基于WebGL三维引擎的轨道交通工程BIM+GIS平台研究

杨 吉吉 付功云 袁文祥 王震宇 王恰时

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

引言

轨道交通工程涉及车站、隧道、桥梁等子工程[1]，建设过程中存在不良地质条件、风险源众多等复杂工况，传统信息化管理存在信息孤岛、不直观等问题，往往形成信息化管理与现场管理“两张皮”现象[2]。

根据当前BIM和GIS技术水平、软硬件水平及5G等新技术应用，以立足当前展望未来为原则，科学、有前瞻性预测，轨道交通工程从二维信息化管理向三维可视化管理升级是技术发展和复杂工况工程管理需求的必然趋势。

轨道交通工程中利用BIM+GIS技术进行平台技术架构已经成为当前主流的技术趋势。从BIM与GIS的基础特性分析，BIM侧重于内向微观领域，GIS侧重于外向宏观领域。BIM与GIS结合应用，不仅发挥了各自优势特点又对微观与宏观结合应用进行探索，使轨道交通工程规划、设计、施工、运营维护管理全生命周期的三维可视化管理更加合理、高效[3]。

目前BIM与GIS融合，主要研究软件交互层次领域及数据信息模式领域[4]。软件交互层次为BIM与GIS软件兼容文件方式及集成软件接口应用获取数据信息。如ArcGIS应用数据拓展模块可以对BIM/IFC格式数据进行支撑，Autodesk InfraWorks支持CityGML、IFC等不同类型的文件格式结合数据库已有数据信息整合并构建基本信息模型。此种BIM与GIS融合方法需业主单位及实施单位采购昂贵的专业软件，同时需软件厂商提供系统集成技术支持且业主单位自身具备二次开发能力，局限性高、推广性低； 数据信息模式通过几何及数据文字信息差异性构建的信息模型，此种BIM与GIS融合方法需实施单位具备底层数据模型分析与工具软件研发能力，同时需大量人力来进行实施工作，产品化及自动化程度均不高，已有成果无法直接应用于其他项目。

软硬件集成技术成熟，如API接口、Web Service消息推送、共享数据库、硬件SDK二次开发包等，可以将互不关联的平台、不同语言、不同硬件进行数据交换与集成，为BIM+GIS平台信息共建、共享、集成提供解决方案。

目前市场主流商业系统BIM平台，一种采用ActiveX控件模式，存在只能应用于IE浏览器、需配置复杂环境、易崩溃、易闪屏、移动端需使用新框架重新开发等问题，技术路线不适应未来发展方向； 一种采用WebGL引擎无GIS系统模式，该模式只能应用于点工程如房建单体工程，而轨道交通工程是车站、隧道、桥梁等单体工程、线路线性工程、多条线路组成的线网工程，不仅需要宏观的整体管控，还需要单体微观精细化管控，需采用BIM+GIS技术架构实现轨道交通工程宏观与微观的融合可视化管理。

本文将基于WebGL三维引擎，探索BIM+GIS平台技术架构，利用WebGL作为容器构建出建筑、结构、风水电、设备、地质、环境等模型数据信息与地理信息相结合的轨道交通工程BIM+GIS三维交互平台，对BIM+GIS数据信息集成及可视化分析，辅助轨道交通工程全生命周期管理及决策[5]。

1 基于WebGL容器 BIM+GIS 数据集成原理

新一代基于Web的3D图形引擎WebGL自2006年诞生到2017年逐步完善，WebGL(Web Graphics Library)是一种3D绘图协议，OpenGL ES 2.0与JavaScript绑定，可通过HTML5 Canvas调用显卡硬件实现3D加速渲染，直接在浏览器中实现3D场景、3D模型、3D结构定位导航的流畅访问与操作。基于WebGL容器可实现BIM+GIS平台三维可视化应用及数据融合。

WebGL充当固定容器承载GIS数据，在此基础上利用BIMServer Web Service 接口加载调取BIM信息模型，从而将BIM与GIS信息模型在WebGL三维引擎中实时渲染展示并输出管理应用。

BIM由IFC及相应数据端口构成[6]，BIM模型依据IFC标准建模及输入数据信息，依照等级层次进行不同级别构建，相应数据信息表纳入对应数据库，Web Service接口基于Web Upload方式将BIM模型及数据信息传输到BIM平台，集成轨道交通工程区域的高程及影像数据，BIM信息模型与GIS数据整合共同构成BIM+GIS平台。

高程及影像数据由天地图、百度地图、高德地图、Google Map等服务器接口获取，采用WebGL容器将几何模型、模型承载信息、高程及影像数据融合，将多细节层次的相关数据及模型所在的WGS84坐标数据信息、轨道交通工程参数，通过模型与数据分层LOD加载方式实现流畅浏览与管理操作，提高BIM+GIS融合顺通性。

2 基于WebGL容器BIM+GIS平台实现方法

2.1 几何可视化

基于WebGL Primitive实体对象，对具有顶点属性和定义图元的几何图形，通过geometry类将描述阴影的几何图形和外观分配给图元实现可视化，通过appearance类使用材质定义着色，两者结合增强可视化效果。

轨道交通工程地铁车站按照IFC标准建模，使用模型轻量化工具转换并上传到基于WebGL容器的BIM+GIS平台，在BIM+GIS平台中地铁车站构件通过geometry类、appearance类实现几何模型的可视化，如图1所示。

图1 基于IFC标准的地铁车站几何可视化模型

2.2 模型渲染

BIM+GIS平台模型与信息展示需要外形美观又能准确表达，基于WebGL三维引擎能够在浏览器中制作Web三维交互场景、驱动Html 脚本JavaScript程序，充分利用显卡等底层图形加速硬件来进行三维模型渲染。

渲染流程为构建WebGL环境、更新场景Scene与相机Camera的世界坐标变换矩阵、渲染对象投影变换、渲染背景、渲染场景、输出渲染结果，如图2所示[7]。

图2 WebGL三维引擎渲染流程

WebGL三维引擎通过解析数据和着色器阵列来进行绘制、渲染三维场景。BIM+GIS平台渲染效果如图3所示。

图3 盾构区间风险源WebGL引擎三维场景渲染

2.3 信息检索

BIM+GIS平台主要包含轨道交通工程BIM模型信息数据及GIS地理信息数据。BIM具有微观特性，轨道交通工程中主要有车站、隧道、桥梁、轨道、设备等，通过IFC标准700多个实体对象进行解析，按照层级构成构件树索引表，如层级一工程定义如IFCProject、IFCSite，层级二构建筑物轮廓如IFCWall，层级三内部构建筑物如IFCWindow等，IFC标准的模型导入BIM+GIS平台，形成如图4所示，可以在该构件树中按照层级查找并定位信息模型； GIS具有宏观特性，主要有高程数据、影像图片，通过WGS84坐标体系支撑索引与信息查询[8]。

图4 BIM+GIS平台BIM构件树索引

BIM微观与GIS宏观特性差别，表达方式不同，如图5所示，因此信息检索也存在构件树导航、坐标体系索引、信息查询等不同方式[9]。

图5 BIM与GIS特性不同表达方式

3 系统设计与研发

3.1 BIM+GIS平台技术架构

基于WebGL三维引擎B/S框架进行BIM+GIS平台技术架构设计，采用三层技术架构，包含数据层、服务层与应用层[10，11]，如图6所示。

图6 BIM+GIS平台技术架构

表1 主要工具及框架选型表

(1)数据层

数据层为BIM+GIS平台底层支持，对数据进行人工录入、移动APP录入、系统集成接入、数据清洗、数据分析应用等，非线性文件数据库采用MongoDB、线性数据库采用MySQL，通过JDBC提供Java API，供Java开发使用，对文件采用HDFS分布式存储。

(2)服务层

服务层提供BIM+GIS平台前端应用所需底层框架技术接口，采用符合技术发展方向的三维引擎 WebGL，使用JavaScript编写，支持浏览器利用底层图形加速硬件进行图形渲染，可创建三维场景，包括了摄影机、光影、材质等，基于WebGL三维引擎实现B/S模式访问、移动端访问，可广泛应用于铁路、地铁等轨道交通工程建设施工阶段。同时服务层集成瓦片数据服务、工作流、前端框架等，结合线下的坐标转换、BIM模型转换导入、数据导入等工具，实现BIM+GIS平台底层驱动及数据转换融合。

(3)应用层

应用层直接面向用户实现工程管理与信息展示，采用Html5、JavaScript、WebGL等技术实现移动端(Android、IOS)及PC(Windows、Linux、MacOS)Web端访问与维护。

3.2 研发工具及框架选型

研发工具包含工具软件、平台框架等两大类，总体选型原则为免费、开源为主，自主研发、商业软件为辅。BIM+GIS平台底层采用Java编程、前端采用Vue.js框架、中间工具采用C#编程、移动端采用H5与源生框架，依据BIM+GIS平台三层技术架构展开说明，具体如表1所示。

4 技术局限性的解决方案概述

以WebGL作为轨道交通工程BIM+GIS平台三维引擎底层支撑，存在一定的技术局限性。

(1)浏览器内存限制

本平台以Google Chrome为主要浏览器，Google Chrome限制了所能使用的内存极限，其中64位为1.4GB、32位为1.0GB。一条20公里的轨道交通工程场景原始BIM模型大小可达到10G以上，浏览器内存限制导致大场景加载存在局限[12]。

目前采用模型轻量化、LOD分层加载减少内存资源占用，在浏览器内存机制内进行优化。而问题的根本在于解决Google Chrome JavaScript V8引擎的机制问题，基于BIM+GIS平台底层研发内存释放回收机制，或者依赖于 JavaScript V8引擎的升级。

(2)网速及流量限制

BIM+GIS平台，PC端10M带宽、移动端4G即可流畅访问，但是移动端每次访问流量耗费300Mb以上，对于目前移动端流量超限后降速到3G或2G来说，存在移动端应用局限。

BIM+GIS平台BIM模型是信息承载与应用的基础，可提高轻量化比例、使用LOD分层加载模式减少加载、采用Vue.js前端框架不重复加载等方式减少移动端流量使用，而根本解决方案为移动5G技术的普及应用。

图7 基于BIM+GIS平台盾构管理模块

(3)轻量化限制

BIM模型轻量化主要技术为参数化几何描述转换与相似性图元合并[13]，由于轨道交通工程涉及车站、隧道、桥梁、设备等多种类型模型。其中隧道模型相似性图元多，如隧道管片可以用一般管片与楔形管片两种图元代替，多个空间位置重复引用，轻量化比例能达到1： 120以上。而施工设备如盾构机，曲面多、结构复杂、相似图元少、减面比例低，轻量化比例一般只能达到1： 20左右。

可通过研究WBS、EBS、CBS等多码合一体系加强相似图元提取与引用提高轻量化比例，解决轻量化瓶颈的根本方法同样为5G技术的普及应用。

5 轨道交通工程应用

基于BIM+GIS平台，集成轨道交通工程BIM设计模型成果、安全监控设备数据、施工设备数据、人工施工报表、施工日志、监理日志、运维设备数据及移动APP录入数据等[14]，以全生命周期管理理念实现轨道交通工程BIM+GIS平台应用。设计阶段BIM成果协同与导入BIM+GIS平台，实现方案展示、线路比选、技术交底等应用； 施工阶段集成多方数据，实现安全、进度、质量、成本管理等应用； 运营维护集成多方设备与维护流程，实现资产数据库、资产维护、知识库建设等应用。

图8 基于BIM+GIS平台监控量测模块

以某轨道交通工程海底盾构隧道工程为例，该工程建设规模大，海底隧道长13km，是目前国内最长的铁路水下隧道； 环境条件复杂，沿线港口、码头密集，航道等级高； 河床水深变化大、地质条件复杂多变； 技术难度大，无论采用什么工法修建，技术上都存在很大的难度。为解决工程中的风险，引入BIM+GIS平台进行施工过程可视化管理，实现基于BIM信息化集成支撑的动态盾构安全风险管理为目标的海底隧道环境的可视化展现、施工现场的安全风险管控、指导施工等。

基于BIM+GIS平台系统集成盾构机数据、摄像头监控数据、智能监测数据(沉降、变形、位移、应力、压力、地下水位等)[15]，提供人工监测报表数据导入接口，巡检接口。通过二三维关联定位，三维方式展示，进行分析预警，发起处置流程。

海底盾构隧道施工BIM+GIS平台安全管控模块应用如图7基于BIM+GIS平台盾构管理模块、图8 基于BIM+GIS平台监控量测模块。目前海底盾构隧道施工BIM+GIS平台应用已通过专家评审验收，验收意见为“满足应用需求、技术先进、成果完善、具有普遍推广价值”。平台应用过程中，三维可视化交底，提高效率，节约工期72天； 准确定位岩溶，节省岩溶处置材料5%，约为1 150万元。平台应用大大降低掘进误差、岩溶特大风险源引起的轨道交通工程盾构机陷落等导致10亿多项目成为废弃工程的风险。

我方研发的BIM+GIS平台，相较于其他商业系统，拥有技术领先的优势，主要体现在先进WebGL三维引擎实践应用、轻量化比例高、支持主流BIM建模软件IFC标准导入、二三维通用关联工具解决二维向三维管理升级的关键瓶颈。BIM+GIS平台在研发与实践应用过程中，已取得7项软件著作权、已申报11项发明专利。

6 结语

BIM+GIS交融平台实现地理数据信息为骨架整合BIM信息模型，基于宏观领域与微观领域共同分析处理，更全面、直观地实现轨道交通工程三维可视化分析与管理。轨道交通线网工程特质与WebGL三维引擎先进性，未来基于WebGL三维引擎BIM+GIS平台应用将成为轨道交通工程BIM应用的主流方向。

本文所提出理论均已在工程中实践通过，存在多个技术完善方向，如轻量化、大场景加载、空间坐标体系转换、多码合一等，未来我们将继续针对存在的问题进一步完善。