高速公路建设平台中基于WebGL 轻量BIM 技术的应用

王健，陈涛

（广西机械工业研究院有限责任公司，广西 南宁 530007）

0 引言

近年来，我国BIM 技术在交通基础设施建设领域发展迅速，特别是在公路桥梁设计施工阶段、运营养护阶段以及后期运营维护阶段。因此，将轻量化BIM技术应用到高速公路建设运维管理平台中，对提高系统可靠性和管理效率具有重要意义。通过多个参数对比分析验证该模型轻量化方法能够有效提升平台用户体验。

1 基于WebGL 的BIM 轻量化平台技术必要性

BIM 技术的应用为工程建设项目的全生命周期提供了一个三维可视化管理平台，大大提高了工程建设的效率和质量。该框架以WebGL 为渲染引擎实现了轻量级BIM 中的三维模型渲染、WebGL 本地三维模型显示、施工模拟、工作流管理和协同办公等功能，从而提供了一个轻量化的高速公路建设运维管理平台。BIM技术是一种应用于工程项目全生命周期的技术，而轻量化BIM 就是利用轻量化三维场景引擎来实现BIM在工程应用中的可视化、高效化，它是一种新的BIM 形式，其主要特点体现在以下几个方面：它可以实现较低成本地构建出高质量、高效率的三维场景，并实现与其他平台的数据共享和协同工作。基于WebGL 技术进行三维场景构建，可轻松地将模型与其他软件进行数据交互。从而减轻了前端开发人员工作量，使系统具有更好的扩展性和灵活性。轻量级BIM 中可装配的构件数量相对较多，并且可以灵活地将一些复杂构件拆分成多个单独的组件。通过这些组件之间的关联和组合，可大大提高模型搭建效率。基于轻量级BIM 系统平台可进行高质量三维场景构建及应用开发，可以广泛应用于隧道、桥梁、道路等领域的建设管理与运维工作中。该系统基于轻量级三维场景引擎架构已在“智慧高速”平台进行了初步应用验证，具有一定推广价值。

2 基于WebGL 的轻量化BIM 技术在高速公路建设运维管理平台中的应用

2.1 系统框架

基于WebGL 的轻量化BIM 技术能够为用户提供了一个交互友好、功能丰富的可视化平台，其主要用于解决目前国内BIM 软件造价高昂、实施难度大、与施工过程脱节等问题。轻量化BIM 主要包含四大部分：基础设施层、数据层和用户层。基础设施层主要包括地形地物和建筑的三维模型层将工程建设中的基本元素（几何实体、材质、纹理等）以三维数字化形式展示出来；数据层将数据转换成可直接浏览和查询的矢量格式，方便用户浏览和操作；用户层将矢量数据加载到浏览器端进行图形显示。轻量级BIM 通过多维数据集成，将复杂信息以直观方式呈现出来，并在平台中提供了多层次的操作界面。

轻量级BIM 通过WebGL 浏览器的渲染、脚本、插件等手段来实现BIM 模型的轻量化。该技术可通过不同的浏览器，或者自定义不同浏览器下的轻量化实现方式。在轻量级BIM 系统框架中，主要包括了Web 端和客户端两个部分。Web 端包括了四个子系统：模型构建系统、三维场景展示系统、三维模型与施工图纸融合显示系统以及施工过程管理与监控系统。客户端包括了数据库管理和轻量化API 两个部分。本文基于WebGL技术实现轻量级BIM 框架，通过不断的调整优化，使之成为一种轻量化BIM 技术手段，最后应用于工程建设领域当中去。轻量化BIM 系统框架，其核心技术是基于WebGL 实现的三维模型渲染功能。该技术包括3个部分：首先是三维模型渲染，通过WebGL 技术在浏览器端渲染并显示三维模型。其次是基于WebGL 的几何纹理处理，可将几何对象映射到虚拟场景中，并通过OpenCV（open source computer vision）将真实场景渲染到三维模型上。最后是基于Cesium（common web engine）技术的实时交互功能，通过这种方式可以使三维模型更加真实地贴合现实环境，同时也支持用户与三维模型的实时交互。

基于轻量化BIM 技术，在实际项目中通过该轻量级框架开发了高速公路建设运维管理系统（简称“建设运维系统”），其中包含了管理子系统、养护管理子系统等，该系统运行后有效地提高了项目管理效率，减少了人力成本的投入。具体应用展示如下：通过轻量化BIM技术在项目建设中的应用，有效的提升了项目前期决策效率、后期运营维护效率、施工过程安全防护效率等。利用轻量化BIM 技术构建了高速公路建设运维一体化数据平台，实现数据的统一存储和管理、资源的共享共用以及数据更新维护等功能。通过轻量化BIM 技术构建的建设运维一体化数据平台，使运维单位能够方便快捷地完成工作流程并获得直观有效的效果统计分析，为项目后期运营维护提供指导作用[1]。

2.2 路基模型简化

BIM 技术的应用，为高速公路建设运维管理带来了便利。在项目建设过程中，通过BIM 技术，可对工程项目进行可视化的模拟，包括构件制作、模型装配、模拟施工等。在模型装配过程中，由于有模型和数据交互环节较多，流程相对复杂且效率较低。而BIM 模型在通过WebGL 进行交互时，其优势较为明显。在基于WebGL 的BIM 轻量化技术下，在路基模型构建方面，高速公路建设运维平台可以通过轻量化BIM 技术，利用Three.js 三维图形引擎，对项目中的路基模型进行简化设计及轻量化封装。最后使用WebGL 对简化后的路基模型进行可视化交互。将公路实体抽象为一系列的数据块，并采用轻量化BIM 技术构建了基于VRML 的轻量化BIM 模型；基于轻量化BIM 模型及轻量化BIM技术构建了一个轻量化、高性能且操作简单的可视化交互平台；以高速公路建设运维管理平台为例展示了轻量化BIM 技术在项目中应用的优势[2]。

在实际操作中，其主要根据高速公路的纵断面以及横断面来对路基的基本结构以及形状进行构建，并通过高速公路中的边坡以及路面上的特征点进行标注。之后采用四边形模型建设，将不同特征点连接起来。在该过程中，形成的模型面随着特征点密度减小，其模型也会更加简化，且模型面的数量也会更少。在模型建立过程中，采用了QEM 算法，QEM 算法比较经典，在使用中可以简化复杂高速公路情况。其在使用中会将模型简化，删除部分端点以及连线，简化折叠边数量，形成全新的格网模型。在简化比例的选择方面，需要就不同简化程度的模型进行对比以及测量。比如对高速公路路基进行模型简化时，公路的和断面间距为7m，经过简化之后，模型中间距数值会降低，且模型展现的模型面以及数据量也会更少。5m 的模型比7m 的模型数据更少，而3m 的模型也会比5m 模型的数据量更少。想要对高速公路中路基的设计与施工进行规划，简化需要被控制在一定的范围内，过于简化会导致模型精细度不足，从而产生模拟误差。因此，在BIM 技术的控制下，对不同间距表现下的模型精细度以及轻量化程度进行综合考虑，发现3m、5m、7m 的简化后比例进行计算，发现比例大于90%，也就是3m 模型建立之后，整体模型数据变动较大，而最佳比例约为70%，即5m 简化模型，因此在高速公路建设运维管理中可以采用该种模型作为主要参考标准。

2.3 BIM+GIS 综合管理

随着公路建设的快速发展，高速公路运营管理的信息化、数字化和智能化水平日益提高。为满足高速公路运维管理过程中各类数据的可视化分析、高效统计等需求，BIM 技术被引入高速公路建设运维管理当中。但是，在实际应用过程中，BIM 数据与GIS 空间数据融合程度不够、BIM 模型不能在三维场景中呈现等问题严重制约了BIM 在高速公路建设运维管理中的应用。基于WebGL 技术和GIS 技术相结合的轻量化BIM+GIS 综合应用技术，其利用WebGL 实现了模型轻量化、可视化和交互性，可满足基于BIM+GIS 的高速公路建设运维管理需求。然而目前传统BIM 技术在复杂工程场景下存在数据量大、数据精度低等问题，在很大程度上制约了高速公路管理水平的提升。WebGL（web components language）是一种基于浏览器的图形渲染技术，能在浏览器端直接运行在三维虚拟场景中，无须下载到本地。它同时利用了浏览器与3D 图形库之间的天然联系，使3D 模型可以被浏览器直接浏览，而且其使用和普通渲染技术并没有多大差异[3]。WebGL 利用浏览器强大的网络能力和3D 图形库进行数据交互，与传统基于WebP 和XML 引擎的开发方式相比更容易实现渲染效果。而且通过对三维模型进行WebGL 操作能够提高程序运行效率、提高用户体验、降低运行成本。本文将通过WebGL 技术对高速公路建设运维管理平台中道路模型数据进行封装、优化处理和封装接口，然后实现与GIS 功能对接的可视化应用模块，以达到为用户提供便捷、直观交互效果的目的。

首先，采用Java 语言进行建模，其特点是用Java语言实现的图形工具可以将三维模型转换成二维图形。其次，采用XML 语言对模型进行数据封装，将模型转换为XML 文档。最后，使用Java 语言实现对XML 文档的解析。利用WebGL 的特点，可以实现在浏览器中直接观看三维模型。为了弥补传统BIM 软件在三维展示方面的不足，还采用了基于.NET 的WebGL 框架构建GIS 系统，通过该框架能够实现基于Web 浏览器和GIS客户端的互动。再将基于WebGL 技术开发的程序接入高速公路建设运维管理平台中，通过简单的界面设计完成可视化应用模块展示。通过该技术构建的高速系统不仅能够提高对高速公路管理部门信息化管理水平和应急决策能力，还为我国交通基础设施建设带来了更多可能性。

2.4 Web 端快速加载

该架构使用Web 服务器进行数据的读取和处理；通过WebGL 技术结合.NET 平台开发Web 端轻量化BIM 应用，使得项目管理人员可以通过Web 页面快速获取所需要信息；同时使用轻量级算法减少后台计算所需存储空间；并将前端展现和后台计算合二为一，使得项目管理人员能够高效、直观地进行管理工作。在现今对轻量化的BIM 技术的研究以及其在高速公路建设运维工程的应用中，其由于是基于WebGL 技术实现的，所以在文件传输方面还有待提高[4]。即使是轻量级应用系统，在加载时仍需要一定时间，还没有达到实时响应。前端展现部分仍需改进，如增加图片、视频等信息类型。因此需要就基于WebGL 的轻量化BIM 技术中Web 前端的加载与输送情况进行探究。

轻量级BIM 技术框架包括前端展示层、后台计算层和后台存储层。其中前端展现层主要提供基于Web端的用户使用界面；后台计算层负责数据的存储，根据不同角色的权限获取相应信息并进行处理；而后台存储层则是为前端展现提供数据支撑，以及对数据进行统一管理。考虑到轻量化BIM 技术在项目应用过程中可能会涉及多个不同用户角色，所以在后端计算层中加入了第三方数据服务接口以便于扩展BIM 模型数据。其核心思想是基于WebGL 技术结合.NET 平台开发Web 端轻量化BIM 应用，为项目管理人员提供高效、便捷的可视化设计工具，让其在移动终端设备上也能实时获取设计信息[5]。.NET 平台实现了一个Web 端快速加载BIM 模型的应用系统。该系统使用WebGL技术结合。.NET 平台实现Web 端的快速加载，通过数据交换机制进行前端页面和后台计算数据的同步更新，为项目管理人员提供一个方便、直观、高效、可靠的管理平台。同时将前端展现与后台计算合二为一，减少了后期开发过程中数据库操作以及文件上传下载的工作量。在此架构下，web 端可以通过轻量化的方法减少后台计算所需存储空间；通过后台加载页面提供前端所需信息；同时使用轻量级算法减少数据处理所需时间。

3 结语

本文通过WebGL 技术实现了基于BIM 技术的三维模型轻量化、自动化的数据封装和可视化交互功能，对传统的BIM 建模技术进行了优化和改进，大大提升了BIM 建模效率。并通过该WebGL 技术为平台提供了便捷、高效的可视化交互功能，有效提高了用户体验。