BIM全生命周期管理平台三维引擎选型研究

张佩竹 青 舟 付功云

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

BIM的发展经历了方案展示、BIM建模及应用两个阶段后，逐步向基于BIM平台的信息化管理模式升级，“模型是基础，管理是核心”的理念成为BIM应用的主流方向[1-2]。

工程建设过程中，在设计、施工、运维中各个阶段，对于信息连接、可视化管理、信息化管理均有较强需求。为更好管理工程建设全过程，引入BIM平台实现数字孪生、智慧工地、智慧建造、智慧运维等应用很有必要[3]。

全生命周期管理平台是BIM应用的重要一环，三维引擎是BIM平台的核心，结合某BIM全生命周期管理平台的研发与项目实施案例，以选择适合的三维引擎[4]。

1 三维引擎概述

随着计算机可视化技术的发展，用户对B/S访问模式调用本地显卡硬件资源实时渲染及承载复杂场景体量提出更高要求。传统三维底层图形技术采用OpenGL或DirectX程序编程接口(API)制作与应用三维模型[5-6]，存在场景设计与操作繁琐、复杂场景程序编制不友好、建模工具编写封装困难、关键技术(如LOD分层加载、动态实时计算并裁剪)缺乏等问题，导致BIM平台研发与应用过程中人力投入大、开发周期长、维护困难[7-8]。

在传统三维底层图形技术的基础上，封装硬件操作与三维图形算法，形成普遍意义上的三维引擎，提供给开发者一个简单易用、功能丰富的三维图形环境，在三维引擎基础上进行虚拟现实、三维交互、BIM可视化管理平台二次开发等，极大提高开发效率、提升稳定性并减少底层技术研发费用投入。

BIM全生命周期管理平台三维引擎需封装ATI与NVIDIA显卡芯片操作、OpenGL或DirectX编程接口，形成具有系统模块、底层渲染模块、控制台模块、数据存储模块、网络模块的三维引擎开发包，输出API函数接口与插件，以供开发者进行三维应用扩展开发[9]。三维引擎技术架构见图1。

图1 三维引擎技术架构

2 三维引擎选型的重要性

Information和Modeling(Management)是BIM全生命周期管理平台的灵魂[10]，可理解为三维模型作为信息载体，实现信息化管理平台过程数据三维可视化展现，其中以三维模型作为载体是与其他二维信息化管理平台的最大区别。

BIM平台要实现多专业、多角色、一体化的三维可视化管理，关键在于其三维引擎能够承载大体量、多专业三维模型，并且能够流畅操作访问。如果选择的三维引擎无法承载或无法流畅操作，则BIM平台无法应用于实际工程建设管理。以轨道交通工程为例，长度为20 km的轨道交通工程，其BIM平台需承载三维模型体量约为33 GB，承载体量计算见表1。

表1 20 km轨道交通工程BIM平台承载体量

不难看出，BIM平台产品化研发，关键在于三维引擎自身拥有实现大量与工程信息化管理业务结合的接口，且具有较高的二次开发自由度。如果选择的三维引擎功能接口暴露少，硬件支持不够，那么即使BIM平台功能齐全、二次开发团队能力强、界面布局美观， 也难以实现既定目标。

3 三维引擎选型

《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》指出，十三五时期，全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术集成应用能力[11]。BIM全生命周期管理平台三维引擎选型需响应政策要求与顺应技术发展的趋势。三维引擎能够满足BIM与物联网、移动APP、云计算、GIS等技术结合应用，并适应Windows、MacOS、Linux、IOS、Android操作系统及各种浏览器多端应用。

通过三维引擎适应性比较可以看出，基于OpenGL的三维底层图形技术开发包应契合BIM平台需求，初步满足多种操作系统、移动端应用、基于三维模型的管理应用的需求。适应性比较见表2。

表2 主流底层图形技术适应性比较

采用主流三维引擎平台产品进行二次开发，如Dassault HOOPS、Skyline Globe、SuperMap GIS、ArcGIS Platform、BE BIM Cloud等，而随着技术进步，基于先进的WebGL三维引擎研发逐步成为技术发展趋势。

ActiveX控件应用模式为采用Web对象的链接与嵌入、OpenGL提供底层图形库，通过在Web浏览器中安装控件的方式实现三维展示与管理。

WebGL(Web Graphics Library)3D绘图协议随着计算机技术的发展而进步，OpenGL三维图形API子集OpenGL ES (OpenGL for Embedded Systems)针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计，通过增加OpenGL ES 2.0 JavaScript绑定派生而出。WebGL可为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，程序开发人员可以通过WebGL调用系统显卡在浏览器中展示与应用3D模型场景[12]。

ActiveX控件与WebGL三维引擎均可用于BIM平台开发，其主要技术要素如下[13]。

(1)驱动性：基于三维引擎研发BIM平台，驱动软硬件实现应用。

(2)完整性：能够完整实现BIM应用的功能函数。

(3)独立性：三维引擎不依赖于应用而独立存在。

(4)高隐藏性：复杂的底层算法隐藏在容易确定的代码中，只暴露简单的接口。

(5)可扩展性：三维引擎技术架构具有良好层次，对象与资源模块化，易于二次开发。

(6)发展趋势：符合互联网+、移动APP、云计算与GIS结合等技术应用发展趋势。

(7)环境配置：对操作系统、浏览器具有高适应性，无需配置复杂的三维场景环境。

(8)稳定性：运行稳定，不出现三维场景环境崩溃的情况。

(9)应用前景：开发完成后在其他项目是否可以长期延用。

(10)三维效果：渲染能力强、色彩丰富、场景逼真、粒子效果占用资源小等。

(11)模型承载：对大体量模型能够轻量化转换承载，展示效果好，并且能够流畅操作。

综合以上技术要求进行比选，从ActiveX控件模式与WebGL中选择适合BIM全生命周期管理平台开发的三维引擎[14]，比选结果见表3。

由表3可知，在驱动性、可扩展性、发展趋势、环境配置、稳定性、应用前景上，WebGL均优于ActiveX控件；在完整性、独立性、高隐藏性、模型承载方面则相差无几；在三维效果上，虽然WebGL略低于ActiveX控件，但是WebGL处于起步阶段的高速发展期，预计短期就可以超越ActiveX。

表3 ActiveX与WebGL比选

WebGL三维引擎无需安装控件，可直接在Windows、IOS、Android等操作系统中使用，支持IE 11.0、Google Chrome 36.0、Firefox 36.0、Opera 22.0、IOS Safari 8.0及以上版本。

WebGL三维引擎具有广泛的适应性，无需重复开发，便于管理，具有统一、标准、跨平台接口。综上，WebGL是目前BIM全生命周期管理平台三维引擎最佳选择。

4 基于WebGL三维引擎的BIM平台技术架构

基于WebGL三维引擎的BIM全生命周期管理平台，采用4层架构，包含数据层、服务层、展示层及访问层[15]，见图2。

图2 基于WebGL三维引擎BIM平台架构

数据层基于IFC国际标准，将模型存储、数据库信息录入BIM平台，文件存储采用MongoDB、关系型数据采用MySQL或Oracle、高速缓存及大数据吞吐采用Redis。

服务层包含基础服务、扩展服务、配置管理及运行环境配置。

展示层基于WebGL三维引擎实现基础功能，场景管理、漫游交互、影像工具、地形工具、视点工具、测量、剖切等。在基础功能上结合业务需求，实现设计阶段的成果协同与可视化交互，施工阶段的安全、进度、质量、成本管理等应用，运维阶段的资产数据库、维护管理、物资管理、应急管理、调度管理、知识库建设等应用。

访问层支持在Windows、Linux、MacOS、IOS、Android等操作系统中使用IE、Chrome、Firefox、Safari、360、QQ。

5 应用案例

深茂铁路是国家铁路网建设“十二五”规划的一条重要铁路干线，建成后将与广茂线一起构成广东西部与珠江三角洲的快速客货运干线，成为我国沿海铁路大动脉的重要组成部分。越珠江口隧道工程是深茂铁路二期的控制性工程，该工程项目具有以下特点：①建设规模大，隧道长约13km，是目前国内最长的铁路水下隧道；②环境条件复杂，沿线港口、码头密集，航道等级高；③地质条件复杂，河床水深变化大、地质条件复杂多变；④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进行可视化管理。

深茂铁路越珠江口隧道项目BIM应用主要为建立标准模型，基于WebGL三维引擎的BIM全生命周期管理平台，实现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。

BIM全生命周期管理平台施工阶段功能已经处于上线实施阶段，BIM模型结合GIS构建模型，作为整个BIM项目的基础。通过对模型的开发运用，分别从盾构监控、进度管理、风险源展示、监控量测、隐患管理、视频监控、地质剖切、预警处置、台账报表、VR展示等方面对深茂铁路越珠江口隧道进行可视化管理。BIM全生命周期管理平台在深茂铁路越珠江口隧道项目施工阶段应用效果见图3、图4。

图3 BIM平台集成盾构机数据三维可视化管理

图4 BIM平台关联监测信息分析预警

6 结语

通过深茂铁路越珠江口隧道BIM全生命周期管理平台的应用，检验了WebGL引擎性能、应用开发接口、管理模式、承载能力等功能，可满足BIM平台应用需求。不难看出，WebGL三维引擎是一款适应技术趋势、移动应用方向、具有广泛的适应性的三维引擎。