BIM技術在施工現場中的輕量化移動端應用研究

于飛 孟輝 趙靜卓

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730030）

1 研究背景

公路建設過程中信息化、智能化、數字化手段不斷推陳出新，BIM （Building Information Modeling）技術作為新一代信息技術，正在不斷解決工程建設中的難題。在當前的公路工程建設中，根據分散割裂的設計圖紙對大型復雜結構施工存在較大挑戰和風險，尤其對于復雜混合橋梁，急需一種提前預演和專家指導的施工手段來滿足日益復雜的施工方案。隨著BIM建模與GIS技術的深度融合，便攜式移動設備5G布網和硬件性能不斷發展，足以支撐較大體量模型的渲染加載和網絡數據請求性能。同時，用戶體驗需求和3D虛擬現實技術興起，各行業呈現出從靜態、不能交互的模型展示轉向動態、實時交互的發展趨勢[1]。移動設備在工廠、工地以三維可視化角度對單點施工細節全過程預演、標識和評價，具備較大的應用價值。目前，各專業設計模型無論在方案匯報還是施工模擬時都需要安裝專業建模軟件，嚴重阻礙了設計意圖的展示和信息傳遞，探索實現模型輕量化展示和移動應用極為迫切和必要。

2 研究現狀及存在的主要問題

提升項目建設質量，減少項目變更和成本，縮短項目周期。BIM技術在建筑、交通行業取得了大量應用成果，尤其在綜合管廊、協同設計、施工交底、地形勘測、復雜結構設計等方面的應用水平較高。

BIM技術應用的前提是建造模型，模型是承載信息的母體。當前建模技術日漸成熟，模型的精度質量主要受制于建模軟件或人員水平，存在的問題是不同建模軟件文件底層結構尚不公開，不同模型文件格式轉換可能出現丟失數據，方案交底或模型交付時需安裝專業軟件且過程繁冗。

公路工程的特點是線性帶狀結構，構造物形式多樣，結構復雜，模型體量較大成為制約模型縱向發揮價值的最大瓶頸。實際工程施工過程中，技術人員通常使用大量的二維施工圖紙指揮工人施工，由于現場條件不足或技術人員能力有限，對于復雜工序整體把握程度不高，同時，施工隊的理解也會存在偏差，容易失誤，導致工期延緩，成本增加，甚至造成事故。而危大工程專項施工對于專家論證的施工方案缺乏精確的表述手段，實際施工中多存在明顯誤差。

針對傳統對照圖紙施工手段的不足，本文研究基于BIM和互聯網技術，提供一種施工現場使用的移動App動態可視化輔助施工手段，同時提供云端圖紙快速查詢、專家方案預演等現場應用。

BIM技術是基于現代信息技術和計算機技術發展融合而成的建筑信息應用技術，被稱為繼CAD之后的第二次設計革命。其利用數字技術存儲和傳遞建筑結構和構造特征，以3D模式直觀表述，實現工程項目整個生命周期內包括勘探、設計、施工、建設管理等全過程信息傳遞共享和各專業、各參與方的工作協同，是對建筑物構造和功能特性的數字化表達，能全面可視化仿真與模擬分析。在項目應用中，可

3 施工模擬方案及實現

本文以WebGL (Web Graphics Library)技術為核心，基于C/S模式實現設計模型、傾斜攝影模型、地形影像、施工模擬文件、施工圖的服務器端存儲和移動客戶端輕量化展示。WebGL是一種3D繪圖協議，能在瀏覽器端渲染復雜三維圖形，并提供用戶交互技術[2]。服務端將模型文件等按照項目管理開發模式進行文件存儲，在移動端App完成模型數據的同步和加載，能實現工程構造物模型的全景旋轉、隔離顯示、放大縮小等自由瀏覽和查閱構件屬性功能。在全景模型的重點部位，以特殊標注表明存在精細施工工序模擬，點擊后可展示詳細的施工過程模擬、單部件的拆分描述及重難點事項標注，見圖1。通過模型構件的自定義屬性和編碼規則，實現服務器端圖紙的調取和本地瀏覽功能。移動端根據實際需要能獲取存儲在服務端的傾斜攝影地形模型，及時比對構件模型與地形的結合情況，確定位置結構是否準確，施工是否存在偏差等。

圖1 施工全景模型及重難點施工標注

3.1 數據處理

本文基于Bentley系列建模軟件，根據施工圖紙進行建模，使用超圖iDesktop桌面處理軟件將模型的DGN格式轉為可擴展的空間三維模型數據格式S3M (Spatial 3D Model)。S3M數據格式適用于空間三維模型數據的傳輸、交換與共享，有助于解決多源空間三維模型數據在不同終端（移動設備、瀏覽器、桌面電腦）地理信息平臺中的存儲、高效可視化、共享與互操作等難題[3]。Bentley建模軟件輸出的文件是.dgn格式，在瀏覽器或其他軟件中無法直接打開。解決方案是通過格式轉換插件將.dgn文件轉為iDesktop的文件型數據源.udd/udb格式（見圖2），該文件格式能在idesktop進行模型編輯、坐標系轉化、模型屬性字段賦值等操作，最終生成.S3M格式的場景緩存文件。所有模型文件以工作空間形式由超圖iServer發布成REST網絡服務資源接口，供移動客戶端調用。

圖2 dgn格式轉udd/udb格式插件

3.2 模型渲染

基于WebGL的Three.js庫，能實現場景可視化瀏覽、交互操作和地理信息管理等。Three.js框架是WebGL技術的一種實現方法，是采用Javascript腳本編寫而成的開源框架，具有代碼體積小、加載速度快、方便使用的特點[4]。移動端APP內嵌瀏覽器方式引入Three.js庫及超圖封裝的Cesium.js庫，通過HTML5的Canvas標簽進行渲染，實現BIM模型可視化場景和模型的空間展示，Canvas元素用于創建圖形和動畫，其在一定范圍內減少了插件的使用，提高了瀏覽器運行效率[5]，能對模型進行旋轉、平移、縮放、剖切和自由放置等交互操作。傾斜攝影模型是公路工程BIM應用最廣泛的技術之一，能同時以多鏡頭從前后左右下多方位、多角度采集地形圖片影像，獲取地面物體更完整準確的信息，通過Context Capture等軟件進行近似性三角形運算而生成三維地理模型。工程構造物模型與傾斜攝影模型在統一地理坐標下能準確定位，調用資源接口完成渲染，見圖3。

圖3 移動端橋梁模型與傾斜攝影實景

3.3 工點模擬

對于存在施工模擬的構件組進行專題圖標注，在施工模型中能實現全景視圖的透視和局部精細放大（見圖4），點擊后可調用提前存儲在服務器端的施工模擬動畫。移動端App先調用Cesuim.js庫進行場景、視角配置，引入基于Three.js庫的gltf （The GL Transmission Format）格式控件動態模擬施工過程，GLTF控件能控制圖層、步驟、動畫速度、光照、背景，動態放置構件，調用工點地質模型，從而分析預演施工注意事項和提前掌控環境影響因素，見圖5。點擊構件能查詢構件的幾何信息、材料信息及自定義施工日志等，同時所有構件都關聯了云端的設計圖紙，可及時查閱與構件相關設計圖紙、數量造價、施工說明等信息。

圖4 橋塔橫梁預應力鋼束與鋼牛腿細節圖

圖5 施工動態模擬

4 結論與展望

BIM技術能解決工程設計、建設、管理、養護全過程的信息傳遞。基于Bentley軟件和超圖GIS處理軟件，實現了模型數據處理和REST接口資源發布，緩存形式的模型、地形影像等資源在移動端有很好的加載速度，一定程度解決了數據格式傳輸和資源發布的難題。基于WebGL的輕量化庫無需安裝建模軟件就能實現工地現場三維動態模擬施工，以three.js為核心gltf庫能動態模擬工點精細化步驟，使用便攜式移動設備就能實時、直觀、高效指導工人焊接、定點打樁、裝配式安裝、隧道開挖等復雜施工。以BIM模型、傾斜攝影實景模型、三維地質模型為參考預演施工過程，提供了風險評估的技術手段，大幅降低了施工風險和變更成本。