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BIM的發(fā)展經(jīng)歷了方案展示、BIM建模及應(yīng)用兩個(gè)階段后,逐步向基于BIM平臺(tái)的信息化管理模式升級(jí)，“模型是基礎(chǔ)、管理是核心”的理念成為BIM應(yīng)用的主流方向。

工程建設(shè)過(guò)程中，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中各個(gè)階段，對(duì)于信息連接、可視化管理、信息化管理均有較強(qiáng)需求。為更好管理工程建設(shè)全過(guò)程,引入BIM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生、智慧工地、智慧建造、智慧運(yùn)維等應(yīng)用很有必要。

全生命周期管理平臺(tái)是BIM應(yīng)用的重要一環(huán)，三維引擎是BIM平臺(tái)的核心，結(jié)合某BIM全生命周期管理平臺(tái)的研發(fā)與項(xiàng)目實(shí)施案例，以選擇適合的三維引擎。

 三維引擎概述

隨著計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)B/S訪問(wèn)模式調(diào)用本地顯卡硬件資源實(shí)時(shí)渲染及承載復(fù)雜場(chǎng)景體量提出更高要求。傳統(tǒng)三維底層圖形技術(shù)采用OpenGL或DirectX程序編程接口(API)制作與應(yīng)用三維模型，存在場(chǎng)景設(shè)計(jì)與操作繁瑣、復(fù)雜場(chǎng)景程序編制不友好、建模工具編寫(xiě)封裝困難、關(guān)鍵技術(shù)(如LOD分層加載、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算并裁剪)缺乏等問(wèn)題，導(dǎo)致BIM平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用過(guò)程中人力投入大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、維護(hù)困難。

在傳統(tǒng)三維底層圖形技術(shù)的基礎(chǔ)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(kāi)發(fā)者一個(gè)簡(jiǎn)單易用、功能豐富的三維圖形環(huán)境，在三維引擎基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)、三維交互、BIM可視化管理平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)等，極大提高開(kāi)發(fā)效率、提升穩(wěn)定性并減少底層技術(shù)研發(fā)費(fèi)用投入。

BIM全生命周期管理平臺(tái)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(tǒng)模塊、底層渲染模塊、控制臺(tái)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊的三維引擎開(kāi)發(fā)包，輸出API函數(shù)接口與插件，以供開(kāi)發(fā)者進(jìn)行三維應(yīng)用擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

三維引擎技術(shù)架構(gòu)

 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(tái)的靈魂 ,可理解為三維模型作為信息載體，實(shí)現(xiàn)信息化管理平臺(tái)過(guò)程數(shù)據(jù)三維可視化展現(xiàn)，其中以三維模型作為載體是與其他二維信息化管理平臺(tái)的最大區(qū)別。

BIM平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)、多角色、一體化的三維可視化管理，關(guān)鍵在于其三維引擎能夠承載大體量、多專(zhuān)業(yè)三維模型,并且能夠流暢操作訪問(wèn)。如果選擇的三維引擎無(wú)法承載或無(wú)法流暢操作，則BIM平臺(tái)無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際工程建設(shè)管理。以軌道交通工程為例，長(zhǎng)度為20km的軌道交通工程，其BIM平臺(tái)需承載三維模型體量約為33GB。

20km軌道交通工程BIM平臺(tái)承載體量

不難看出，BIM平臺(tái)產(chǎn)品化研發(fā)，關(guān)鍵在于三維引擎自身?yè)碛袑?shí)現(xiàn)大量與工程信息化管理業(yè)務(wù)結(jié)合的接口，且具有較高的二次開(kāi)發(fā)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(tái)功能齊全、二次開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能力強(qiáng)、界面布局美觀，也難以實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。

 三維引擎選型

《2016-—2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》指出，十三五時(shí)期，全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強(qiáng)BIM、大數(shù)據(jù)、智能化、移動(dòng)通訊、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應(yīng)用能力 。BIM全生命周期管理平臺(tái)三維引擎選型需響應(yīng)政策要求與順應(yīng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。三維引擎能夠滿足BIM與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)APP、云計(jì)算、GIS等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，并適應(yīng)Windows、MacOS、Linux、IOS、Android 操作系統(tǒng)及各種瀏覽器多端應(yīng)用。

通過(guò)三維引擎適應(yīng)性比較可以看出，基于OpenGL的三維底層圖形技術(shù)開(kāi)發(fā)包應(yīng)契合BIM平臺(tái)需求，初步滿足多種操作系統(tǒng)、移動(dòng)端應(yīng)用、基于三維模型的管理應(yīng)用的需求。

主流底層圖形技術(shù)適應(yīng)性比較

采用主流三維引擎平臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，如Dassault HOOPS、Skyline Globe、SuperMap GIS、ArcGIS Platform、BE BIM Cloud等，而隨著技術(shù)進(jìn)步，基于先進(jìn)的WebGL三維引擎研發(fā)逐步成為技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

ActiveX控件應(yīng)用模式為采用Web對(duì)象的鏈接與嵌入、OpenGL提供底層圖形庫(kù)，通過(guò)在Web瀏覽器中安裝控件的方式實(shí)現(xiàn)三維展示與管理。

WebGL(Web Graphics Library)3D繪圖協(xié)議隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步，OpenGL三維圖形API子集OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)針對(duì)手機(jī)、PDA和游戲主機(jī)等嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)，通過(guò)增加OpenGL ES 2. 0 綁定派生而出。WebGL 可為HTML5 Canvas 提供硬件3D 加速渲染，程序開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)WebGL調(diào)用系統(tǒng)顯卡在瀏覽器中展示與應(yīng)用3D模型場(chǎng)景。

ActiveX控件與WebGL三維引擎均可用于BIM平臺(tái)開(kāi)發(fā)，其主要技術(shù)要素如下 ：

(1)驅(qū)動(dòng)性：基于三維引擎研發(fā)BIM 平臺(tái),驅(qū)動(dòng)軟硬件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

(2)完整性：能夠完整實(shí)現(xiàn)BIM 應(yīng)用的功能函數(shù)。

(3)獨(dú)立性：三維引擎不依賴(lài)于應(yīng)用而獨(dú)立存在。

(4)高隱藏性：復(fù)雜的底層算法隱藏在容易確定的代碼中，只暴露簡(jiǎn)單的接口。

(5)可擴(kuò)展性：三維引擎技術(shù)架構(gòu)具有良好層次,對(duì)象與資源模塊化,易于二次開(kāi)發(fā)。

(6)發(fā)展趨勢(shì)：符合互聯(lián)網(wǎng)+、移動(dòng)APP、云計(jì)算與GIS結(jié)合等技術(shù)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

(7)環(huán)境配置：對(duì)操作系統(tǒng)、瀏覽器具有高適應(yīng)性,無(wú)需配置復(fù)雜的三維場(chǎng)景環(huán)境。

(8)穩(wěn)定性：運(yùn)行穩(wěn)定,不出現(xiàn)三維場(chǎng)景環(huán)境崩潰的情況。

(9)應(yīng)用前景：開(kāi)發(fā)完成后在其他項(xiàng)目是否可以長(zhǎng)期延用。

(10) 三維效果：渲染能力強(qiáng)、色彩豐富、場(chǎng)景逼真、粒子效果占用資源小等。

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

綜合以上技術(shù)要求進(jìn)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(tái)開(kāi)發(fā)的三維引擎。

在驅(qū)動(dòng)性、可擴(kuò)展性、發(fā)展趨勢(shì)、環(huán)境配置、穩(wěn)定性、應(yīng)用前景上，WebGL均優(yōu)于ActiveX控件；在完整性、獨(dú)立性、高隱藏性、模型承載方面則相差無(wú)幾；在三維效果上，雖然WebGL略低于ActiveX控件，但WebGL處于起步階段的高速發(fā)展期，預(yù)計(jì)短期就可以超越ActiveX。

WebGL三維引擎無(wú)需安裝控件, 可直接在Windows、IOS、Android 等操作系統(tǒng)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(yīng)性，無(wú)需重復(fù)開(kāi)發(fā)，便于管理，具有統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、跨平臺(tái)接口。綜上，WebGL是目前BIM全生命周期管理平臺(tái)三維引擎最佳選擇。

 基于WebGL三維引擎的BIM平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

基于WebGL三維引擎的BIM全生命周期管理平臺(tái)，采用4層架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、展示層及訪問(wèn)層。

基于WebGL三維引擎BIM平臺(tái)架構(gòu)

數(shù)據(jù)層基于IFC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將模型存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)信息錄入BIM平臺(tái)，文件存儲(chǔ)采用MongoDB、關(guān)系型數(shù)據(jù)采用MySQL 或Oracle、高速緩存及大數(shù)據(jù)吞吐采用Redis。

服務(wù)層包含基礎(chǔ)服務(wù)、擴(kuò)展服務(wù)、配置管理及運(yùn)行環(huán)境配置。展示層基于WebGL 三維引擎實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能,場(chǎng)景管理、漫游交互、影像工具、地形工具、視點(diǎn)工具、測(cè)量、剖切等。在基礎(chǔ)功能上結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的成果協(xié)同與可視化交互，施工階段的安全、進(jìn)度、質(zhì)量、成本管理等應(yīng)用,運(yùn)維階段的資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、維護(hù)管理、物資管理、應(yīng)急管理、調(diào)度管理、知識(shí)庫(kù)建設(shè)等應(yīng)用。

訪問(wèn)層支持在Windows、Linux、MacOS、IOS、Android等操作系統(tǒng)中使用IE、Chrome、Firefox、Safari、360、QQ。

應(yīng)用案例

深茂鐵路是國(guó)家鐵路網(wǎng)建設(shè)“十二五”規(guī)劃的一條重要鐵路干線，建成后將與廣茂線一起構(gòu)成廣東西部與珠江三角洲的快速客貨運(yùn)干線，成為我國(guó)沿海鐵路大動(dòng)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(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：①建設(shè)規(guī)模大，隧道長(zhǎng)約13km，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的鐵路水下隧道；②環(huán)境條件復(fù)雜，沿線港口、碼頭密集，航道等級(jí)高；③地質(zhì)條件復(fù)雜，河床水深變化大、地質(zhì)條件復(fù)雜多變；④技術(shù)難度大，無(wú)論采用什么工法修建，技術(shù)上都存在很大的難度。為解決工程中的風(fēng)險(xiǎn)，引入BIM進(jìn)行可視化管理。

深茂鐵路越珠江口隧道項(xiàng)目BIM應(yīng)用主要為建立標(biāo)準(zhǔn)模型，基于WebGL三維引擎的BIM全生命周期管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)海底隧道環(huán)境的可視化展現(xiàn)、施工現(xiàn)場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)管控、指導(dǎo)施工等。

BIM全生命周期管理平臺(tái)施工階段功能已經(jīng)處于上線實(shí)施階段，BIM模型結(jié)合GIS構(gòu)建模型，作為整個(gè)BIM項(xiàng)目的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)模型的開(kāi)發(fā)運(yùn)用，分別從盾構(gòu)監(jiān)控、進(jìn)度管理、風(fēng)險(xiǎn)源展示、監(jiān)控量測(cè)、隱患管理、視頻監(jiān)控、地質(zhì)剖切、預(yù)警處置、臺(tái)賬報(bào)表、VR展示等方面對(duì)深茂鐵路越珠江口隧道進(jìn)行可視化管理。

平臺(tái)集成盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)三維可視化管理

平臺(tái)關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)信息分析預(yù)警

通過(guò)深茂鐵路越珠江口隧道BIM全生命周期管理平臺(tái)的應(yīng)用，檢驗(yàn)WebGL引擎性能、應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口、管理模式、承載能力等功能，滿足BIM平臺(tái)應(yīng)用需求。不難看出，WebGL三維引擎是一款適應(yīng)技術(shù)趨勢(shì)、移動(dòng)應(yīng)用方向、具有廣泛的適應(yīng)性的三維引擎

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張佩竹，青舟，付功云.

BIM全生命周期管理平臺(tái)三維引擎選型研究[J].鐵道勘察.

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