BIM与Web信息服务融合的关键技术研究

司典浩 张丽丽 赵云辉 张 杨

(1.北京市政建设集团有限责任公司 智能建造中心，北京 100089；2.北京高新市政工程科技有限公司 智能建造中心，北京 100089)

引言

随着BIM技术在城市建设、水务、交通、电力和市政等领域的深入应用，BIM模型已由规划、设计逐步向施工、运维延伸。BIM技术实质是数字图形与建筑信息融合集成的动态关联系统，三维图形的变化驱动着附属属性的变化[1]。在规划、设计、建造、运维等过程中，各类数据都可从图形的附加信息中获取，这是BIM技术持续发展的优势和动力。随着BIM技术应用的发展，需要获取信息的单位包含设计、施工、监理、业主等多方，单一的BIM模型文件已不足以支撑多个环节的应用，BIM模型数据的关联性和扩展性呈现不足[2]。

在基于Web的信息服务中，传统的联机检索工具由Web查询引擎和数据库检索两部分取代，Web查询引擎用于定位信息源，Web与数据库的接口技术实现了Web与数据库的融合[3]，使得数据可以基于网络进行规范化管理及扩充。

通过Web信息服务与BIM模型的深度融合，用浏览器进行模型的查看、沟通，一方面可以让各参与单位基于一个更加轻量的平台开展工作，进行协同应用，形成资源共享和功能互补[4-5]； 另一方面通过Web API对BIM模型进行信息扩展，达到与其他系统的交互对接，从而提升BIM的应用范围，实现工程量算到人力资源，从成本预算到财务统筹，从工程监管到企业资源，从作业协同到真正的智慧建造。

1 BIM与Web信息服务融合

市政工程建筑信息模型的建立，不仅要考虑工程设计的需要，还应在三维模型的基础上实现各类信息的融合，并通过一定的数字仿真技术，来模拟建筑物在全生命周期中所具有的真实信息。因此，一个完备的BIM信息模型应该能够将市政工程项目在整个生命周期中的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便当前工程各参与方使用，为设计和施工提供协调一致的数据基础[6]。

BIM模型的创建者，往往是由建筑设计人员完成，其附带的相关参数和信息更偏向于设计领域的需要，导致花费代价建立的BIM模型根本无法传递到工程应用的下一个环节，无法实现基于BIM的施工一体化和各工序的协同工作，无法提供快速算量、精确计划及工程清单，更无法快速精确获取相关的资源计划，导致BIM模型的价值无法得充分发挥。

Web信息服务具有面向消息的、松散耦合的特点[7-8]。Web服务对信息时代有着重大的意义，它可以像那些可置换的标准零部件，进行自由更换与耦合。同时Web信息服务是具体的业务流程的特点，它能够公开和描述自己，可以定义自己的功能和属性，以便其他应用能够快速集成它，也容易向其它应用提供这种功能，从而实现基于事务处理的复杂供应链集成和管理[9]。

通过建立BIM模型与Web信息服务相融合，在BIM模型中通过唯一的关联信息，快速获取任意构件上的工程基础信息，并通过不同的职责和权限划分，将所需的Web信息服务自由挂载。例如，将合同资料、实施计划与施工的消耗量、分项单价、分项合价等数据与BIM模型相关联，让BIM模型承载工程在设计、建造和运维等阶段的所有信息，再结合虚拟可视化技术进行有效协同，让设计方、施工方、监理方甚至非工程出身的业主都对项目的各种问题和情况了如指掌[10]。

要实现Web服务与BIM模型的融合，需对BIM模型进行规范化与轻量化整理，形成有组织、有层级的实体化数据模型。统一其构件编码规则，再结合具有弹性扩展特点的Web信息服务接口，最终实现以BIM图形信息为载体，Web多源数据为挂接的综合信息管理系统。

2 模型的剔除与聚类

模型的剔除与聚类，其核心目的就是为了减少BIM模型对电脑硬件的依赖，实现多类型终端的快速浏览，从而增加模型的应用范围。BIM模型要实现与Web信息服务的有机结合，必然要对BIM进行轻量化处理，在保证模型核心要素完整的前提下，降低数据量的大小，实现模型能在互联网中的快速呈现与渲染。剔除主要分为三个方面：一，对三维网格图形的删减剔除，降低模型的精度，减少图形数据的尺寸； 二，通过剔除模型中非关键属性和绑定的非必要数据，降低模型中属性数据的大小； 三，结合聚类的特性，将同质构件与族库统一管理，避免相同构件多次转换与存储。

2.1 图形剔除

BIM数据中元素的基本图元有点、单元、线、面和体等，配合一定的三维表达，如旋转、倒角和参数等，来呈现各种体，表达复杂的三维实体。但是对于浏览器来说，不具备建模软件强大的计算能力，三维数据会被离散化处理，则以统一的Mesh来表达。在模型轻量化处理中，需在数据转换损失与运行效率之间寻找平衡点，采用不同的显示等级。可利用八叉树的三角片等值面消减算法，在尽量不影响模型外观的情况下，可以大大降低三角片数量，如图1所示。

图1 图形的消减

接下来再进行部分精度降低，如将Double转换为Float型的数据结构，可大大减少模型的存储量，满足网络快速加载，提升三维引擎的渲染性能[11]。

2.2 属性的剔除和分离

BIM模型和属性形影相依，各种属性系统是构建信息模型的基础。但对于Web服务来说，属性的赋值和加载并不需要和模型数据保持统一的加载顺序和节奏，可利用Web自由通信和易于扩展的特点，实现数据的按需获取与加载。通过对非关键信息的剔除和分离，既可以减少模型的大小，也可以提升模型的加载与渲染能力。同时，利用Web系统的互操作性，按需匹配属性，使业务过程能够动态、灵活地变换，并支持业务的任意拓展。

BIM模型的属性剔除是对属性数据进行抽稀分离存储，然后再利用Web服务进行后赋值，如图2所示。

图2 属性的剔除与分离

对模型属性数据进行分离，存储于云端，通过标识进行关联，既不影响构件的属性特征，还可以按需获取，按场景获取，这样既灵活也不降低效率。

2.3 构件的聚类

通过简化BIM模型能够大量减少模型数据大小，但BIM模型构件有众多同质化的特点，很多楼层都是统一的标准层，且也存在大量构件复用，除个别属性不一样之外，其他特性都基本一致。可以将同一个族中的相似对象进行抽象归类，把相异部分进行解析和分离，对相同的构件只需要保存一个标准构件的图形元素，其他构件只需要保留少量差异化的数据，可以大大减少模型构件的数量存储，降低模型的大小，模型在网络中加载速度又会进一步得到提升。

3 归类编码与唯一标识

建立BIM构件编码体系是建立以BIM为载体，实现与其他信息进行交互和搭接的基础，其可以关联物料编码、清单编码等信息。通过统一的构件编码对应一个或多个物料编码、清单编码等，从而实现以构件单体为中心，其他信息为扩展的编码组织方式。

传统的编码是基于表格数据库的方式，BIM的构件编码体系是基于BIM数据模型，由BIM模型作为编码的载体，即所有编码都能找到物理模型对象，这样的编码体系会使编码数据库更清晰完整，且更有利于开展对数据库的应用，如图3所示。

图3 构件编码

为了更有利于构件编码的应用和实施，构件编码可结合国标清单项目编码的基础上进行优化。主要的优化原则是把原来清单中不算或者通过套定额算的量重新拆分出构件子项并找到对应的模型构件。

4 数据的组织与集成

4.1 数据组织

基于Web服务的BIM模型需以层级单位进行元素管理，将图形元素进行边界检测，实现有效的空间切割，形成模型子元素，也可以称作瓦片(Tiles)[12]，如图4所示。一个层级可以包含多个文件及种文件类型，一个文件又可以包含多个子层级，再通过瓦片的参考边界和节点关系，来组成总装文件。对于非空间图形信息，同样以层级单位进行要素管理，一个层级只能包含一种数据类型的要素，多种类型数据要素，需分离出子层。介于BIM数据可以多级深度参考，为确保数据被提取分散到最低层级，同时保证转换后层级关系正确，因此需要建立起图层—图层、参考文件—要素集、总装文件—文件方面的映射。

图4 数据的组织

4.2 数据存储

BIM模型将几何与属性存储于同一文件，而利用Web服务后，可根据BIM数据的特性，将结构化与非结构化的数据采用不同的存储策略。例如图形、材质等非结构化文件存储在文件系统中，按照加载顺序进行分割，实现分布和梯度加载，对于结构化的属性数据，采用关系数据库存储方式进行存储，并建立相应的索引，实现快速检索和查询，并支持动态的更新。将两种数据形式，通过对应的编码规则产生关联，最终将大型BIM数据，转变成一个可分布式存储和灵活扩展的数据管理方式。

4.3 BIM信息服务的集成

通过唯一的信息标识，建立Web信息服务与建模软件、轻量化模型一一关联，实现信息的实时获取与热拔插，把相关的信息服务转变为可替换的零件单元，根据用户场景不同。设计者与相关人员在BIM建模软件和轻量化端，可以根据角色特性，自由切换，改变当前模型关联的业务范围与状态，从而实现BIM上的关联信息有序扩展，其业务模型如图5所示。

图5 与信息服务的集成

通过Web信息服务与BIM模型建立关联，可以将各方人员统一起来，保证数据的完整性和可扩展性，且能将BIM应用延伸到更加广泛的范畴，发挥BIM的更大价值。

5 结语

Web服务与BIM模型是BIM应用的重要方向，大大扩展了BIM的应用范围。因此，很多BIM平台商都推出满足Web端、移动端运行的系统，如Autodesk的Forge，广联达的BIMface，即通过解析和重建BIM模型，加快模型在网页端和移动端的运行效率。但要实现BIM与Web深度数据融合与信息交流，依然需要BIM从业人员与各个系统进行长远及大量的实践与信息对接。