彭 涛
（中国铁路设计集团有限公司 电化电信工程设计研究院，天津 300308）
建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术为建设项目全生命周期信息化管理提供了先进的数字化工具和信息共享平台[1]。在国家《“十四五”铁路发展规划》中，明确提出深化基于BIM技术的铁路建设运维研究。BIM技术以其承载的高精度三维可视化模型和海量信息属性，为铁路项目全生命周期管理打下了坚实的数字化基础[2]。然而，大体量BIM交互操作需要依赖专业的应用软件及高配置计算机硬件资源，导致BIM应用技术的普及存在较高门槛。
近年来，随着WebGL技术的迭代发展，基于B/S架构的BIM交互应用方案为BIM应用提供解决思路。文献[3—6]均提出了基于B/S架构的BIM+地理信息系统（GIS，Geographic Information System）融合方案，实现对铁路、轨道交通等项目中大范围、大场景BIM的可视化操作。其基本原理是通过对BIM成果文件进行轻量化及切片处理，将BIM设计成果文件转换成支持WebGL渲染的瓦片数据集；
随后利用前端Cesium、Three.js等渲染引擎，实现在浏览器端加载渲染BIM，并进行交互应用[7-8]。但这些应用方案仍存在以下不足之处：
（1）BIM切片处理技术难度较高，目前国内大部分研究方案[9-10]是通过SuperMap商业软件进行处理；
（2）BIM在客户端的呈现原理是根据用户可视范围需求，实时从服务端获取相应切片数据集渲染，对网络带宽及稳定性要求较高，而部分工程现场远离城市，较难满足要求。因此，在某些仅在部分专业、场段而未全线开展BIM建模的情况下，BIM+GIS融合方案部署技术难度较大、成本较高，其超大场景渲染优势也无法体现。
鉴于此，本文研发并设计了基于.NET6的铁路BIM可视化综合应用系统，着重实现对铁路单工点、单场段范围内BIM成果的可视化应用。并实现了模型动态场景演示、物资管理系统数据融合等功能，进一步丰富BIM数据交互应用场景。
基于.NET6的铁路BIM可视化综合应用系统主要使用对象是铁路工程设计、建设、运营等过程中的各类专业人员。为满足用户便捷应用需求，系统采用B/S架构，用户可通过电脑、手机等设备浏览器实现BIM交互应用。为方便非专业开发人员快捷部署及发布BIM，系统待用户上传模型数据后，服务器端可自动完成模型转换、数模拆分发布等工作，同时发布标准数据接口以便与其他系统进行数据融合应用。铁路BIM可视化综合应用系统主要分为输入层、数据处理层和应用层，总体架构如图1所示。
图1 BIM可视化综合应用系统总体架构
1.1 输入层
利用各BIM设计平台软件生产BIM成果，并统一生成工业基础类（IFC，Industry Foundation Class）文件，上传到数据处理层的服务器中。
1.2 数据处理层
通过对IFC文件进行解析，对其进行数模分离。其中，几何模型文件转换为支持WebGL渲染的格式；
非几何数据进行数据清洗后得到有效数据，并通过数据库进行存储。同步建立各类数据分发接口，供应用层通过应用程序接口（API，Application Program Interface）访问各类应用数据。
1.3 应用层
用户通过电脑、手机等设备浏览器与数据处理层数据库进行数据交互，实现BIM在浏览器端的各类基本操作、属性数据查询等功能，同时支持与物资管理系统等外部系统进行数据关联操作，实现BIM与实体设备的状态查询与异常告警。
2.1 IFC文件解析转换
现阶段铁路项目BIM设计成果主要以IFC格式输出交付。由于IFC文件包含许多语义属性，在交付后的实际应用过程中，未简化的模型会导致每次调用必须加载大量信息，渲染大规模的模型，使得加载时间延长甚至加载崩溃。而WebGL技术将Java Script和OpenGL ES 2.0结合在一起，实现在HTML5 Canvas DOM中绘制三维图。但是在基于WebGL技术的B/S架构应用方案中，IFC格式本身无法支持WebGL技术的读取和加载，因此需要对IFC文件进行解析转换。
为了实现IFC文件的灵活解析，本文利用xBIM Essentials和xBIM Geometry 开源组件，在服务端部署文件自动转换服务，对用户上传的IFC文件进行解析，通过遮挡剔除、相似合并、参数化转片面和三角面等几何数据处理过程后， 创建支持WebGL渲染的WexBIM文件[11-12]；
在前端通过部署Layui框架[13]及xBIM WebUI框架，实现网页端对模型的加载渲染呈现，并提供基础缩放、旋转、漫游、隐藏、剖切等交互功能。
2.2 IFC文件数模分离及属性数据存储
IFC文件可附加属性信息，若每次交互访问直接读取IFC文件获取属性数据，需要较长的解析时间，影响用户体验。本文通过将IFC文件里的属性数据与几何模型数据进行拆分，将拆分后的数据直接存入数据库中，后续利用数据库高I/O性能直接访问模型附加属性数据，显著提高访问速度。IFC文件数模拆分原理如图2所示。
图2 IFC文件数模拆分原理
用户上传IFC文件后，由系统服务端对其进行数模拆分转换，将几何数据与非几何数据进行分离。其中，几何数据作为文件直接存储，文件格式支持Web端直接渲染展示；
非几何数据中的模型附件属性数据通过筛选得到有效设计数据后，转换为JSON数据格式进行存储，一个模型构件对应一条JSON属性数据，有效减少数据存储量，同步支持扩展施工数据、厂家数据及运营数据。
为了在数模拆分过程中保持数据与模型构件的关联，可以利用每一个IFC构件的全球唯一标识（GUID，Global Unique Identifier）特性，将几何构件ID与JSON属性数据通过GUID绑定，实现数模分离后模型与附加属性的关联。用户在浏览器端进行操作时，可通过几何数据文件直接在网页端渲染加载模型，并在点击具体构件模型时，根据获取的GUID在数据库查询模型对应的各类属性信息。
2.3 三维模型浏览器端缓存技术
将IFC文件转换为支持WebGL渲染的WebBIM格式文件过程中，虽然通过模型轻量化处理后，文件体量得到显著缩减，但是如果每次浏览器加载显示都需要从服务器端访问获取WebBIM文件，文件在网络传输过程中仍会延迟，在施工现场等网络环境恶劣的条件下可能导致无法访问使用。为了解决该问题，本文研究利用浏览器缓存技术，BIM文件首次下载渲染后，同步将模型缓存在用户浏览器内，后续访问相同BIM，则直接从本地浏览器端加载缓存数据，提高访问速度。
由于浏览器缓存常用的cookie、localStorage 2种方法存储空间有限，均不符合本次研究缓存要求。本文通过研究IndexedDB浏览器数据库存储技术，实现大容量缓存[14]。利用IndexedDB建立缓存模型数据表，每个BIM作为一条缓存数据，其中的Key和服务器端IFC文件的GUID编号保持一致，value设为三维模型文件的二进制Blob数据。此外，还需要对xBIM WebUI前端组件进行二次开发，修改其模型加载技术方案。
3.1 多模型叠加及卸载
模型文件通过“项目–工点–模型文件”的3层级模式管理，使得一个项目可以承载多个工点，一个工点也可以承载多个模型文件。用户在查看某一工点模型时，可先预览该工点主模型，再在模型浏览界面对多个模型进行任意叠加、卸载。
3.2 客户端交互操作
客户端通过浏览器加载模型后，用户可在三维模型呈现页面实现模型交互操作，包括模型缩放、旋转、透视、剖切、漫游、标签、测量等功能。通过对剖切数据进行云端存储，可实现针对单体建筑的楼层剖切预设，用户在后续使用过程中可通过剖切预设快速切换楼层视角。
3.3 属性查询
服务器端对IFC文件进行数模分离后，IFC文件附加属性数据以JSON格式存储至服务器数据库。在模型交互过程中，双击模型构件，系统可根据模型ID在服务器端快速获取JSON格式属性数据并在前端呈现。实现BIM在WebGL渲染交互模式下属性数据的实时查询。
3.4 动态场景演示
在BIM交互应用过程中，尤其是利用BIM进行设计交底、运行维护培训时，需要通过剖切、颜色调整、部分类型设备设施隐藏等方式，切换符合成需求的某个模型视角场景，并对这一场景预设保存。系统的动态场景演示功能模块可供用户提前创建BIM不同视角的快照记录，并附以文字图片说明进行预设保存，演示效果如图3所示。
图3 动态场景演示效果
通过动态场景演示功能，用户点击不同场景记录缩略图时，随即自动渲染至创建该场景时的视角状态，并自动打开备注说明页面。该功能充分利用了BIM可视化、精细化的特点，提升了用户体验感。
3.5 物资管理系统数据融合
结合主要设备BIM清单功能，通过公开的API接口规范，可将BIM可视化综合应用系统与四电物资管理系统进行数据融合交互。由BIM可视化综合应用系统将BIM设备清单直接推送至物资管理系统。物资管理系统根据主要设备清单进入采购流程，利用射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、二维码等方式绑定实际设备，并用现场手持终端在采购、出入库、安装等各个环节录入物资状态。BIM可视化综合应用系统根据模型ID获取实际设备物资状态信息，同时，根据不同状态对设备标记不同颜色，直观展示整体工程进度，如图4所示。
图4 物资管理与BIM可视化综合应用系统数据融合交互
通过对IFC文件解析转换、数模分离发布、三维模型离线缓存等关键技术的研究，本文设计了一套基于.NET6的铁路BIM可视化综合应用系统。系统集模型解析、部署、应用于一体，针对铁路单工点或单场段BIM进行部署应用时，有明显的优势，是对现有BIM+GIS大体量模型部署方案的有效补充。其动态场景演示功能，在设计施工交底、教学培训中可任意切换预设场景展示，充分发挥BIM三维模型高精度可视化的优势。此外，系统的数据融合功能可为BIM+RFID全生命周期铁路物资管控提供更大的发展空间。
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