BIM全生命周期管理平臺三維引擎選型研究

張佩竹 青 舟 付功云

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

BIM的發展經歷了方案展示、BIM建模及應用兩個階段后，逐步向基于BIM平臺的信息化管理模式升級，“模型是基礎，管理是核心”的理念成為BIM應用的主流方向[1-2]。

工程建設過程中，在設計、施工、運維中各個階段，對于信息連接、可視化管理、信息化管理均有較強需求。為更好管理工程建設全過程，引入BIM平臺實現數字孿生、智慧工地、智慧建造、智慧運維等應用很有必要[3]。

全生命周期管理平臺是BIM應用的重要一環，三維引擎是BIM平臺的核心，結合某BIM全生命周期管理平臺的研發與項目實施案例，以選擇適合的三維引擎[4]。

1 三維引擎概述

隨著計算機可視化技術的發展，用戶對B/S訪問模式調用本地顯卡硬件資源實時渲染及承載復雜場景體量提出更高要求。傳統三維底層圖形技術采用OpenGL或DirectX程序編程接口(API)制作與應用三維模型[5-6]，存在場景設計與操作繁瑣、復雜場景程序編制不友好、建模工具編寫封裝困難、關鍵技術(如LOD分層加載、動態實時計算并裁剪)缺乏等問題，導致BIM平臺研發與應用過程中人力投入大、開發周期長、維護困難[7-8]。

在傳統三維底層圖形技術的基礎上，封裝硬件操作與三維圖形算法，形成普遍意義上的三維引擎，提供給開發者一個簡單易用、功能豐富的三維圖形環境，在三維引擎基礎上進行虛擬現實、三維交互、BIM可視化管理平臺二次開發等，極大提高開發效率、提升穩定性并減少底層技術研發費用投入。

BIM全生命周期管理平臺三維引擎需封裝ATI與NVIDIA顯卡芯片操作、OpenGL或DirectX編程接口，形成具有系統模塊、底層渲染模塊、控制臺模塊、數據存儲模塊、網絡模塊的三維引擎開發包，輸出API函數接口與插件，以供開發者進行三維應用擴展開發[9]。三維引擎技術架構見圖1。

圖1 三維引擎技術架構

2 三維引擎選型的重要性

Information和Modeling(Management)是BIM全生命周期管理平臺的靈魂[10]，可理解為三維模型作為信息載體，實現信息化管理平臺過程數據三維可視化展現，其中以三維模型作為載體是與其他二維信息化管理平臺的最大區別。

BIM平臺要實現多專業、多角色、一體化的三維可視化管理，關鍵在于其三維引擎能夠承載大體量、多專業三維模型，并且能夠流暢操作訪問。如果選擇的三維引擎無法承載或無法流暢操作，則BIM平臺無法應用于實際工程建設管理。以軌道交通工程為例，長度為20 km的軌道交通工程，其BIM平臺需承載三維模型體量約為33 GB，承載體量計算見表1。

表1 20 km軌道交通工程BIM平臺承載體量

不難看出，BIM平臺產品化研發，關鍵在于三維引擎自身擁有實現大量與工程信息化管理業務結合的接口，且具有較高的二次開發自由度。如果選擇的三維引擎功能接口暴露少，硬件支持不夠，那么即使BIM平臺功能齊全、二次開發團隊能力強、界面布局美觀， 也難以實現既定目標。

3 三維引擎選型

《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》指出，十三五時期，全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力[11]。BIM全生命周期管理平臺三維引擎選型需響應政策要求與順應技術發展的趨勢。三維引擎能夠滿足BIM與物聯網、移動APP、云計算、GIS等技術結合應用，并適應Windows、MacOS、Linux、IOS、Android操作系統及各種瀏覽器多端應用。

通過三維引擎適應性比較可以看出，基于OpenGL的三維底層圖形技術開發包應契合BIM平臺需求，初步滿足多種操作系統、移動端應用、基于三維模型的管理應用的需求。適應性比較見表2。

表2 主流底層圖形技術適應性比較

采用主流三維引擎平臺產品進行二次開發，如Dassault HOOPS、Skyline Globe、SuperMap GIS、ArcGIS Platform、BE BIM Cloud等，而隨著技術進步，基于先進的WebGL三維引擎研發逐步成為技術發展趨勢。

ActiveX控件應用模式為采用Web對象的鏈接與嵌入、OpenGL提供底層圖形庫，通過在Web瀏覽器中安裝控件的方式實現三維展示與管理。

WebGL(Web Graphics Library)3D繪圖協議隨著計算機技術的發展而進步，OpenGL三維圖形API子集OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)針對手機、PDA和游戲主機等嵌入式設備而設計，通過增加OpenGL ES 2.0 JavaScript綁定派生而出。WebGL可為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，程序開發人員可以通過WebGL調用系統顯卡在瀏覽器中展示與應用3D模型場景[12]。

ActiveX控件與WebGL三維引擎均可用于BIM平臺開發，其主要技術要素如下[13]。

(1)驅動性：基于三維引擎研發BIM平臺，驅動軟硬件實現應用。

(2)完整性：能夠完整實現BIM應用的功能函數。

(3)獨立性：三維引擎不依賴于應用而獨立存在。

(4)高隱藏性：復雜的底層算法隱藏在容易確定的代碼中，只暴露簡單的接口。

(5)可擴展性：三維引擎技術架構具有良好層次，對象與資源模塊化，易于二次開發。

(6)發展趨勢：符合互聯網+、移動APP、云計算與GIS結合等技術應用發展趨勢。

(7)環境配置：對操作系統、瀏覽器具有高適應性，無需配置復雜的三維場景環境。

(8)穩定性：運行穩定，不出現三維場景環境崩潰的情況。

(9)應用前景：開發完成后在其他項目是否可以長期延用。

(10)三維效果：渲染能力強、色彩豐富、場景逼真、粒子效果占用資源小等。

(11)模型承載：對大體量模型能夠輕量化轉換承載，展示效果好，并且能夠流暢操作。

綜合以上技術要求進行比選，從ActiveX控件模式與WebGL中選擇適合BIM全生命周期管理平臺開發的三維引擎[14]，比選結果見表3。

由表3可知，在驅動性、可擴展性、發展趨勢、環境配置、穩定性、應用前景上，WebGL均優于ActiveX控件；在完整性、獨立性、高隱藏性、模型承載方面則相差無幾；在三維效果上，雖然WebGL略低于ActiveX控件，但是WebGL處于起步階段的高速發展期，預計短期就可以超越ActiveX。

表3 ActiveX與WebGL比選

WebGL三維引擎無需安裝控件，可直接在Windows、IOS、Android等操作系統中使用，支持IE 11.0、Google Chrome 36.0、Firefox 36.0、Opera 22.0、IOS Safari 8.0及以上版本。

WebGL三維引擎具有廣泛的適應性，無需重復開發，便于管理，具有統一、標準、跨平臺接口。綜上，WebGL是目前BIM全生命周期管理平臺三維引擎最佳選擇。

4 基于WebGL三維引擎的BIM平臺技術架構

基于WebGL三維引擎的BIM全生命周期管理平臺，采用4層架構，包含數據層、服務層、展示層及訪問層[15]，見圖2。

圖2 基于WebGL三維引擎BIM平臺架構

數據層基于IFC國際標準，將模型存儲、數據庫信息錄入BIM平臺，文件存儲采用MongoDB、關系型數據采用MySQL或Oracle、高速緩存及大數據吞吐采用Redis。

服務層包含基礎服務、擴展服務、配置管理及運行環境配置。

展示層基于WebGL三維引擎實現基礎功能，場景管理、漫游交互、影像工具、地形工具、視點工具、測量、剖切等。在基礎功能上結合業務需求，實現設計階段的成果協同與可視化交互，施工階段的安全、進度、質量、成本管理等應用，運維階段的資產數據庫、維護管理、物資管理、應急管理、調度管理、知識庫建設等應用。

訪問層支持在Windows、Linux、MacOS、IOS、Android等操作系統中使用IE、Chrome、Firefox、Safari、360、QQ。

5 應用案例

深茂鐵路是國家鐵路網建設“十二五”規劃的一條重要鐵路干線，建成后將與廣茂線一起構成廣東西部與珠江三角洲的快速客貨運干線，成為我國沿海鐵路大動脈的重要組成部分。越珠江口隧道工程是深茂鐵路二期的控制性工程，該工程項目具有以下特點：①建設規模大，隧道長約13km，是目前國內最長的鐵路水下隧道；②環境條件復雜，沿線港口、碼頭密集，航道等級高；③地質條件復雜，河床水深變化大、地質條件復雜多變；④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進行可視化管理。

深茂鐵路越珠江口隧道項目BIM應用主要為建立標準模型，基于WebGL三維引擎的BIM全生命周期管理平臺，實現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。

BIM全生命周期管理平臺施工階段功能已經處于上線實施階段，BIM模型結合GIS構建模型，作為整個BIM項目的基礎。通過對模型的開發運用，分別從盾構監控、進度管理、風險源展示、監控量測、隱患管理、視頻監控、地質剖切、預警處置、臺賬報表、VR展示等方面對深茂鐵路越珠江口隧道進行可視化管理。BIM全生命周期管理平臺在深茂鐵路越珠江口隧道項目施工階段應用效果見圖3、圖4。

圖3 BIM平臺集成盾構機數據三維可視化管理

圖4 BIM平臺關聯監測信息分析預警

6 結語

通過深茂鐵路越珠江口隧道BIM全生命周期管理平臺的應用，檢驗了WebGL引擎性能、應用開發接口、管理模式、承載能力等功能，可滿足BIM平臺應用需求。不難看出，WebGL三維引擎是一款適應技術趨勢、移動應用方向、具有廣泛的適應性的三維引擎。