地下管网BIM模型轻量化技术应用研究——以云南某高校管网为例

陈永鸿, 甘文杰， 高 雄， 杨宇范

(1.昆明理工大学 建筑工程学院, 昆明 650500； 2.昆明冶金高等专科学校， 昆明 650000)

城市智能化进程的加速正在满足人民日益增长的美好生活需求，为缓解人口环境增长的压力，城市空间由地上至地下的发展更是受到国内外学者的广泛关注和研究[1]。其中，城市地下管网系统中的供水和供电等管道网络更是确保城市建设进程，经济、社会和谐、协调发展，发挥城市功能必不可少的环节。根据Bobylev在东京和巴黎等地的城市调研中得出，地下管网在城市的地下空间占用率高达8%[2]。城市地下管网的作用不仅在于信息和能量的传输，还与人们的日常生活息息相关，影响着人们的生活、生产、资源利用、出行、环境和生命财产安全。因为管网大多掩埋于地下，除专业人员外他人对地下管网的状态并不知情，一旦发生问题轻则对管网造成破坏，重则危害人身安全。因此数字化、可视化和轻量化的管网运维管理能准确定位管网坐标和实时监控管网运行状态，出现问题能够及时发出警报，还可以对管网进行远程操控，是城市智能化进程当中不可或缺的重要部分[3]。

通过梳理现有关于BIM轻量化应用的研究文献，发现国内关于BIM轻量化的研究与应用基本覆盖建设项目全生命周期。蒙胜宇在设计阶段通过对模型的轻量化，从而降低对计算机硬件的性能要求和减少参与人员工作量[4]。钟诚在项目实施阶段，通过模型的轻量化达到对施工进程的方案模拟和成本测算从而降低成本[5]。郭思怡等在运维阶段，通过增添对建筑物外部网格模型，减少内部构件的网格结构,再通过Revit二次开发达到便于Web端浏览的模型轻量化[6]。轻量化的应用点存在于多个阶段，但主要集中在建筑设计和运维管理阶段。学者们结合BIM轻量化的产品模型和平台架构对建设项目进行管理决策、管理模式、管理方法的探索分析，但少有研究关注到BIM轻量化技术在地下管网中的应用。地下管网作为基础设施的命脉，空间结构复杂，信息来源丰富，专业性较强，在进行模型C/S结构的三维可视化呈现时会产生大量BIM数据和文件，对操作人员和设备都有较高的要求，难以进行协同管理。如何采用信息技术手段进行数据整合，缩小文件体积，便于数据的分析、处理、存储和传输，最终构建可供项目参与方实时共享和交互的信息管理平台，实现智慧管理，将成为目前亟须解决的问题[7]。

1 基于BIM与轻量化结合的管网运维

BIM是一种对建筑项目的材料、物理、功能特性进行数字化管理和描述的工具。BIM的作用范围广泛包括了建设项目前期的设计、施工及后期的运营维护阶段，项目全生命周期的数字化管理和优化是建筑业未来发展不可抵挡的趋势[8]。Revit是基于BIM下最常用的一款3D建模软件，Revit作为三维建模软件在信息管理方面极具优势，可以为模型的结构、设备、建筑等不同专业提供可视化管理[9]。并且Revit还支持IFC处理后的通用多软件交互，可以实现相关程序之间的数据交互[10-11]。

尽管BIM技术能够为地下管网运维系统提供精细化管理，每一段管道甚至每一个部件的设备信息和工作状态都可以为运维系统全生命周期管理提供数据支撑[12]，但在实际运维系统中使用Revit构建的模型进行数据管理对计算机硬件的要求极高，且在模型与运维管理的交互中存在数据交互、及时性等问题。如何在不改变原有模型数据的基础上减少对计算机硬件的依赖，甚至还能将模型适用于移动设备端、Web端等多端交互成为管网运维热门问题[13-14]。本文以云南某高校地下管网系统为例，建立三维管网系统，并通过BIM技术对管网系统进行轻量化，打通不同系统的格式转换，并结合PC端、移动端、网页端的多端交互应用，达到基于BIM应用的轻量化交互，以解决云南某高校管网的智能运行维护问题。

2 工程概况及模型的建立

云南某高校的管网工程包含：北片区运动场和体育馆室内消火栓、自动喷水灭火及大空间智能消防系统；南片区两栋十二层学生宿舍楼、三栋多层标准化工厂房、三栋单层工业厂房的室内消火栓、自动喷水灭火系统。南北两个片区室内消防采用集中消防系统，统一由设于南片区的消防泵房供水。室内消防水采用自来水，贮存于南片区学生宿舍楼地下室消防水池。一旦发生火灾由消防泵出水管压力信号控制器及屋顶水箱流量控制器二者启动室内消防水泵向火场供水，其工程量覆盖整个学校区域总计1 244.43亩地。

首先以Revit建立管网三维模型是轻量化管理管网系统的准备工作，通过对CAD图纸研究可得出整个管网包括管道、阀门、水泵等所有构件的信息。将CAD平面图纸导入Revit可以建立三维可视化管网模型。三维模型建立思维图如图1所示。

图1 三维模型建立思维图

与传统的二维模型信息相比，在Revit系统中建立的三维模型具有数字化、可视化等优势可完美展示管网几何、属性、材质等信息，在模型建成时就已经成为一个相对完成的体系[15]。完整模型如图2所示。

图2 Revit管网模型

3 模型轻量化

建筑的三维模型通常采用一个或多个文件夹来储存模型信息，这样虽然方便与单个用户的独立浏览和使用几何、材质、纹理、模型等信息，也方便与用户之间的文件数据传送互通。但如果模型信息较大，文件的传输将会受到一定程度的限制，如等待时间过长、接受用户需要大量时间解析显示模型等。所以将模型文件转换成相对适应网络传输和浏览的轻量化意义重大，不仅方便建筑模型的浏览、信息的及时传达与互通，还可大大加强各部门的信息集成，避免“信息孤岛”的存在。

3.1 Forge平台轻量化

Forge是PaaS平台下的云服务平台，Forge无须安装任何程序软件即可提取Revit中已建立好的三维模型的几何数据、对象、信息及缩略图。通过提取的三维模型数据还可将Revit模型转换为Web端的形式浏览，并且能在云端操作修改上传的模型。

模型轻量化，首先需要通过数据管理API将模型上传至Forge云端，为通过Forge Viewer API进行模型的上传，应提前用API将上传模型数据转换为svf格式。其次，模型的轻量化还需要在Autodesk官网中注册申请App并获取Client ID和Client Secret的开发许可。再通过Client ID和Client Secret得到管理和开发相关数据所需的Token，通过所得到的Token分配得到程序的储存空间bucket。最后，使用得到的全局唯一urn码将三维模型转换为代码形式并上传至网页端浏览。轻量化流程如图3所示。

图3 轻量化流程

3.1.1 Client ID和Client Secret的获取

以实际管网项目为单元申请Apps，模型的轻量化只需申请Date Management API与Model Derivative API即可，同时填写让登陆结果回传到服务器端的Callback回调函数。身份认证的API已经在API基础框架体系里，不需要额外操作。客户端ID和客户端密码的获取图如图4所示。

图4 客户端ID和客户端密码的获取图

获得对应项目开发所需的Client ID和Client Secret后如遇Client Secret被盗窃可以通过Regenerate重新生成相对应Client ID的Client Secret。

3.1.2 Token的获取

Token相当于临时的身份认证令牌，通俗地来说可以把Token看作是暗号，在数据传输前需要进行暗号的核对，暗号通过后才能进行相应数据的传输。通过发出的请求，Forge Authentication API会将Token返回到应用程序。JWT是Token所使用的规范，可获取对应权限的Token。通过微软官方的操作平台.Net在Visual Studio中的使用得到的Token。Forge平台的使用还需要在编译程序中添加所获得的Client ID与Client Secret作为引用。最终获取的Token，如图5所示。

图5 获取的Token

3.1.3 底层数据库OSS

Forge云平台的底层数据库储存结构相对复杂，是以底层OSS数据的存储为基础，并有项目与数据的服务提供于SaaS(云计算服务类型)产品应用。需要在OSS中建立一个全局唯一的Bucket，并以Bucket的形式将模型存储在Forge云平台中。Bucket除了提更供广泛的Forge生态系统数据下载能力之外，还提供了管理应用程序对象的功能如创建、上传、下载、删除多个Bucket。

3.2 实现模型轻量化

Web应用的开发通常会使用JavaScript这种脚本语言，将JavaScript脚本嵌在HTML5中可实现管网模型的轻量化。本文通过对Autodesk公司开放的建筑模型Web端源代码进行JavaScript脚本整体修改，最终在网页端实现管网模型Web端轻量化，如图6所示。

图6 轻量化管网模型与部分代码

4 模型轻量化的应用效果

4.1 Web端系统化运维的实现

基于Web端的JavaScript语言编程，以云南某高校管网为对象将管网三维模型轻量化后，实现了管网模型PC端可视化平台，同时提供了管网详细信息、构建分离查看、建筑x轴与y轴还有z轴的剖切、标记、场景旋转、添加外部构件、三维漫游等一系列模型的用户管理功能。并且通过二次开发后的模型重建，使原来170 M的模型在浏览器端的大小只有9 M左右，将原来建筑文件所占内存优化掉90%以上，提高了加载建筑模型的效率，如图7所示。

图7 Web端管网展示

4.2 设备管理

校园管网建成后管道的运维阶段是整个建筑全生命周期中耗时最长也是最重要的环节，管网由生活供水、生活下水、消防供水、各种管件设备组成，复综错杂且属于隐蔽工程，给管理和维修人员带来工作上的不便，维修时定位的不准确更是可能导致管网的乱挖错挖，严重甚至会危及维修人员的生命安全。该Web端轻量化模型实现了管网系统设备的位置定位、状态检测与更新、分类的设备查询。通过点击页面中某一设备即可查阅该设备的属性名、族与类型、主体ID、类别、类型、尺寸、使用年限、供应商等相关信息。在二次开发中接入管件设备监控器还可以达到对管网的实时设备运行监控，并将管网的实时使用状态以不同颜色区分，如正常使用为绿色，异常状态为黄色，故障状态为红色。便于管理人员及时发现后安排后续的设备更换和维修，避免安全事故或管网的损坏导致资源的浪费，给管网的运维优化带来显著效果提升，如图8所示。

图8 设备信息浏览

4.3 移动端模型的查看

为方便对管网的运维管理，通过轻量化的校园管网，同时可以通过链接分享的形式进行移动端的模型信息查看，解决了管理人员必须随身带着电脑查看模型的负重。轻量化的移动端模型拥有和Web端模型同样的功能，在移动端的模型构件信息查看的同时也给现场管理和维修人员带来了极大的方便。移动端模型浏览如图9所示。

图9 移动端模型浏览

5 结论与展望

5.1 结论

运用BIM建模软件和轻量化技术进行了管网系统二次开发探索，并以云南某高校管网为例分析相关应用过程，通过对Web端模型轻量化的构建方便了模型的浏览，减轻了对计算机的配置要求，提高管理效率，对管网优化管理具有一定的借鉴价值。在未来的研究中，深入对管网运维系统的二次开发研究，为相关部门的信息交流提供管网运维系统平台，达到信息和运维情况的及时更新；为新建或翻修地下管网系统提供准确定位，避免不必要的二次开挖或对原有管网的损坏，保障对管网的防护运维，为建设智慧城市打下牢固的基础。

5.2 轻量化应用的展望

模型轻量化使管网的运维管理更高效便捷，本文研究了轻量化后的Web端的展示与参数化信息浏览和对构件的剖切、分离查看等功能。并对下一步更深层次的模型轻量化研究做出展望：

1)优化模型着色效果，现有Revit建模软件对模型的色彩库数据不够完善，导致原模型真实场景和环境等因素影响下所存在明显色差。通过优化着色效果弥补模型在渲染时因不同光照、气候、环境带来的呈现效果影响，从而提高真实性。

2)通过优化程序使模型在渲染时，提高模型渲染速度与效果，做到在快速渲染的同时又能高精度地还原模型细节。

3)加强与Web端的三维可视化网络交互，在模型建成和修改时可及时自动上传加载模型，达到自动更新的效果。

4)开发对管网的流量实时监控，压力点分析、损坏程度等级显示、远程操控等一系列功能，为智慧城市的加速进展推波助澜。