基于WebGL三維引擎的軌道交通工程BIM+GIS平臺研究

楊 吉吉 付功云 袁文祥 王震宇 王恰時

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

引言

軌道交通工程涉及車站、隧道、橋梁等子工程[1]，建設過程中存在不良地質條件、風險源眾多等復雜工況，傳統信息化管理存在信息孤島、不直觀等問題，往往形成信息化管理與現場管理“兩張皮”現象[2]。

根據當前BIM和GIS技術水平、軟硬件水平及5G等新技術應用，以立足當前展望未來為原則，科學、有前瞻性預測，軌道交通工程從二維信息化管理向三維可視化管理升級是技術發展和復雜工況工程管理需求的必然趨勢。

軌道交通工程中利用BIM+GIS技術進行平臺技術架構已經成為當前主流的技術趨勢。從BIM與GIS的基礎特性分析，BIM側重于內向微觀領域，GIS側重于外向宏觀領域。BIM與GIS結合應用，不僅發揮了各自優勢特點又對微觀與宏觀結合應用進行探索，使軌道交通工程規劃、設計、施工、運營維護管理全生命周期的三維可視化管理更加合理、高效[3]。

目前BIM與GIS融合，主要研究軟件交互層次領域及數據信息模式領域[4]。軟件交互層次為BIM與GIS軟件兼容文件方式及集成軟件接口應用獲取數據信息。如ArcGIS應用數據拓展模塊可以對BIM/IFC格式數據進行支撐，Autodesk InfraWorks支持CityGML、IFC等不同類型的文件格式結合數據庫已有數據信息整合并構建基本信息模型。此種BIM與GIS融合方法需業主單位及實施單位采購昂貴的專業軟件，同時需軟件廠商提供系統集成技術支持且業主單位自身具備二次開發能力，局限性高、推廣性低； 數據信息模式通過幾何及數據文字信息差異性構建的信息模型，此種BIM與GIS融合方法需實施單位具備底層數據模型分析與工具軟件研發能力，同時需大量人力來進行實施工作，產品化及自動化程度均不高，已有成果無法直接應用于其他項目。

軟硬件集成技術成熟，如API接口、Web Service消息推送、共享數據庫、硬件SDK二次開發包等，可以將互不關聯的平臺、不同語言、不同硬件進行數據交換與集成，為BIM+GIS平臺信息共建、共享、集成提供解決方案。

目前市場主流商業系統BIM平臺，一種采用ActiveX控件模式，存在只能應用于IE瀏覽器、需配置復雜環境、易崩潰、易閃屏、移動端需使用新框架重新開發等問題，技術路線不適應未來發展方向； 一種采用WebGL引擎無GIS系統模式，該模式只能應用于點工程如房建單體工程，而軌道交通工程是車站、隧道、橋梁等單體工程、線路線性工程、多條線路組成的線網工程，不僅需要宏觀的整體管控，還需要單體微觀精細化管控，需采用BIM+GIS技術架構實現軌道交通工程宏觀與微觀的融合可視化管理。

本文將基于WebGL三維引擎，探索BIM+GIS平臺技術架構，利用WebGL作為容器構建出建筑、結構、風水電、設備、地質、環境等模型數據信息與地理信息相結合的軌道交通工程BIM+GIS三維交互平臺，對BIM+GIS數據信息集成及可視化分析，輔助軌道交通工程全生命周期管理及決策[5]。

1 基于WebGL容器 BIM+GIS 數據集成原理

新一代基于Web的3D圖形引擎WebGL自2006年誕生到2017年逐步完善，WebGL(Web Graphics Library)是一種3D繪圖協議，OpenGL ES 2.0與JavaScript綁定，可通過HTML5 Canvas調用顯卡硬件實現3D加速渲染，直接在瀏覽器中實現3D場景、3D模型、3D結構定位導航的流暢訪問與操作。基于WebGL容器可實現BIM+GIS平臺三維可視化應用及數據融合。

WebGL充當固定容器承載GIS數據，在此基礎上利用BIMServer Web Service 接口加載調取BIM信息模型，從而將BIM與GIS信息模型在WebGL三維引擎中實時渲染展示并輸出管理應用。

BIM由IFC及相應數據端口構成[6]，BIM模型依據IFC標準建模及輸入數據信息，依照等級層次進行不同級別構建，相應數據信息表納入對應數據庫，Web Service接口基于Web Upload方式將BIM模型及數據信息傳輸到BIM平臺，集成軌道交通工程區域的高程及影像數據，BIM信息模型與GIS數據整合共同構成BIM+GIS平臺。

高程及影像數據由天地圖、百度地圖、高德地圖、Google Map等服務器接口獲取，采用WebGL容器將幾何模型、模型承載信息、高程及影像數據融合，將多細節層次的相關數據及模型所在的WGS84坐標數據信息、軌道交通工程參數，通過模型與數據分層LOD加載方式實現流暢瀏覽與管理操作，提高BIM+GIS融合順通性。

2 基于WebGL容器BIM+GIS平臺實現方法

2.1 幾何可視化

基于WebGL Primitive實體對象，對具有頂點屬性和定義圖元的幾何圖形，通過geometry類將描述陰影的幾何圖形和外觀分配給圖元實現可視化，通過appearance類使用材質定義著色，兩者結合增強可視化效果。

軌道交通工程地鐵車站按照IFC標準建模，使用模型輕量化工具轉換并上傳到基于WebGL容器的BIM+GIS平臺，在BIM+GIS平臺中地鐵車站構件通過geometry類、appearance類實現幾何模型的可視化，如圖1所示。

圖1 基于IFC標準的地鐵車站幾何可視化模型

2.2 模型渲染

BIM+GIS平臺模型與信息展示需要外形美觀又能準確表達，基于WebGL三維引擎能夠在瀏覽器中制作Web三維交互場景、驅動Html 腳本JavaScript程序，充分利用顯卡等底層圖形加速硬件來進行三維模型渲染。

渲染流程為構建WebGL環境、更新場景Scene與相機Camera的世界坐標變換矩陣、渲染對象投影變換、渲染背景、渲染場景、輸出渲染結果，如圖2所示[7]。

圖2 WebGL三維引擎渲染流程

WebGL三維引擎通過解析數據和著色器陣列來進行繪制、渲染三維場景。BIM+GIS平臺渲染效果如圖3所示。

圖3 盾構區間風險源WebGL引擎三維場景渲染

2.3 信息檢索

BIM+GIS平臺主要包含軌道交通工程BIM模型信息數據及GIS地理信息數據。BIM具有微觀特性，軌道交通工程中主要有車站、隧道、橋梁、軌道、設備等，通過IFC標準700多個實體對象進行解析，按照層級構成構件樹索引表，如層級一工程定義如IFCProject、IFCSite，層級二構建筑物輪廓如IFCWall，層級三內部構建筑物如IFCWindow等，IFC標準的模型導入BIM+GIS平臺，形成如圖4所示，可以在該構件樹中按照層級查找并定位信息模型； GIS具有宏觀特性，主要有高程數據、影像圖片，通過WGS84坐標體系支撐索引與信息查詢[8]。

圖4 BIM+GIS平臺BIM構件樹索引

BIM微觀與GIS宏觀特性差別，表達方式不同，如圖5所示，因此信息檢索也存在構件樹導航、坐標體系索引、信息查詢等不同方式[9]。

圖5 BIM與GIS特性不同表達方式

3 系統設計與研發

3.1 BIM+GIS平臺技術架構

基于WebGL三維引擎B/S框架進行BIM+GIS平臺技術架構設計，采用三層技術架構，包含數據層、服務層與應用層[10，11]，如圖6所示。

圖6 BIM+GIS平臺技術架構

表1 主要工具及框架選型表

(1)數據層

數據層為BIM+GIS平臺底層支持，對數據進行人工錄入、移動APP錄入、系統集成接入、數據清洗、數據分析應用等，非線性文件數據庫采用MongoDB、線性數據庫采用MySQL，通過JDBC提供Java API，供Java開發使用，對文件采用HDFS分布式存儲。

(2)服務層

服務層提供BIM+GIS平臺前端應用所需底層框架技術接口，采用符合技術發展方向的三維引擎 WebGL，使用JavaScript編寫，支持瀏覽器利用底層圖形加速硬件進行圖形渲染，可創建三維場景，包括了攝影機、光影、材質等，基于WebGL三維引擎實現B/S模式訪問、移動端訪問，可廣泛應用于鐵路、地鐵等軌道交通工程建設施工階段。同時服務層集成瓦片數據服務、工作流、前端框架等，結合線下的坐標轉換、BIM模型轉換導入、數據導入等工具，實現BIM+GIS平臺底層驅動及數據轉換融合。

(3)應用層

應用層直接面向用戶實現工程管理與信息展示，采用Html5、JavaScript、WebGL等技術實現移動端(Android、IOS)及PC(Windows、Linux、MacOS)Web端訪問與維護。

3.2 研發工具及框架選型

研發工具包含工具軟件、平臺框架等兩大類，總體選型原則為免費、開源為主，自主研發、商業軟件為輔。BIM+GIS平臺底層采用Java編程、前端采用Vue.js框架、中間工具采用C#編程、移動端采用H5與源生框架，依據BIM+GIS平臺三層技術架構展開說明，具體如表1所示。

4 技術局限性的解決方案概述

以WebGL作為軌道交通工程BIM+GIS平臺三維引擎底層支撐，存在一定的技術局限性。

(1)瀏覽器內存限制

本平臺以Google Chrome為主要瀏覽器，Google Chrome限制了所能使用的內存極限，其中64位為1.4GB、32位為1.0GB。一條20公里的軌道交通工程場景原始BIM模型大小可達到10G以上，瀏覽器內存限制導致大場景加載存在局限[12]。

目前采用模型輕量化、LOD分層加載減少內存資源占用，在瀏覽器內存機制內進行優化。而問題的根本在于解決Google Chrome JavaScript V8引擎的機制問題，基于BIM+GIS平臺底層研發內存釋放回收機制，或者依賴于 JavaScript V8引擎的升級。

(2)網速及流量限制

BIM+GIS平臺，PC端10M帶寬、移動端4G即可流暢訪問，但是移動端每次訪問流量耗費300Mb以上，對于目前移動端流量超限后降速到3G或2G來說，存在移動端應用局限。

BIM+GIS平臺BIM模型是信息承載與應用的基礎，可提高輕量化比例、使用LOD分層加載模式減少加載、采用Vue.js前端框架不重復加載等方式減少移動端流量使用，而根本解決方案為移動5G技術的普及應用。

圖7 基于BIM+GIS平臺盾構管理模塊

(3)輕量化限制

BIM模型輕量化主要技術為參數化幾何描述轉換與相似性圖元合并[13]，由于軌道交通工程涉及車站、隧道、橋梁、設備等多種類型模型。其中隧道模型相似性圖元多，如隧道管片可以用一般管片與楔形管片兩種圖元代替，多個空間位置重復引用，輕量化比例能達到1： 120以上。而施工設備如盾構機，曲面多、結構復雜、相似圖元少、減面比例低，輕量化比例一般只能達到1： 20左右。

可通過研究WBS、EBS、CBS等多碼合一體系加強相似圖元提取與引用提高輕量化比例，解決輕量化瓶頸的根本方法同樣為5G技術的普及應用。

5 軌道交通工程應用

基于BIM+GIS平臺，集成軌道交通工程BIM設計模型成果、安全監控設備數據、施工設備數據、人工施工報表、施工日志、監理日志、運維設備數據及移動APP錄入數據等[14]，以全生命周期管理理念實現軌道交通工程BIM+GIS平臺應用。設計階段BIM成果協同與導入BIM+GIS平臺，實現方案展示、線路比選、技術交底等應用； 施工階段集成多方數據，實現安全、進度、質量、成本管理等應用； 運營維護集成多方設備與維護流程，實現資產數據庫、資產維護、知識庫建設等應用。

圖8 基于BIM+GIS平臺監控量測模塊

以某軌道交通工程海底盾構隧道工程為例，該工程建設規模大，海底隧道長13km，是目前國內最長的鐵路水下隧道； 環境條件復雜，沿線港口、碼頭密集，航道等級高； 河床水深變化大、地質條件復雜多變； 技術難度大，無論采用什么工法修建，技術上都存在很大的難度。為解決工程中的風險，引入BIM+GIS平臺進行施工過程可視化管理，實現基于BIM信息化集成支撐的動態盾構安全風險管理為目標的海底隧道環境的可視化展現、施工現場的安全風險管控、指導施工等。

基于BIM+GIS平臺系統集成盾構機數據、攝像頭監控數據、智能監測數據(沉降、變形、位移、應力、壓力、地下水位等)[15]，提供人工監測報表數據導入接口，巡檢接口。通過二三維關聯定位，三維方式展示，進行分析預警，發起處置流程。

海底盾構隧道施工BIM+GIS平臺安全管控模塊應用如圖7基于BIM+GIS平臺盾構管理模塊、圖8 基于BIM+GIS平臺監控量測模塊。目前海底盾構隧道施工BIM+GIS平臺應用已通過專家評審驗收，驗收意見為“滿足應用需求、技術先進、成果完善、具有普遍推廣價值”。平臺應用過程中，三維可視化交底，提高效率，節約工期72天； 準確定位巖溶，節省巖溶處置材料5%，約為1 150萬元。平臺應用大大降低掘進誤差、巖溶特大風險源引起的軌道交通工程盾構機陷落等導致10億多項目成為廢棄工程的風險。

我方研發的BIM+GIS平臺，相較于其他商業系統，擁有技術領先的優勢，主要體現在先進WebGL三維引擎實踐應用、輕量化比例高、支持主流BIM建模軟件IFC標準導入、二三維通用關聯工具解決二維向三維管理升級的關鍵瓶頸。BIM+GIS平臺在研發與實踐應用過程中，已取得7項軟件著作權、已申報11項發明專利。

6 結語

BIM+GIS交融平臺實現地理數據信息為骨架整合BIM信息模型，基于宏觀領域與微觀領域共同分析處理，更全面、直觀地實現軌道交通工程三維可視化分析與管理。軌道交通線網工程特質與WebGL三維引擎先進性，未來基于WebGL三維引擎BIM+GIS平臺應用將成為軌道交通工程BIM應用的主流方向。

本文所提出理論均已在工程中實踐通過，存在多個技術完善方向，如輕量化、大場景加載、空間坐標體系轉換、多碼合一等，未來我們將繼續針對存在的問題進一步完善。