此，BIM 協(xié)同平臺應(yīng)運而生，通過整合BIM 各單一應(yīng)用點，達到對工程項目的信息化管理。

1 BIM輕量化技術(shù)簡介

BIM 模型格式繁多，目前國內(nèi)主流BIM 建模軟件有Revit、Bentley、PDMS 和Tekla 等。不同建模產(chǎn)品發(fā)布的BIM 模型格式不同，使軟件使用成本上升，對計算機性能要求變高，動輒上百兆的模型、上萬份的圖紙文件，使BIM 技術(shù)在工程項目中的推廣遭遇瓶頸，嚴重影響B(tài)IM 發(fā)揮其作用與價值，導(dǎo)致BIM 使用效率不高。為了整合多專業(yè)、多格式的BIM 資源，以便更好地發(fā)揮BIM 的作用，研究基于BIM 模型輕量化的協(xié)同應(yīng)用平臺是必然趨勢[1]。

BIM 模型輕量化是指在不損失模型真實性的前提下，通過先進算法對模型重構(gòu)，并進行更輕便、更靈活地顯示。BIM 模型通過輕量化引擎處理后，在Web 和移動端顯示需要經(jīng)過圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和瀏覽器渲染處理兩個過程，這兩個過程也正是BIM 模型輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可被圖形引擎識別和處理的數(shù)據(jù)格式，并且在轉(zhuǎn)換中進行數(shù)據(jù)壓縮，簡化后的數(shù)據(jù)格式用于優(yōu)化存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸過程；模型輕量化顯示是指轉(zhuǎn)換后的模型被圖形引擎解析和顯示過程中通過提升渲染處理速度，達到流暢實時顯示。

BIM 模型屬性主要由幾何信息與非幾何信息組成。非幾何信息是指構(gòu)件屬性等相關(guān)數(shù)據(jù)，其輕量化方法比較簡單，只要將其剝離于幾何信息存儲和壓縮為DB 文件或者JSON 文件即可。

圖形數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是輕量化的源頭和核心。幾何信息的輕量化方法可以分為參數(shù)化幾何描述、減面優(yōu)化處理、實例化圖元描述和數(shù)據(jù)壓縮四種方法。

2 基于輕量化技術(shù)的BIM協(xié)同平臺在工程項目中的價值

對于任何建設(shè)工程項目而言，會有多個部門和單位在不同階段、不同程度地參與其中，包括政府部門、業(yè)主、咨詢單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工承包單位和供貨商等。BIM 協(xié)同平臺可以貫穿BIM 建設(shè)項目全生命周期，對所有信息進行集中、有效地管理，讓散布在不同區(qū)域，甚至不同國家的項目團隊，能夠在一個集中統(tǒng)一的環(huán)境下工作，隨時獲取所需的項目信息，進一步明確項目成員的責任，提升項目團隊的工作效率及管理水平。

基于輕量化技術(shù)的BIM 協(xié)同平臺研發(fā)，可以將各個參建方和各個專業(yè)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都納入到同一個模型中，運用可視化及共同語言讓每個項目參與方清楚自己應(yīng)該做什么、做到什么程度、什么時候完成、完成質(zhì)量標準是什么，大大提高工作效率和工程品質(zhì)[2]，從而實現(xiàn)BIM 的落地價值。

3 協(xié)同應(yīng)用平臺開發(fā)架構(gòu)與實現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計

本研究中，為滿足BIM 協(xié)同應(yīng)用場景的需求，即模型瀏覽、模型裝配、模型審核、模型自動審核、模型操作、平臺管理和族庫管理7 個獨立且關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，以及滿足平臺具備足夠的靈活性和擴展性、人機交互合理、系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定和安全性的技術(shù)要求，采用目前最先進的構(gòu)建平臺及系統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

協(xié)同應(yīng)用平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由前臺應(yīng)用、功能包和服務(wù)構(gòu)成。前臺應(yīng)用以七大應(yīng)用場景為核心；功能包主要包括模型存儲與調(diào)用、模型瀏覽（包括基本的瀏覽工具）、模型審核及標注、文檔/ 視頻存儲與調(diào)用、工作流設(shè)置、模型自定義操作（進度/ 物項）、數(shù)據(jù)安全日志記錄與管理、模型參考、消息提醒、系統(tǒng)內(nèi)通訊、權(quán)限設(shè)置、模型信息清單導(dǎo)出（如工程量，材料量等）、屬性編輯（針對輕量化）、模型進度對比查看、平臺數(shù)據(jù)導(dǎo)入和更新和數(shù)據(jù)庫編輯。所有的功能都依賴于9 個主要服務(wù)，即輕量化服務(wù)、工作流服務(wù)、文件服務(wù)、消息服務(wù)、模型屬性服務(wù)、物項數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)抽取服務(wù)、算法服務(wù)和創(chuàng)新API 接口服務(wù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 協(xié)同應(yīng)用平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 技術(shù)實現(xiàn)

建筑信息模型協(xié)同應(yīng)用平臺以服務(wù)為核心，功能基于服務(wù)層。平臺由以下微服務(wù)構(gòu)成：

3.2.1 輕量化服務(wù)

基于WEBG 技術(shù)的電力輕量化引擎，實現(xiàn)各類設(shè)計軟件輸出的模型。通過數(shù)模分離構(gòu)建專用的幾何數(shù)據(jù)及非幾何數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型在瀏覽器端的瀏覽、查看和修改等功能，具體如圖3 所示。

圖3 輕量化服務(wù)

3.2.2 工作流服務(wù)

平臺以工程流程驅(qū)動管理為主線，實現(xiàn)智能化分析管控，實現(xiàn)工程量、施工材料和文檔資料的協(xié)同管理。工作流服務(wù)為平臺提供流程定義、用戶任務(wù)，以及流程引擎對外提供的API 接口等功能，以實現(xiàn)平臺模型審核、模型跟蹤等功能，詳見圖4。其軟件過程如圖5所示。

圖4 流程引擎

圖5 工作流服務(wù)

3.2.3 文件服務(wù)

文件服務(wù)采用elFinder 作為文件引擎，實現(xiàn)各類型文件的在線管理，主要功能如圖6 所示。

圖6 文件服務(wù)

3.2.4 消息服務(wù)

平臺內(nèi)部通訊及流程提醒，均依賴消息服務(wù)。MQ消息隊列是一種進程間通信或同一進程的不同線程間的通信方式，軟件的貯列用來處理一系列的輸入，通常是來自用戶。消息隊列提供了異步的通信協(xié)議，消息的發(fā)送者和接收者不需要同時與消息隊列交互。消息會保存在隊列中，直到接收者取回它。具體過程如圖7 所示。

圖7 消息服務(wù)

3.2.5 數(shù)據(jù)抽取服務(wù)

建筑信息模型協(xié)同平臺貫穿整個施工周期，必須與工程實際數(shù)據(jù)相融合，必然需要打破各個獨立系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)隔離，構(gòu)建統(tǒng)一、開放的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)抽取服務(wù)主要實現(xiàn)從不同的系統(tǒng)中以物項ID 為核心關(guān)聯(lián)，提取相關(guān)數(shù)據(jù)形成真實有效且開放的數(shù)據(jù)集, 主要包括數(shù)據(jù)源配置和數(shù)據(jù)提取規(guī)則管理。通過數(shù)據(jù)源獲取其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問通道，通過數(shù)據(jù)提取規(guī)則，提取有效的數(shù)據(jù)并融合為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。具體如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)抽取服務(wù)

3.2.6 算法庫服務(wù)

協(xié)同平臺應(yīng)具有一定的智力支持能力，可提供多個算法庫，以支持應(yīng)用層的智能化應(yīng)用。主要包括模型自動審核算法、變更追蹤算法、模型空間物體檢索及位置評估算法等算法庫。具體如圖9 所示。

圖9 算法服務(wù)

3.2.7 API 接口服務(wù)

開放API 標準的產(chǎn)品和服務(wù)，提供的服務(wù)整合到協(xié)同應(yīng)用平臺中，會激發(fā)更多富有創(chuàng)意的應(yīng)用產(chǎn)生。為了對外提供統(tǒng)一的API 接口，對開發(fā)者開放資源調(diào)用API，平臺提供開放統(tǒng)一的API 接口環(huán)境，來幫助使用者訪問平臺的功能和資源。

4 工程應(yīng)用實踐

BIM 協(xié)同管理平臺輕量化技術(shù)，實現(xiàn)了BIM 模型在Web 端、移動端的“輕量化”應(yīng)用模式。規(guī)模較大的BIM 模型在完成輕量化操作之后，模型大小可壓縮到原文件的5%～20%，使工程管理人員無需安裝專業(yè)建模軟件即可使用BIM 模型開展各類應(yīng)用，有效地降低了BIM 技術(shù)深度應(yīng)用過程中對軟硬件的性能要求[3]。

（1）BIM 協(xié)同應(yīng)用平臺目前已面向中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司四個事業(yè)部，推廣應(yīng)用至4 個項目，上傳模型500 余個；

（2）通過對BIM 輕量化數(shù)據(jù)引擎技術(shù)的研究，對BIM 模型在功能和信息量上進行簡化，降低其對軟硬件的性能要求，且輕量化后的效果與原模型外形屬性相同。輕量化前后的模型效果如圖10 所示。

圖10 輕量化前（a）后（b）的模型

（3）一線工程技術(shù)人員在現(xiàn)場應(yīng)用便攜設(shè)備使用模型，解決了數(shù)據(jù)信息瀏覽困難的問題，提高了溝通效率。使得項目移動辦公更方便，項目管理效率更高，移動端模型瀏覽如圖11 所示。

圖11 移動端查看模型屬性

5 結(jié)論

平臺應(yīng)用BIM 輕量化技術(shù)，解決了基層施工技術(shù)人員用模難、數(shù)據(jù)量大的問題。在滿足了項目的BIM深度應(yīng)用需求的同時，既實現(xiàn)了數(shù)據(jù)查看共享，又較大提升了工作效率，為項目精細化管理做出了有益的探索。族庫系統(tǒng)與裝配模塊的應(yīng)用，讓BIM 模型的深化應(yīng)用得到了實現(xiàn)。后續(xù)將繼續(xù)加大平臺的推廣培訓(xùn)力度，擴大平臺的使用覆蓋率。通過后續(xù)的工程實踐，對平臺功能進行進一步完善，使其發(fā)揮更大的應(yīng)用價值，成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的強有力助手。