超大體量BIM模型的協同施工及信息共享平臺應用

向 前 黃瑞涵 凌 莉 陳智昊

中建三局第一建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430040

隨著信息化技術在國內的高速發展，以BIM為代表的現代技術在工程建設領域中的應用，掀起了工程管理信息化和智能化發展的熱潮，并取得了一定的進展。為實現建筑工業數字化、智能化升級，提高智能建造在工程建設中的應用，對以BIM技術為核心的協同管理、信息交互平臺的探索研究勢在必行，而對BIM平臺研究的首要問題是解決模型的輕量化處理，行業學者對該問題進行了相關的研究，趙菲[1]對基于B/S架構的BIM輕量化系統進行了總體設計和分析；馬金忠等[2]提出了幾種模型文件輕量化轉換的方法。但上述研究均未涉及針對大體量BIM模型的輕量化處理，而隨著建筑行業的發展，工程項目規模及復雜程度不斷提高，BIM模型體量大、構件多、專業廣，模型加載卡頓、功能使用不順暢，不能給予用戶良好的體驗，這成為制約BIM平臺推廣應用的關鍵因素。本文對超大體量BIM模型的輕量化處理進行了相關的研究，分析了超大體量BIM模型的輕量化處理技術，基于超大體量模型輕量化處理方案，自主研發了BIM協同管理平臺，并結合案例項目提出基于BIM的協同施工管理方法[3-4]。

1 基于BIM的協同管理及信息共享平臺概況

基于BIM的協同管理及信息共享平臺，是由中建三局第一建設工程有限責任公司自主研發的，目標是打通施工項目管理各個環節的數據共享和協同辦公。平臺基于B/S架構，以三維模型為基礎，從進度、質量、安全、成本、設計等方面對項目進行建設周期內的跟蹤和管控，提升項目生產效率、提高施工質量、控制施工進度和建設成本。

2 案例分析

2.1 工程概況

橫琴科學城（一期）租賃住房項目位于粵港澳大灣區建設合作示范區橫琴新區，占地面積32.2萬 m2，總建筑面積115.2萬 m2。項目采用EPC總承包管理模式，需提供設計、施工、運維階段BIM技術服務。建設方要求搭建基于BIM的協同管理平臺，打通項目設計、進度、成本、質量、安全等業務，實現各參建方的協同施工與信息共享，為行業向智能化、數字化轉型升級提供示范作用。

2.2 重難點分析

EPC總承包模式包括建設、設計、總承包、監理、咨詢等參建方約21家管理單位，涉及的管理流程復雜，EPC總承包管理難度大。

EPC合同模式包括設計、采購、施工內容，時間緊、工作內容多，施工后期涉及全專業穿插，對項目進度控制要求高。

EPC模式實行限額設計、總價包干。本項目建設規模大，建設周期內材料、設備及勞動力價格起伏大，涉及專業眾多，成本控制風險大，對項目成本管控提出更高要求。

本工程體量巨大，涉及專業廣，項目土建、機電、裝飾、幕墻等專業BIM模型達300 GiByte，實施本項目基于BIM的施工管理，需解決大體量模型輕量化處理及模型加載問題。

2.3 BIM協同平臺綜合應用

2.3.1 BIM協同平臺部署方式

針對橫琴科學城項目BIM服務周期長、數據安全可控的需求，確定BIM協同平臺采用私有化部署的方式，相比采購SAAS服務，私有化部署的優勢如下：

1）安全性更高，系統部署在本地，數據更安全可控。

2）可實現內外網隔離，通過局域網＋外網辦公發揮綜合優勢。系統部署單位內部，內部人員可以使用PC局域網連接，速度更快；手機用戶＋安全連接可實現外部訪問和單位內部互聯互通。

2.3.2 平臺服務器配置

BIM協同平臺部署分為3個部分，分別由4臺服務器承擔，服務器接入互聯網，光纖寬帶上下行速度為50 Mibit/s，服務器之間內部通過萬兆交換機連接。

1）Web Application Server，由1臺服務器承擔，磁盤有較好的讀寫性能，有獨立的公網IP地址，100 M光纖互聯網寬帶。

2）Application & BIM Server，由2臺服務器承擔，有較大內存、較高的磁盤讀寫性能；有高3D性能的GPU，主要用于模型輕量化處理和模型、圖紙查看服務以及API服務；有較大的磁盤空間。

3）Database Server，由1臺服務器承擔，用于運行MySQL數據庫，有較快的處理器速度和較高的磁盤讀寫性能。

2.3.3 BIM協同平臺應用準備

1）功能測試。協同平臺正式部署前，在測試環境對平臺基本功能進行了測試，結合項目管理流程對基本功能的線上操作流程進行修改和完善。

2）平臺信息上傳制度。為規范項目BIM協同平臺BIM信息資源上傳工作，提高信息資源上傳質量，確保安全、準確、及時，充分發揮BIM平臺在項目各參建方信息共享中的作用，結合項目實際情況，為項目制定了BIM平臺信息資源上傳制度。

3）權限分配。對各參建方進行了權限梳理分配，確保了各參建方在平臺中操作權限與項目實際角色功能的一致性。

4）業務操作培訓。為確保項目各參建方能熟悉掌握系統的使用及管理，確保各方在同一標準、同一平臺上使用BIM技術，開展了一系列的培訓服務，促進整個項目的BIM平臺實施能具體落實到各個參建方，從而提升項目整體的BIM協同平臺應用的質量。

2.3.4 超大體量BIM模型輕量化處理

BIM模型輕量化技術可以有效減少模型的體積，但隨著BIM技術的推廣發展，BIM協同涉及的專業越來越廣，設計、施工及運維BIM對模型精度提出了更高的要求，導致BIM模型體量越來越大。這些大體量的模型即便經過輕量化，在加載的時候也需要較長的時間和較多的資源，這對BIM模型輕量化技術是個巨大的挑戰。結合本項目情況，針對大模型輕量化在以下方面做了優化。

1）幾何結構優化。針對模型的幾何結構優化，采用了參數化幾何描述的方式。用關鍵參數來描述一個幾何體。例如：對于一個長方體，通過保存長方體的中心位置坐標，以及長方體的長、寬、高來進行記錄。通過參數化描述方式，用很少量的數據對模型的幾何信息進行保存，減少幾何信息的數據大小（圖1）。

圖1 參數化幾何描述

此外，在保存相似圖元時，只保留一個圖元的完整信息，其他的圖元只記錄完整圖元的引用及對應的位置坐標信息，通過對圖元信息的復用，進一步減少模型的幾何信息，提高輕量化的壓縮比（圖2）。

圖2 相似圖元復用

2）渲染處理優化。一般認為單次渲染量＝構件數量×構件精度。本平臺在渲染處理上采用了多重LOD，使用不同級別的幾何體來表示觀察對象，距離越遠，加載模型越粗糙，距離越近，加載模型越精細。基于此，可在不影響視覺效果的前提下，提高顯示效率，降低儲存成本。在視距較遠的情況下，構件數量多，構件精度較低，視距較近時，構件精度高，但構件數量少，通過此方式可控制單次渲染體量。

此外，根據視點對場景圖元建立空間索引，將非視點場景圖元進行遮擋剔除處理，并采用批量繪制，將需要合并的模型數據作為整體計算頂點、位置，去除重復幾何信息（如邊界、相對位置），提升渲染流暢度（圖3）。

圖3 視點場景構件遮擋示意

2.3.5 BIM協同平臺加載優化

除了在模型輕量化時針對大體量模型進行優化，在大體量模型加載時也從以下方面做了優化，進一步提高用戶在瀏覽大體量模型時的體驗。

1）模型分組。BIM協同平臺提供了模型分組管理的功能，管理員可按不同的專業和區域對模型進行分組（用戶在加載模型時，可按需加載顯示。每個用戶均可單獨設置模型瀏覽的偏好，互不影響，方便不同角色的人員快速定位瀏覽模型。

2）模型、業務數據單獨處理。系統將模型渲染的相關數據單獨管理，離開頁面時只釋放頁面相關的業務數據，模型相關數據保留在內存中。需要重新顯示模型時，快速從內存中調取出來恢復模型渲染。如此一來，用戶在進入BIM協同平臺后，只需加載一次模型，即可在不同的業務模塊進行切換，無需重新加載就可以立即顯示，大大提高了用戶體驗及操作的連貫性。

3）輕量化數據自動緩存。BIM協同平臺在加載模型后，用戶端會自動進行緩存，在模型數據未發生改變的情況下，再次瀏覽模型，從本地進行加載，可有效減少服務器寬帶資源的消耗，提高輕量化模型加載的速度（圖4）。

圖4 輕量化數據緩存

以本項目6 0 0 個測試模型文件為例，總體量為8.8 GiByte，優化前加載時長120 s，優化后加載時長縮短為55 s，縮短了54%的加載時間。

2.3.6 基于BIM協同平臺的總承包管理

1）進度管理。本項目基于BIM協同平臺的進度管理，由總承包方計劃工程師編制項目總進度計劃，上傳至平臺形成總控計劃，將計劃項與對應模型掛接，計劃工程師以周為單位在移動端和Web端填報計劃項的實際完成節點，并以項目規定的審批流，發送至監理單位對應責任人審批，審批通過后完成實際節點的填報。

根據計劃節點及實際完成時間，在平臺實現動態進度模擬，通過不同顏色塊反映工期超前、滯后的情況，并以周為單位在監理例會進行展示匯報，供各參建方了解、分析管理項目的實施進度。

此外，項目計劃部以周為單位對項目現場進行航拍，將航拍照片上傳至平臺，方便各參建方對現場形象進度有更清晰直觀的把握。

2）質量、安全管理。BIM平臺的質量、安全管理流程大致相同，流程如下：監理單位通過移動端對現場質量、安全缺陷問題進行采集記錄，拍照上傳平臺，選擇對應施工單位責任人發起整改流程，并將問題項與對應的模型構件掛接，方便管理人員精確掌控問題項的位置及詳情，施工單位責任人收到通知后進行問題整改，經監理單位復檢通過后閉合此問題整改流程。

此外，平臺支持任意時間段的質量、安全問題的篩選統計，通過統計分析表顯示待整改、待復查、閉合項等數據，用以展示項目的整體質量、安全狀態與趨勢，便于高層進行管理決策。

3）成本管理。本項目基于BIM的成本管理流程大致為：基于BIM模型算量、模型與算量數據關聯、模型與合同清單關聯、進度款計算及產值統計（圖5）。

圖5 成本管理流程示意

算量數據作為成本管理的基礎數據，為了確保基于BIM的算量結果能夠達到指導項目成本管控，實施思路如下：

① 整合平臺算量所需模型的屬性數據，調整建模數據標準。

② 基于上述建模數據標準，利用Revit二次開發算量插件，采用數模分離技術對測試模型進行全專業算量。

③ 將測試模型的BIM算量結果分專業與項目造價咨詢（廣聯達軟件）算量結果進行對比分析，調整BIM算量規則，控制與造價咨詢算量結果誤差不超過5%。

④ 按調整后的算量規則完成全專業模型算量。基于上述算量結果，將算量數據上傳至BIM平臺，并根據構件ID將算量數據與對應模型進行自動掛接。由商務人員將合同清單、人材價差調整數據導入平臺，完善支付規則、措施費等信息。基于進度模塊填報的實際完工量，綜合合同、簽證、變更等數據信息自動計算進度款、后續結算金額，并完成相應的進度產值統計（圖6）。

圖6 資金產值統計

4）設計管理。設計技術人員結合圖紙、三維模型，通過框選、批注、添加文字等形式標記設計問題，形成問題報告、表單、截圖，再通過設置的工作流發送給相應的設計人員，通過線上會議機制，對圖紙、模型進行在線校審，協同解決設計問題，并根據會議結果自動生成會議紀要（圖7）。

圖7 設計問題標注

5）文檔管理。通過單文件、批量文件方式，將模型、圖紙、文檔資料導入平臺，按類別、時間等不同維度進行分類管理，提供瀏覽、下載、創建、修改、刪除、權限設置6種顆細粒度的權限控制。

6）模型管理。將上傳的單項模型組合為基礎管理模型，基于此進行平臺各項功能管理，模型支持Web端和移動端的模型瀏覽、空間漫游、二三維聯動、三維剖切、縮放、旋轉、移動等操作，并可根據專業、樓層、構件等查看詳細屬性信息。

7）駕駛艙展示。將基于三維模型的進度可視化展示、質量安全問題統計、成本資金數據，在駕駛艙集中展示，方便管理人員從不同維度把握項目整體情況，從而進行管理分析和決策（圖8）。

圖8 駕駛艙數據看板

8）項目報告。通過平臺各板塊數據，現場進度、設計變更、質量安全問題整改、材料消耗、進度款跟蹤等數據匯總，生成每周項目報告，以便項目管理人員分析和決策。

9）App應用。App提供了施工現場進度、質量、安全數據的填報與審批功能，App支持iOS、Andriod智能設備，同時針對各級項目管理人員移動辦公的需求，提供了個人督辦事項、文檔查看等功能（圖9）。

圖9 移動端功能界面、模型瀏覽

3 結語

通過以行業BIM發展趨勢為背景，以BIM平臺為出發點，結合實際項目案例，研究分析超大體量BIM模型的輕量化處理方式，極大程度地提高了基于大體量BIM模型的平臺渲染速度、效率以及用戶交互操作時的流暢度。輕量化處理方式如下：

1）幾何結構采用參數化描述形式，相似圖元采用引用＋坐標方式。

2）采用多重LOD、遮擋剔除與批量繪制的渲染處理技術。

3）模型加載方面可進行模型分組、模型數據與業務數據分離加載及本地數據緩存加載的方法。

通過研究基于BIM平臺的協同管理與信息交互，分享了基于BIM的總承包管理方法與經驗，以信息化、可視化方式提高了項目的進度管控水平，減少了質量缺陷，降低了安全事故風險。以BIM算量數據為基礎，為項目提供了集成化、多維度成本管控方法，提高了工程整體建設水平，為建設項目帶來了良好的社會與經濟效益。同時，基于超大體量模型的BIM協同施工及信息共享平臺的應用，為BIM、大數據、云計算等技術的探索發展提供了借鑒。