BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場中的輕量化移動端應(yīng)用研究

于飛 孟輝 趙靜卓

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

1 研究背景

公路建設(shè)過程中信息化、智能化、數(shù)字化手段不斷推陳出新，BIM （Building Information Modeling）技術(shù)作為新一代信息技術(shù)，正在不斷解決工程建設(shè)中的難題。在當(dāng)前的公路工程建設(shè)中，根據(jù)分散割裂的設(shè)計(jì)圖紙對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工存在較大挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，尤其對于復(fù)雜混合橋梁，急需一種提前預(yù)演和專家指導(dǎo)的施工手段來滿足日益復(fù)雜的施工方案。隨著BIM建模與GIS技術(shù)的深度融合，便攜式移動設(shè)備5G布網(wǎng)和硬件性能不斷發(fā)展，足以支撐較大體量模型的渲染加載和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)請求性能。同時(shí)，用戶體驗(yàn)需求和3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)興起，各行業(yè)呈現(xiàn)出從靜態(tài)、不能交互的模型展示轉(zhuǎn)向動態(tài)、實(shí)時(shí)交互的發(fā)展趨勢[1]。移動設(shè)備在工廠、工地以三維可視化角度對單點(diǎn)施工細(xì)節(jié)全過程預(yù)演、標(biāo)識和評價(jià)，具備較大的應(yīng)用價(jià)值。目前，各專業(yè)設(shè)計(jì)模型無論在方案匯報(bào)還是施工模擬時(shí)都需要安裝專業(yè)建模軟件，嚴(yán)重阻礙了設(shè)計(jì)意圖的展示和信息傳遞，探索實(shí)現(xiàn)模型輕量化展示和移動應(yīng)用極為迫切和必要。

2 研究現(xiàn)狀及存在的主要問題

提升項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量，減少項(xiàng)目變更和成本，縮短項(xiàng)目周期。BIM技術(shù)在建筑、交通行業(yè)取得了大量應(yīng)用成果，尤其在綜合管廊、協(xié)同設(shè)計(jì)、施工交底、地形勘測、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用水平較高。

BIM技術(shù)應(yīng)用的前提是建造模型，模型是承載信息的母體。當(dāng)前建模技術(shù)日漸成熟，模型的精度質(zhì)量主要受制于建模軟件或人員水平，存在的問題是不同建模軟件文件底層結(jié)構(gòu)尚不公開，不同模型文件格式轉(zhuǎn)換可能出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)，方案交底或模型交付時(shí)需安裝專業(yè)軟件且過程繁冗。

公路工程的特點(diǎn)是線性帶狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造物形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型體量較大成為制約模型縱向發(fā)揮價(jià)值的最大瓶頸。實(shí)際工程施工過程中，技術(shù)人員通常使用大量的二維施工圖紙指揮工人施工，由于現(xiàn)場條件不足或技術(shù)人員能力有限，對于復(fù)雜工序整體把握程度不高，同時(shí)，施工隊(duì)的理解也會存在偏差，容易失誤，導(dǎo)致工期延緩，成本增加，甚至造成事故。而危大工程專項(xiàng)施工對于專家論證的施工方案缺乏精確的表述手段，實(shí)際施工中多存在明顯誤差。

針對傳統(tǒng)對照圖紙施工手段的不足，本文研究基于BIM和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供一種施工現(xiàn)場使用的移動App動態(tài)可視化輔助施工手段，同時(shí)提供云端圖紙快速查詢、專家方案預(yù)演等現(xiàn)場應(yīng)用。

BIM技術(shù)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展融合而成的建筑信息應(yīng)用技術(shù)，被稱為繼CAD之后的第二次設(shè)計(jì)革命。其利用數(shù)字技術(shù)存儲和傳遞建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征，以3D模式直觀表述，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)包括勘探、設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)管理等全過程信息傳遞共享和各專業(yè)、各參與方的工作協(xié)同，是對建筑物構(gòu)造和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，能全面可視化仿真與模擬分析。在項(xiàng)目應(yīng)用中，可

3 施工模擬方案及實(shí)現(xiàn)

本文以WebGL (Web Graphics Library)技術(shù)為核心，基于C/S模式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型、傾斜攝影模型、地形影像、施工模擬文件、施工圖的服務(wù)器端存儲和移動客戶端輕量化展示。WebGL是一種3D繪圖協(xié)議，能在瀏覽器端渲染復(fù)雜三維圖形，并提供用戶交互技術(shù)[2]。服務(wù)端將模型文件等按照項(xiàng)目管理開發(fā)模式進(jìn)行文件存儲，在移動端App完成模型數(shù)據(jù)的同步和加載，能實(shí)現(xiàn)工程構(gòu)造物模型的全景旋轉(zhuǎn)、隔離顯示、放大縮小等自由瀏覽和查閱構(gòu)件屬性功能。在全景模型的重點(diǎn)部位，以特殊標(biāo)注表明存在精細(xì)施工工序模擬，點(diǎn)擊后可展示詳細(xì)的施工過程模擬、單部件的拆分描述及重難點(diǎn)事項(xiàng)標(biāo)注，見圖1。通過模型構(gòu)件的自定義屬性和編碼規(guī)則，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端圖紙的調(diào)取和本地瀏覽功能。移動端根據(jù)實(shí)際需要能獲取存儲在服務(wù)端的傾斜攝影地形模型，及時(shí)比對構(gòu)件模型與地形的結(jié)合情況，確定位置結(jié)構(gòu)是否準(zhǔn)確，施工是否存在偏差等。

圖1 施工全景模型及重難點(diǎn)施工標(biāo)注

3.1 數(shù)據(jù)處理

本文基于Bentley系列建模軟件，根據(jù)施工圖紙進(jìn)行建模，使用超圖iDesktop桌面處理軟件將模型的DGN格式轉(zhuǎn)為可擴(kuò)展的空間三維模型數(shù)據(jù)格式S3M (Spatial 3D Model)。S3M數(shù)據(jù)格式適用于空間三維模型數(shù)據(jù)的傳輸、交換與共享，有助于解決多源空間三維模型數(shù)據(jù)在不同終端（移動設(shè)備、瀏覽器、桌面電腦）地理信息平臺中的存儲、高效可視化、共享與互操作等難題[3]。Bentley建模軟件輸出的文件是.dgn格式，在瀏覽器或其他軟件中無法直接打開。解決方案是通過格式轉(zhuǎn)換插件將.dgn文件轉(zhuǎn)為iDesktop的文件型數(shù)據(jù)源.udd/udb格式（見圖2），該文件格式能在idesktop進(jìn)行模型編輯、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化、模型屬性字段賦值等操作，最終生成.S3M格式的場景緩存文件。所有模型文件以工作空間形式由超圖iServer發(fā)布成REST網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源接口，供移動客戶端調(diào)用。

圖2 dgn格式轉(zhuǎn)udd/udb格式插件

3.2 模型渲染

基于WebGL的Three.js庫，能實(shí)現(xiàn)場景可視化瀏覽、交互操作和地理信息管理等。Three.js框架是WebGL技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方法，是采用Javascript腳本編寫而成的開源框架，具有代碼體積小、加載速度快、方便使用的特點(diǎn)[4]。移動端APP內(nèi)嵌瀏覽器方式引入Three.js庫及超圖封裝的Cesium.js庫，通過HTML5的Canvas標(biāo)簽進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)BIM模型可視化場景和模型的空間展示，Canvas元素用于創(chuàng)建圖形和動畫，其在一定范圍內(nèi)減少了插件的使用，提高了瀏覽器運(yùn)行效率[5]，能對模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、剖切和自由放置等交互操作。傾斜攝影模型是公路工程BIM應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，能同時(shí)以多鏡頭從前后左右下多方位、多角度采集地形圖片影像，獲取地面物體更完整準(zhǔn)確的信息，通過Context Capture等軟件進(jìn)行近似性三角形運(yùn)算而生成三維地理模型。工程構(gòu)造物模型與傾斜攝影模型在統(tǒng)一地理坐標(biāo)下能準(zhǔn)確定位，調(diào)用資源接口完成渲染，見圖3。

圖3 移動端橋梁模型與傾斜攝影實(shí)景

3.3 工點(diǎn)模擬

對于存在施工模擬的構(gòu)件組進(jìn)行專題圖標(biāo)注，在施工模型中能實(shí)現(xiàn)全景視圖的透視和局部精細(xì)放大（見圖4），點(diǎn)擊后可調(diào)用提前存儲在服務(wù)器端的施工模擬動畫。移動端App先調(diào)用Cesuim.js庫進(jìn)行場景、視角配置，引入基于Three.js庫的gltf （The GL Transmission Format）格式控件動態(tài)模擬施工過程，GLTF控件能控制圖層、步驟、動畫速度、光照、背景，動態(tài)放置構(gòu)件，調(diào)用工點(diǎn)地質(zhì)模型，從而分析預(yù)演施工注意事項(xiàng)和提前掌控環(huán)境影響因素，見圖5。點(diǎn)擊構(gòu)件能查詢構(gòu)件的幾何信息、材料信息及自定義施工日志等，同時(shí)所有構(gòu)件都關(guān)聯(lián)了云端的設(shè)計(jì)圖紙，可及時(shí)查閱與構(gòu)件相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙、數(shù)量造價(jià)、施工說明等信息。

圖4 橋塔橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束與鋼牛腿細(xì)節(jié)圖

圖5 施工動態(tài)模擬

4 結(jié)論與展望

BIM技術(shù)能解決工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)全過程的信息傳遞。基于Bentley軟件和超圖GIS處理軟件，實(shí)現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)處理和REST接口資源發(fā)布，緩存形式的模型、地形影像等資源在移動端有很好的加載速度，一定程度解決了數(shù)據(jù)格式傳輸和資源發(fā)布的難題。基于WebGL的輕量化庫無需安裝建模軟件就能實(shí)現(xiàn)工地現(xiàn)場三維動態(tài)模擬施工，以three.js為核心gltf庫能動態(tài)模擬工點(diǎn)精細(xì)化步驟，使用便攜式移動設(shè)備就能實(shí)時(shí)、直觀、高效指導(dǎo)工人焊接、定點(diǎn)打樁、裝配式安裝、隧道開挖等復(fù)雜施工。以BIM模型、傾斜攝影實(shí)景模型、三維地質(zhì)模型為參考預(yù)演施工過程，提供了風(fēng)險(xiǎn)評估的技術(shù)手段，大幅降低了施工風(fēng)險(xiǎn)和變更成本。