BIM技术在施工现场中的轻量化移动端应用研究
时间：2023-04-18 16:05:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
于飞 孟辉 赵静卓
（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730030）
公路建设过程中信息化、智能化、数字化手段不断推陈出新，BIM （Building Information Modeling）技术作为新一代信息技术，正在不断解决工程建设中的难题。在当前的公路工程建设中，根据分散割裂的设计图纸对大型复杂结构施工存在较大挑战和风险，尤其对于复杂混合桥梁，急需一种提前预演和专家指导的施工手段来满足日益复杂的施工方案。随着BIM建模与GIS技术的深度融合，便携式移动设备5G布网和硬件性能不断发展，足以支撑较大体量模型的渲染加载和网络数据请求性能。同时，用户体验需求和3D虚拟现实技术兴起，各行业呈现出从静态、不能交互的模型展示转向动态、实时交互的发展趋势[1]。移动设备在工厂、工地以三维可视化角度对单点施工细节全过程预演、标识和评价，具备较大的应用价值。目前，各专业设计模型无论在方案汇报还是施工模拟时都需要安装专业建模软件，严重阻碍了设计意图的展示和信息传递，探索实现模型轻量化展示和移动应用极为迫切和必要。
提升项目建设质量，减少项目变更和成本，缩短项目周期。BIM技术在建筑、交通行业取得了大量应用成果，尤其在综合管廊、协同设计、施工交底、地形勘测、复杂结构设计等方面的应用水平较高。
BIM技术应用的前提是建造模型，模型是承载信息的母体。当前建模技术日渐成熟，模型的精度质量主要受制于建模软件或人员水平，存在的问题是不同建模软件文件底层结构尚不公开，不同模型文件格式转换可能出现丢失数据，方案交底或模型交付时需安装专业软件且过程繁冗。
公路工程的特点是线性带状结构，构造物形式多样，结构复杂，模型体量较大成为制约模型纵向发挥价值的最大瓶颈。实际工程施工过程中，技术人员通常使用大量的二维施工图纸指挥工人施工，由于现场条件不足或技术人员能力有限，对于复杂工序整体把握程度不高，同时，施工队的理解也会存在偏差，容易失误，导致工期延缓，成本增加，甚至造成事故。而危大工程专项施工对于专家论证的施工方案缺乏精确的表述手段，实际施工中多存在明显误差。
针对传统对照图纸施工手段的不足，本文研究基于BIM和互联网技术，提供一种施工现场使用的移动App动态可视化辅助施工手段，同时提供云端图纸快速查询、专家方案预演等现场应用。
BIM技术是基于现代信息技术和计算机技术发展融合而成的建筑信息应用技术，被称为继CAD之后的第二次设计革命。其利用数字技术存储和传递建筑结构和构造特征，以3D模式直观表述，实现工程项目整个生命周期内包括勘探、设计、施工、建设管理等全过程信息传递共享和各专业、各参与方的工作协同，是对建筑物构造和功能特性的数字化表达，能全面可视化仿真与模拟分析。在项目应用中，可
本文以WebGL (Web Graphics Library)技术为核心，基于C/S模式实现设计模型、倾斜摄影模型、地形影像、施工模拟文件、施工图的服务器端存储和移动客户端轻量化展示。WebGL是一种3D绘图协议，能在浏览器端渲染复杂三维图形，并提供用户交互技术[2]。服务端将模型文件等按照项目管理开发模式进行文件存储，在移动端App完成模型数据的同步和加载，能实现工程构造物模型的全景旋转、隔离显示、放大缩小等自由浏览和查阅构件属性功能。在全景模型的重点部位，以特殊标注表明存在精细施工工序模拟，点击后可展示详细的施工过程模拟、单部件的拆分描述及重难点事项标注，见图1。通过模型构件的自定义属性和编码规则，实现服务器端图纸的调取和本地浏览功能。移动端根据实际需要能获取存储在服务端的倾斜摄影地形模型，及时比对构件模型与地形的结合情况，确定位置结构是否准确，施工是否存在偏差等。
图1 施工全景模型及重难点施工标注
3.1 数据处理
本文基于Bentley系列建模软件，根据施工图纸进行建模，使用超图iDesktop桌面处理软件将模型的DGN格式转为可扩展的空间三维模型数据格式S3M (Spatial 3D Model)。S3M数据格式适用于空间三维模型数据的传输、交换与共享，有助于解决多源空间三维模型数据在不同终端（移动设备、浏览器、桌面电脑）地理信息平台中的存储、高效可视化、共享与互操作等难题[3]。Bentley建模软件输出的文件是.dgn格式，在浏览器或其他软件中无法直接打开。解决方案是通过格式转换插件将.dgn文件转为iDesktop的文件型数据源.udd/udb格式（见图2），该文件格式能在idesktop进行模型编辑、坐标系转化、模型属性字段赋值等操作，最终生成.S3M格式的场景缓存文件。所有模型文件以工作空间形式由超图iServer发布成REST网络服务资源接口，供移动客户端调用。
图2 dgn格式转udd/udb格式插件
3.2 模型渲染
基于WebGL的Three.js库，能实现场景可视化浏览、交互操作和地理信息管理等。Three.js框架是WebGL技术的一种实现方法，是采用Javascript脚本编写而成的开源框架，具有代码体积小、加载速度快、方便使用的特点[4]。移动端APP内嵌浏览器方式引入Three.js库及超图封装的Cesium.js库，通过HTML5的Canvas标签进行渲染，实现BIM模型可视化场景和模型的空间展示，Canvas元素用于创建图形和动画，其在一定范围内减少了插件的使用，提高了浏览器运行效率[5]，能对模型进行旋转、平移、缩放、剖切和自由放置等交互操作。倾斜摄影模型是公路工程BIM应用最广泛的技术之一，能同时以多镜头从前后左右下多方位、多角度采集地形图片影像，获取地面物体更完整准确的信息，通过Context Capture等软件进行近似性三角形运算而生成三维地理模型。工程构造物模型与倾斜摄影模型在统一地理坐标下能准确定位，调用资源接口完成渲染，见图3。
图3 移动端桥梁模型与倾斜摄影实景
3.3 工点模拟
对于存在施工模拟的构件组进行专题图标注，在施工模型中能实现全景视图的透视和局部精细放大（见图4），点击后可调用提前存储在服务器端的施工模拟动画。移动端App先调用Cesuim.js库进行场景、视角配置，引入基于Three.js库的gltf （The GL Transmission Format）格式控件动态模拟施工过程，GLTF控件能控制图层、步骤、动画速度、光照、背景，动态放置构件，调用工点地质模型，从而分析预演施工注意事项和提前掌控环境影响因素，见图5。点击构件能查询构件的几何信息、材料信息及自定义施工日志等，同时所有构件都关联了云端的设计图纸，可及时查阅与构件相关设计图纸、数量造价、施工说明等信息。
图4 桥塔横梁预应力钢束与钢牛腿细节图
图5 施工动态模拟
BIM技术能解决工程设计、建设、管理、养护全过程的信息传递。基于Bentley软件和超图GIS处理软件，实现了模型数据处理和REST接口资源发布，缓存形式的模型、地形影像等资源在移动端有很好的加载速度，一定程度解决了数据格式传输和资源发布的难题。基于WebGL的轻量化库无需安装建模软件就能实现工地现场三维动态模拟施工，以three.js为核心gltf库能动态模拟工点精细化步骤，使用便携式移动设备就能实时、直观、高效指导工人焊接、定点打桩、装配式安装、隧道开挖等复杂施工。以BIM模型、倾斜摄影实景模型、三维地质模型为参考预演施工过程，提供了风险评估的技术手段，大幅降低了施工风险和变更成本。
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