基于BIM 模型轻量化的协同应用平台研究与实践

郭云峰 吴 巍 杨贺同 王树昂

中国核工业第五建设有限公司 上海 201512

当前我国建筑施工行业已进入智能化、数字化时代。在全球数字化发展的趋势下，建筑施工行业也将面临施工技术创新、管理制度改革、工程数据优化等问题。随着建筑信息模型（BIM）技术在行业内的不断深化，越来越多的项目开始应用BIM 技术。BIM 技术主要以三维数字技术为基础，汇集了工程项目全生命周期的工程信息。这样一来，工程项目的背后都伴随着大量、复杂的图纸、三维模型、进度计划、声像资料和施工方案等资料堆积。这些施工资料及BIM 模型的动态管理成为了施工安装企业新的难点。其中，数量庞大的BIM 模型管理更是难点中的难点。同时，由于BIM 模型的使用严重依赖专业软件，对使用人员的技能也有一定要求，基层施工与技术人员难以方便自如的使用。因此，BIM 协同平台应运而生，通过整合BIM 各单一应用点，达到对工程项目的信息化管理。

1 BIM轻量化技术简介

BIM 模型格式繁多，目前国内主流BIM 建模软件有Revit、Bentley、PDMS 和Tekla 等。不同建模产品发布的BIM 模型格式不同，使软件使用成本上升，对计算机性能要求变高，动辄上百兆的模型、上万份的图纸文件，使BIM 技术在工程项目中的推广遭遇瓶颈，严重影响BIM 发挥其作用与价值，导致BIM 使用效率不高。为了整合多专业、多格式的BIM 资源，以便更好地发挥BIM 的作用，研究基于BIM 模型轻量化的协同应用平台是必然趋势[1]。

BIM 模型轻量化是指在不损失模型真实性的前提下，通过先进算法对模型重构，并进行更轻便、更灵活地显示。BIM 模型通过轻量化引擎处理后，在Web 和移动端显示需要经过图形数据转换和浏览器渲染处理两个过程，这两个过程也正是BIM 模型轻量化的关键环节。其中模型数据转换是指将三维模型数据转换为可被图形引擎识别和处理的数据格式，并且在转换中进行数据压缩，简化后的数据格式用于优化存储和网络传输过程；模型轻量化显示是指转换后的模型被图形引擎解析和显示过程中通过提升渲染处理速度，达到流畅实时显示。

BIM 模型属性主要由几何信息与非几何信息组成。非几何信息是指构件属性等相关数据，其轻量化方法比较简单，只要将其剥离于几何信息存储和压缩为DB 文件或者JSON 文件即可。

图形数据格式转换是轻量化的源头和核心。几何信息的轻量化方法可以分为参数化几何描述、减面优化处理、实例化图元描述和数据压缩四种方法。

2 基于轻量化技术的BIM协同平台在工程项目中的价值

对于任何建设工程项目而言，会有多个部门和单位在不同阶段、不同程度地参与其中，包括政府部门、业主、咨询单位、设计单位、监理单位、施工承包单位和供货商等。BIM 协同平台可以贯穿BIM 建设项目全生命周期，对所有信息进行集中、有效地管理，让散布在不同区域，甚至不同国家的项目团队，能够在一个集中统一的环境下工作，随时获取所需的项目信息，进一步明确项目成员的责任，提升项目团队的工作效率及管理水平。

基于轻量化技术的BIM 协同平台研发，可以将各个参建方和各个专业所产生的数据都纳入到同一个模型中，运用可视化及共同语言让每个项目参与方清楚自己应该做什么、做到什么程度、什么时候完成、完成质量标准是什么，大大提高工作效率和工程品质[2]，从而实现BIM 的落地价值。

3 协同应用平台开发架构与实现

3.1 总体架构设计

本研究中，为满足BIM 协同应用场景的需求，即模型浏览、模型装配、模型审核、模型自动审核、模型操作、平台管理和族库管理7 个独立且关联的系统，以及满足平台具备足够的灵活性和扩展性、人机交互合理、系统具备良好的稳定和安全性的技术要求，采用目前最先进的构建平台及系统的微服务架构，整体结构如图1 所示。

图1 平台总体架构

协同应用平台系统结构由前台应用、功能包和服务构成。前台应用以七大应用场景为核心；功能包主要包括模型存储与调用、模型浏览（包括基本的浏览工具）、模型审核及标注、文档/ 视频存储与调用、工作流设置、模型自定义操作（进度/ 物项）、数据安全日志记录与管理、模型参考、消息提醒、系统内通讯、权限设置、模型信息清单导出（如工程量，材料量等）、属性编辑（针对轻量化）、模型进度对比查看、平台数据导入和更新和数据库编辑。所有的功能都依赖于9 个主要服务，即轻量化服务、工作流服务、文件服务、消息服务、模型属性服务、物项数据服务、数据抽取服务、算法服务和创新API 接口服务。其系统结构如图2 所示。

图2 协同应用平台的系统结构

3.2 技术实现

建筑信息模型协同应用平台以服务为核心，功能基于服务层。平台由以下微服务构成：

3.2.1 轻量化服务

基于WEBG 技术的电力轻量化引擎，实现各类设计软件输出的模型。通过数模分离构建专用的几何数据及非几何数据，实现模型在浏览器端的浏览、查看和修改等功能，具体如图3 所示。

图3 轻量化服务

3.2.2 工作流服务

平台以工程流程驱动管理为主线，实现智能化分析管控，实现工程量、施工材料和文档资料的协同管理。工作流服务为平台提供流程定义、用户任务，以及流程引擎对外提供的API 接口等功能，以实现平台模型审核、模型跟踪等功能，详见图4。其软件过程如图5所示。

图4 流程引擎

图5 工作流服务

3.2.3 文件服务

文件服务采用elFinder 作为文件引擎，实现各类型文件的在线管理，主要功能如图6 所示。

图6 文件服务

3.2.4 消息服务

平台内部通讯及流程提醒，均依赖消息服务。MQ消息队列是一种进程间通信或同一进程的不同线程间的通信方式，软件的贮列用来处理一系列的输入，通常是来自用户。消息队列提供了异步的通信协议，消息的发送者和接收者不需要同时与消息队列交互。消息会保存在队列中，直到接收者取回它。具体过程如图7 所示。

图7 消息服务

3.2.5 数据抽取服务

建筑信息模型协同平台贯穿整个施工周期，必须与工程实际数据相融合，必然需要打破各个独立系统之间的数据隔离，构建统一、开放的数据集。数据抽取服务主要实现从不同的系统中以物项ID 为核心关联，提取相关数据形成真实有效且开放的数据集, 主要包括数据源配置和数据提取规则管理。通过数据源获取其他系统的数据访问通道，通过数据提取规则，提取有效的数据并融合为统一的数据模型。具体如图8 所示。

图8 数据抽取服务

3.2.6 算法库服务

协同平台应具有一定的智力支持能力，可提供多个算法库，以支持应用层的智能化应用。主要包括模型自动审核算法、变更追踪算法、模型空间物体检索及位置评估算法等算法库。具体如图9 所示。

图9 算法服务

3.2.7 API 接口服务

开放API 标准的产品和服务，提供的服务整合到协同应用平台中，会激发更多富有创意的应用产生。为了对外提供统一的API 接口，对开发者开放资源调用API，平台提供开放统一的API 接口环境，来帮助使用者访问平台的功能和资源。

4 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%，使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[3]。

（1）BIM 协同应用平台目前已面向中国核工业第五建设有限公司四个事业部，推广应用至4 个项目，上传模型500 余个；

（2）通过对BIM 轻量化数据引擎技术的研究，对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，且轻量化后的效果与原模型外形属性相同。轻量化前后的模型效果如图10 所示。

图10 轻量化前（a）后（b）的模型

（3）一线工程技术人员在现场应用便携设备使用模型，解决了数据信息浏览困难的问题，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，移动端模型浏览如图11 所示。

图11 移动端查看模型属性

5 结论

平台应用BIM 轻量化技术，解决了基层施工技术人员用模难、数据量大的问题。在满足了项目的BIM深度应用需求的同时，既实现了数据查看共享，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。族库系统与装配模块的应用，让BIM 模型的深化应用得到了实现。后续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，成为企业数字化转型的强有力助手。