基于BIM轻量化技术的协同管理平台研究与实践

李 鑫 蒋绮琛 于 鑫 陈滨津

(中国建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

引言

当今，我国建筑业已经进入推进工业化、标准化，重视质量和创新的新时代，BIM技术的应用助力数字建造目标的实现[1]。与此同时，因建设工程对BIM技术的需求层次不同，成本承担能力参差不齐，在进行涵盖多个业务领域且数据量庞大的BIM应用集成管理过程中，既无法方便地将工程数据携带到现场，也无法方便地将现场数据上传至平台，为了解决BIM全模型技术相对较“重”的问题，国内外同行做了很多有益的探索。

首先，国外通用的轻量化产品以Autodesk公司的BIM360和Forge为主。这类轻量化产品基本都是基于WebGL或者OpenGL引擎涉及封装之后的成品轻量化产品。但因为考虑数据信息的安全性，这些产品在国内建筑行业的应用普及率不高。

然后，国内的BIM模型轻量化技术正处于发展阶段，BIM协同平台均存在多种使用性能方面的缺陷。BIM技术应用尚难以解决工程数据互联互通和多方参与协同管理的问题。

综上所述，面对国内外轻量化产品普及率不高或者性能不完善的现状，从保证中建八局BIM协同管理平台的实用性考量，如果可以研究并且应用BIM技术轻量化的技术及其概念，必定可以大幅度地推进BIM技术在企业中的推广，进而支持项目的协同工作，提高项目管理效率。

1 BIM轻量化技术的开发与实现

1.1 总体架构设计

本研究中，基于BIM轻量化的协同管理平台，通过对Revit、Bently、Civil 3D等软件的BIM模型进行数据分析，数据处理，以自主开发渲染引擎进行3D展示。在平台上，将项目施工过程中的设计、技术、质量、安全、进度、材料管理与BIM模型结合，在PC端、移动端、网页端实现BIM模型查看，业务处理，从而实现项目的集成管理。中建八局BIM协同管理平台的总体架构设计如图1所示。

图1 中建八局BIM协同管理平台的总体架构设计

(1)轻量化底层。通过BIM轻量化技术与平台多端操作的结合，解决了企业BIM应用落地过程中所面临的模型较重的核心问题。

(2)业务管理层。在掌握我局BIM应用的主要业务需求的基础上，将轻量化的BIM模型与业务需求结合，实现工程数据与项目管理业务的集成。

(3)应用展现层。现场工程技术人员使用便捷的模型，确保高度一致的数据，使沟通效率有了大幅度的提升，项目移动办公更方便。

1.2 技术实现

在工程实践中，需按照实际使用模型的情况，转化BIM模型的数据格式，轻量化的改造图形，属性数据筛选与复用，模型的云渲染展示，多端交互的数据应用，以便能够在不同阶段查看模型的关键信息，便于一线工程技术人员在现场便捷地调用模型，充分发挥BIM模型的数据可识别、信息可关联等特性，使BIM技术融入到整个项目工程管理体系中。

1.2.1 基于标准数据格式的模型文件转换

BIM轻量化技术的基本手段标准数据格式化。在工程实践中，三维模型的数据来自建造行业的多个专业。土建、机电、钢结构、幕墙等专业BIM人员会使用Revit，Tekla，MagiCAD，Civil 3D等等不同的BIM软件创建三维模型和他们所需要的数据，我们需考虑多源数据兼容的问题。

目前，BIM没有能够建立一个完整统一的应用软件体系，各参与项目人员之间交换信息时，必须把BIM模型变成现在主流的以IFC数据标准为基准的模型，才能够完成数据交换。BIM信息协同管理平台支持不同BIM软件之间完成以IFC数据标准为基础所进行的信息交换，从而确保两种BIM模型之间共享和交换信息的通畅性。

1.2.2 基于语义解析分割的图形轻量化

轻量化的核心数据依然是BIM模型。由于构成BIM模型的构件数量非常多，并且单个构件的信息都比较复杂，使得BIM模型的数据庞大。

首先三维模型的数据，需要从各种建模软件中获取，在处理这些数据的时候，会尽量获取基本的图形参数，而不是确切的三角面片图形，这样不仅可以保证三维模型数据轻量化，而且还能更好地诠释图形数据表达的含义。通过这些参数化的图形数据，在各端通过不同的功能需求翻译成需要的几何图形来展示。

三角面片优化存储技术是轻量化最重要的一项指标。通过BIM参数化的图形数据，在各端通过不同的功能需求翻译成需要的几何图形来展示。先按照网格相似性匹配的原则分析各构件的相似性，并且利用同一组三角网格对相似几何外形的构件进行表示； 然后利用矩阵转换的方法，对其空间进行存储。转换原则如图2所示。

图2 BIM参数化图形数据转换原则

因为建筑模型数据量汇集了各专业的数据，模型的三角面片数会达到数千万，内存的开销在20～30G以上。在常规的绘制流程下平台无法装载整个数据，绘制也非常卡顿，因此需要通过多种手段加速场景的绘制，并精简、控制内存的开销。在本研究中，通过遮挡剔除、批量绘制、多重LOD的方法来提高优化渲染效果。BIM轻量化技术基于映射的存储方式如图3所示。

图3 BIM轻量化技术基于映射的存储方式

1.2.3 基于插件的属性数据筛选与复用

BIM模型轻量化技术作为模型创建与应用的中间环节，决定了BIM模型轻量化解决方案必须具备如下两个方面的技术：一方面，对引擎进行转换需要一个模型文件。利用二次开发BIM软件，有效地组织及提取BIM模型里面的信息，建立一个导出后占用存储空间较小的文件，且对原始BIM文件里面的关键信息进行保留； 另外，解析引擎对导出的文件进行解析，把文件里面的关键信息进行还原，进行模型的浏览与显示。

(1)构件属性数据筛选。对BIM模型构件所对应的属性数据，用软件进行筛选。数据从建模软件中获取或者在软件功能中用户自己手动输入，根据BIM软件不同的使用目的，会舍弃不相关的冗余数据，选取相关的属性数据存取。轻量化必须确保数据尽可能地精简，每次只获取当前功能相关的数据。数据在平台整个软件体系中共用，不同的客户端使用不同的方式，保证不缺失需要的数据。

图4 模型文件转换插件的构件属性数据筛选

(2)复用性数据提取。使用同一个数据达到多种应用目的，是复用性数据提取技术在轻量化中的重要思想。软件功能和实际复用频率决定了复用性数据的选择。从基本的模型中变换得到其它同类的模型，这种复用性数据提取技术，可以节省大量的数据量，是轻量化的一个重要组成。

1.2.4 基于云渲染的BIM模型展示

在实现BIM模型展示的过程中，为了将一个物体绘制到屏幕上，需要发起一次图形API绘制调用。为了优化性能、负载均衡，可以将具有相同状态(例如相同材质)的物体合并到一次绘制调用中，通过合并物体来减少绘制调用，从而带来性能的优化。结合动态和静态的批次合并策略，达到渲染流畅度的提升。

1.2.5 基于多端交互的数据应用

项目级的BIM协同管理平台支持PC端、移动端和网页端的多平台使用，各端的功能划分是应用层轻量化必须重点解决的问题。WebGL适用于各大市场主流浏览器的使用，无需配置或下载任何插件就能够在网页端对一些复杂的三维BIM模型以及二维图纸完成浏览。OpenGL适用于移动端和PC端的运行平台。

(1)PC端平台应用

鉴于固定端突出的性能，可以胜任大批量、高逼真的模型展示，大批量数据处理、计算和录入，直观的数据管理等功能，设备可以完成更高层级的功能。

(2)网页端平台应用

中建八局BIM协同管理平台，基于WebGL解决方案的网页端应用，在网页端实现进行场景漫游、查询建筑信息、尺寸测量等基本功能，方便项目管理人员随时查看了解工程项目信息，同时也降低使用门槛，加快平台的普及应用。

(3)移动端平台应用

手机或者平板这种配置一般的移动端，由于它们携带方便，可以在现场实时操作。移动端通过最小化的数据展示来满足用户的需求，在移动设备上实现更多平台功能的现场应用。

图5 PC端模型操作使用效果展示

图6 移动端模型操作使用效果展示

移动端需要提供实时的现场数据采集，如拍照，录音，记录问题等功能。可发送消息或者录入简单的数据。考虑移动端设备性能的局限，模型展示应划分区域处理。可以通过按单个楼层、单个专业或者楼层与专业相结合的方式划分模型。

1.3 性能对比分析

对BIM协同管理平台与国内外顶级平台的轻量化技术，从模型打开速度、上传体量上限、模型上传速度、总体轻量化效果等方面进行了对比分析。平台模型上传体量上限为10GB，高于广联达协筑、欧特克BIM360采用云端转换的平台； 测试上传289MB模型的数据压缩比为22.2，模型打开时间5s，不但数据压缩比高、打开速度快，而且轻量化后的模型在与同类平台的操作功能对比中也体现出了明显的优势。

图7 同类平台BIM模型轻量化性能的对比分析

图8 超大体量模型在平台中流畅展示

2 工程应用实践

BIM协同管理平台轻量化技术，实现了BIM模型在Web端、移动端的“轻量化”应用模式，规模较大的BIM模型在完成轻量化操作之后，模型大小可压缩到原文件的5%～20%，让中建八局的工程管理人员，无需安装专业建模软件即可使用BIM模型开展各类应用，有效地降低了BIM技术深度应用过程中对软硬件的性能要求。

图9 各单位的C8BIM平台项目覆盖情况

图10 归集全局BIM模型统计数据

(1)BIM协同管理平台已面向全局18个分公司、覆盖项目数量1 500余个，归集全局BIM模型总计11 000余个；

(2)通过对BIM轻量化数据引擎技术的研究，对我局1 500余个项目的BIM模型在功能和信息量上进行简化，降低其对软硬件的性能要求，减少参与人员的工作量，节约应用BIM技术的成本；

(3)一线工程技术人员在现场便携的使用模型，解决了数据信息浏览困难的问题，并保证数据的一致性，提高了沟通效率，使得项目移动办公更方便，项目管理效率更高。

3 结论

平台所应用的BIM轻量化技术，解决了企业BIM技术应用落地的核心问题。在满足了大型项目的BIM深度应用需求的同时，通过精细的权限管控，可以既满足不同协同方之间数据查看共享的需求，又较大提升了工作效率，为项目精细化管理做出了有益的探索。后续我们将继续加大平台的推广培训力度，扩大平台的使用覆盖率。通过后续的工程实践，对平台功能进行进一步完善，使其发挥更大的应用价值。