杜 政，王?？?，談 震，黃華東

(1.南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 211106；2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225009)

水利工程建筑物選型獨特，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計效率低，且參建各方信息共享水平低，通過引入BIM技術(shù)建立水利工程信息模型可以有效解決這些問題[1]，目前BIM技術(shù)主要應(yīng)用于水利工程的設(shè)計階段[2]，國內(nèi)水利水電行業(yè)設(shè)計單位采用不同廠家的協(xié)同設(shè)計基礎(chǔ)平臺，主要有歐特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、達索(Dassault)等平臺[3]，導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式眾多，很難以一種統(tǒng)一的格式進行管理，從而導(dǎo)致BIM應(yīng)用過程中普遍存在數(shù)據(jù)交互效率低的問題[4]。而由buildingSMART組織所推進的工業(yè)基礎(chǔ)類(industry foundation class，IFC)已成為BIM數(shù)據(jù)描述和交換的國際標準[5]，基于IFC能夠以標準化的方式構(gòu)建、存儲和交換BIM數(shù)據(jù)，橫跨建筑生命期的各個階段，在不同參與方、不同專業(yè)和應(yīng)用軟件之間傳遞數(shù)據(jù)[6]。同時上述平臺是桌面端的建模軟件，無法滿足用戶隨時隨地查看模型及其屬性的需求，也無法滿足用戶在移動端查看的需求[7]。隨著HTML5和WebGL等技術(shù)的發(fā)展，為B/S 架構(gòu)的BIM輕量化帶來了新的技術(shù)力量，通過BIM輕量化讓BIM可視化脫離專業(yè)應(yīng)用軟件，實現(xiàn)BIM模型的WEB端瀏覽和交互操作[8]。本文將基于IFC標準與WebGL技術(shù)開展水利工程BIM輕量化應(yīng)用研究。

1 總體思路

本文的研究核心是基于IFC標準與WebGL技術(shù)開展水利工程BIM輕量化應(yīng)用的技術(shù)研究與應(yīng)用開發(fā)，實現(xiàn)水利工程BIM數(shù)據(jù)的標準化、輕量化與可視化。BIM數(shù)據(jù)標準化通過引入IFC標準實現(xiàn)水利工程多源異構(gòu)BIM數(shù)據(jù)的集成，并結(jié)合水利工程模型分類與編碼相關(guān)標準對IFC標準進行擴展，從而實現(xiàn)水利工程BIM數(shù)據(jù)的標準化。BIM數(shù)據(jù)輕量化基于XBIM實現(xiàn)IFC 文件的解析與輕量化，利用數(shù)模分離原理將IFC文件拆分為三維幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型的信息提取與格式轉(zhuǎn)換，通過微觀層面的參數(shù)化幾何描述與宏觀層面的相似性圖元合并兩種優(yōu)化方法實現(xiàn)三維幾何數(shù)據(jù)的輕量化處理。BIM數(shù)據(jù)可視化基于WebGL技術(shù)與WeXplorer框架開發(fā)Web-3D可視化應(yīng)用功能模塊，通過多重LOD、遮擋剔除與批量繪制多種技術(shù)融合提升模型的三維渲染效果，同時開發(fā)縮放、旋轉(zhuǎn)、透明、剖切、漫游、標簽、測量等功能，實現(xiàn)水利工程各類用戶與BIM模型的交互。通過BIM數(shù)據(jù)標準化、輕量化與可視化方面的研究，最終完成水利工程BIM模型輕量化應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)。原理框架圖如圖1。

圖1 原理框架圖Fig.1 The schematic frame diagram

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 IFC標準擴展技術(shù)

IFC標準是BIM 數(shù)據(jù)描述和交換的國際標準，基于IFC能夠以標準化的方式構(gòu)建、存儲和交換BIM數(shù)據(jù)，橫跨建筑全生命周期的各個階段，在不同參與方、不同專業(yè)和應(yīng)用軟件之間傳遞數(shù)據(jù)，所有專業(yè)軟件創(chuàng)建的BIM 模型都可以轉(zhuǎn)換為IFC格式文件輸出[9]。IFC 模型結(jié)構(gòu)由資源層、核心層、共享層與領(lǐng)域?qū)?4 個層次組成(如圖2)。

圖2 IFC4標準體系結(jié)構(gòu)Fig.2 IFC4 schema structure

最底層的資源層定義 21 類可重復(fù)利用的實體與類型，包括幾何資源、屬性資源、材料資源等，資源層的實體不能獨立存在，僅供高層次調(diào)用。核心層定義 IFC 模型的基本結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)關(guān)系和公用概念，組織下層分散的基礎(chǔ)信息，形成 IFC 模型的基本結(jié)構(gòu)。共享層提供通用性的對象與關(guān)系，包括建筑服務(wù)元素、組件元素、建筑元素、管理元素、設(shè)備元素等，可供領(lǐng)域?qū)佣鄠€領(lǐng)域使用。領(lǐng)域?qū)佣x特定專業(yè)領(lǐng)域所需的實體對象，如電氣領(lǐng)域的電纜、變壓器、電氣設(shè)備等。[10]。

IFC標準是一個逐步更新發(fā)展的過程，歷經(jīng)6次更新，每次升級都擴充了大量IFC模型實體滿足工程需要。目前，IFC 標準主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，缺少水利工程領(lǐng)域特有構(gòu)件和屬性描述[11]。IFC標準擴展方法是解決這個問題的有效手段，IFC具有IFC實體擴展、IFC屬性集擴展與基于IFCProxy實體擴展3種擴展方式，其中IFC實體擴展通過新增實體或?qū)嶓w屬性擴展 IFC 的描述范圍，IFC屬性集擴展通過新增或修改IFC 標準中的屬性集提升實體描述的精細度、基于IFCProxy實體擴展通過實例化通用實體 IFCProxy的方式描述 IFC 中未定義的對象，實現(xiàn)自定義信息模型[12]。上述3種擴展方法各有優(yōu)缺點，表1從易用性、兼容性、效率性與安全性四個方面對3種擴展方法進行了對比，說明了3種擴展方式各自的適用性。對于需要進行大量擴展的水利行業(yè)應(yīng)用來說，可采用IFC實體擴展方式，運行效率較高，若得到行業(yè)認可將會應(yīng)用于新的IFC版本中。

2.2 IFC文件解析與輕量化技術(shù)

由于IFC文件本身不支持WebGL的讀取與加載，在實際應(yīng)用中我們需要將 IFC 格式的文件解析成WebGL支持的文件格式，同時IFC文件信息全面而詳實，導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)量較大，對瀏覽器端的數(shù)據(jù)處理性能要求較高[13]。因此本文需要對IFC文件進行模型的解析與輕量化，然后基于WebGL實現(xiàn)模型的快速讀取與加載。IFC文件可以通過文本編輯器查看和編輯，文本內(nèi)容包括文件頭部分和數(shù)據(jù)部分。文件頭部分包括文件本身信息，例如文件描述、文件名稱、IFC 標準版本等，數(shù)據(jù)部分是文件的核心，包括了項目的所有建筑模型信息[14]。IFC文件解析主要對IFC 文件數(shù)據(jù)段內(nèi)容進行訪問與處理，IFC 標準發(fā)布時均發(fā)布對應(yīng)擴展名為.exp 的模式文件，基于該文件可進行 IFC 數(shù)據(jù)解析程序的設(shè)計，實現(xiàn)IFC 文件的內(nèi)容遍歷、查詢以及信息提取。數(shù)據(jù)處理以構(gòu)件對象的實體為主，通過遍歷所有對象的實體信息獲得組成建筑信息模型的全部對象，通過實體對象的引用關(guān)系獲得與對象關(guān)聯(lián)的全部信息數(shù)據(jù)，幾何信息經(jīng)過幾何布爾運算、參數(shù)化轉(zhuǎn)片面和三角化等幾何數(shù)據(jù)處理過程，才能夠轉(zhuǎn)化為 WebGL 圖形引擎可以繪制的三維可視化數(shù)據(jù)，最后通過數(shù)據(jù)整理完成IFC文件解析[15]。

表1 3種擴展方式的對比Tab.1 Comparison of the three extensions

BIM模型輕量化是指通過相關(guān)算法對模型中的屬性信息、幾何信息等內(nèi)容進行壓縮、簡化等操作，目的是降低BIM源文件的數(shù)據(jù)量，保證BIM數(shù)據(jù)的精確性，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的無損壓縮[16]。BIM模型輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是幾何信息的簡化，可以從微觀層面與宏觀層面兩個方面進行，微觀層面是從單個構(gòu)件著手，通過參數(shù)化幾何描述、三角化幾何描述等方式實現(xiàn)幾何信息的簡化表達，宏觀層面則是通過各類數(shù)學(xué)算法對整個模型的幾何信息進行簡化處理[17]。比如利用構(gòu)件幾何復(fù)用算法將具有相同形狀的同類型構(gòu)件的幾何信息進行唯一性表達，然后由各自的不同位置信息確定每個構(gòu)件的空間坐標位置，同一類型的構(gòu)件只需存儲一份幾何數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的無損壓縮[18]。模型輕量化示意圖見圖3。

圖3 模型輕量化示意圖Fig.3 Diagram of model lightweighted

2.3 WebGL可視化技術(shù)

WebGL技術(shù)是由Khronos提出的新的Web3D圖形規(guī)范，它是一項在瀏覽器中繪制、顯示3D圖形并支持交互的技術(shù)，其允許開發(fā)者在瀏覽器中直接調(diào)用圖形硬件進行3D可視化的加速[19]。WebGL基于Open GLES2.0標準和OpenGL著色語言GLSL，是一個免費的、跨平臺的Web端3D圖形渲染的API，結(jié)合HTML5的標簽和JavaScript可以在瀏覽器上進行三維模型的繪制，并可通過計算機顯卡進行3D加速渲染[20]。和以往用戶需要依賴于插件來實現(xiàn)3D動畫效果的展示不同，WebGL不需要任何插件即可實現(xiàn)Web端的三維展示，使傳統(tǒng)的三維可視化程序從桌面端到瀏覽器端成為了可能。目前，WebGL技術(shù)在三維協(xié)同設(shè)計、網(wǎng)頁3D游戲、虛擬現(xiàn)實等多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

為了讓W(xué)ebGL 具有充分的靈活性，原生的WebGL API里面包括很多復(fù)雜的底層內(nèi)容，因此利用原生的WebGL API進行開發(fā)時，需要具備扎實的計算機圖形學(xué)知識，同時由于開發(fā)者對WebGL技術(shù)有著不同的需求，不同的WebGL應(yīng)用又存在許多重復(fù)功能，直接利用WebGL底層程序進行開發(fā)既費時又費力。WebGL應(yīng)用開發(fā)框架應(yīng)運而生，目前常用的框架有o3djs、Scene.js、Three.js、GLGE、Spider.js、Copperlicht、CubicVR 等，他們對WebGL底層部分功能進行封裝，避免每次開發(fā)都做很多重復(fù)性的復(fù)雜底層操作，減小了WebGL應(yīng)用的開發(fā)難度和開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，其中Three.js 框架使用最為廣泛，它的復(fù)雜度較低，簡單、直觀，屬于輕量級的 3D 框架，提供了豐富的 3D 圖形渲染功能，可以方便快捷的創(chuàng)建包括攝影機、光源、材質(zhì)等各種對象的交互式三維場景。Three.js 框架在進行 WebGL 圖形渲染前，需要完成場景的構(gòu)建，圖4完整展示了 Three.js 的渲染流程，首先定義一個場景，然后在場景中定義燈光效果和相機效果，之后需要創(chuàng)建模型對象的網(wǎng)格，同時選擇相應(yīng)的材質(zhì)信息，最后 Three.js 的渲染器根據(jù)場景中的相關(guān)數(shù)據(jù)以及選取的著色器程序，在屏幕上繪制出最終的圖形。

圖4 Three.js 的繪制流程Fig.4 The drawing process of Three.js

3 應(yīng)用開發(fā)與實踐

3.1 水利工程IFC標準擴展

水利工程項目規(guī)模龐大，涉及到的專業(yè)復(fù)雜多樣，生命周期長，參與方眾多，且建筑物眾多且形狀各異，數(shù)據(jù)信息繁雜，統(tǒng)一水利工程信息模型數(shù)據(jù)標準是實現(xiàn)水利工程信息模型共享的關(guān)鍵[21]。IFC 標準主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，缺少水利工程領(lǐng)域特有構(gòu)件和屬性描述。因此，基于IFC 構(gòu)建水電工程信息模型必須對 IFC 標準進行相應(yīng)擴展。本文參考《水利水電工程設(shè)計信息模型分類和編碼標準》，借助Revit API開發(fā)了 IFC 定義設(shè)置功能，用戶可進行任意構(gòu)件的 IFC 定義，同時可以建立構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以長距離引供水工程為例，針對工程運維管理應(yīng)用需要，實現(xiàn)了引供水工程IFC模型的分類與信息編碼。長距離引供水工程樣表見表2。

表2 長距離引供水工程樣表Tab.2 Long-distance water supply project sample form

3.2 IFC文件的解析與輕量化

IFC文件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息豐富，從底層對 IFC文件進行解析需要深入研究Express 標準語言，耗時費力。為了實現(xiàn)IFC文件的靈活解析，本文選用了Xbim工具包作為解析工具，讀取 IFC 格式文件的模型信息，以實現(xiàn)到自定義文件格式的保存。Xbim 工具包是一個開源的軟件開發(fā)BIM工具，支持 BuildingSmart 數(shù)據(jù)模型。Xbim 允許開發(fā)人員以 IFC格式讀取，創(chuàng)建和查看BIM數(shù)據(jù)，完全支持幾何，拓撲操作和可視化。

Xbim主要有Xbim.Essentials、Xbim.Exchange、Xbim.Geometry、Xbim.WindowsUI、Xbim.WeXplorer等組件庫，我們借助Xbim.Essentials來進行IFC文件的讀寫，將 IFC格式文件信息解析到model對象當中，然后借助Xbim.Geometry將model當中的幾何數(shù)據(jù)讀取出來并保存在mesh對象當中，完成IFC文件屬性數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)的解析，實現(xiàn)IFC文件的數(shù)模分離。IFC文件輕量化主要是從微觀層面和宏觀層面對幾何數(shù)據(jù)進行簡化與壓縮，在微觀層面通過參數(shù)化幾何描述、三角化幾何描述等方式實現(xiàn)幾何信息的簡化表達，在宏觀層面利用構(gòu)件幾何復(fù)用算法實現(xiàn)相似性圖元的合并。在Xbim中我們利用Xbim.Essential與Xbim. Geometry來對IFC文件進行優(yōu)化和壓縮，創(chuàng)建支持WebGL能加載的wexBIM文件。以某個泵站樞紐工程的IFC文件為例，初始IFC文件大小為95 M，輕量化后的文件只有15 M左右，文件大小減少了85%左右，有助于提高瀏覽器端的加載效率和展示速度。數(shù)據(jù)流程圖見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 Data flow chart

3.3 Web-3D可視化應(yīng)用開發(fā)

Web-3D可視化應(yīng)用開發(fā)主要分為三維可視化框架搭建與模型文件的解析讀取兩步，首先運行JavaScript程序，調(diào)用WebGL的相關(guān)方法; 然后調(diào)用頂點著色器和片元著色器在顏色緩沖區(qū)內(nèi)進行繪制; 最后在瀏覽器上自動顯示。Xbim工具包提供基于WebGL技術(shù)的三維可視化框架WeXplorer，使用預(yù)處理的wexBIM文件處理Web上的IFC數(shù)據(jù)的可視化。WeXplorer框架主要通過xViewer類來加載和呈現(xiàn)wexBIM格式的IFC模型，xViewer使用WebGL技術(shù)進行硬件加速的3D渲染，同時提供Xbrowser類實現(xiàn)JSON COBieLite數(shù)據(jù)的可視化。

本文基于WebGL技術(shù)開發(fā)BIM三維可視化應(yīng)用功能模塊，借助WeXplorer框架實現(xiàn)輕量化模型的展示，并通過多重LOD、遮擋剔除與批量繪制多種技術(shù)融合提升模型的三維渲染效果，同時開發(fā)縮放、旋轉(zhuǎn)、透明、剖切、漫游、標簽、測量等功能，實現(xiàn)用戶與模型的交互?；赪ebGL技術(shù)跨平臺的特性，Web-3D可視化應(yīng)用可運行于Firefox、Chrome等現(xiàn)代瀏覽器，同時iOS、Android移動設(shè)備上也可以運行，圖6、7為Chrome瀏覽器運行界面。圖8為IPad移動設(shè)備運行界面。

圖6 模型可視化界面Fig.6 Model visualization interface

圖7 模型放大與構(gòu)件屬性查看界面Fig.7 Model amplification and widget properties view interface

圖8 IPad運行界面Fig.8 IPad run interface

4 結(jié) 語

本文從水利工程BIM數(shù)據(jù)的標準化、輕量化與可視化3個方面開展BIM輕量化應(yīng)用研究?；贗FC標準實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，針對IFC標準缺少水利工程領(lǐng)域特有構(gòu)件和屬性描述的問題，以引供水工程為例，通過Revit API二次開發(fā)實現(xiàn)了水利工程IFC標準擴展。同時采用開源的Xbim工具包實現(xiàn)了IFC文件的解析與輕量化，并基于WebGL技術(shù)完成Web-3D可視化應(yīng)用的開發(fā)，為水利工程BIM輕量化應(yīng)用提供了一種實用有效的方法，下一步工作重點是基于水利工程BIM輕量化應(yīng)用構(gòu)建水利工程全生命周期系統(tǒng)，推進BIM技術(shù)在水利工程的應(yīng)用。