问题的提出

当前，我国市场上还没有一个以实现水利工程BIM数据管理和综合应用的完善和健全的平台。主要有四方面原因：一是BIM数据格式繁杂，二维时代CAD遍天下的局面已经不在，各个主流厂商的BIM平台，各种不同方向应用的BIM软件，导致数据格式众多，很难以一种统一的格式进行管理；二是BIM软件众多且操作复杂，不同的应用方向使用软件的也不同，给BIM数据从BIM数据生产者（设计单位）到消费者（业主）的传递带来的巨大的障碍，对于真正需要消费BIM数据的业主和使用BIM数据的用户而言，往往因为巨大的学习成本和复杂操作而无法真正使用，造成BIM数据无法进入水利工程全生命周期应用；三是硬件与软件投入巨大，一方面为了满足各方向、专业的应用，需要大量的软件许可，另一方面BIM软件一般对硬件要求比较高，需要高性能的硬件设备，这两方面应用成本也影响了BIM数据平台的推广和成熟；四是BIM数据量巨大，一个典型水利工程项目的BIM模型往往是数Gb或者十数Gb，这样的数据量，如何便捷的在多人、多平台和多终端的环境中进行传输、加载和使用，也是一个技术难题。

解决思路

单就技术手段而言，现有的技术方式要实现现有工程数据平台化管理和数据的共享和互联，初步和保守的估计也是数十亿人民币的投入。有鉴于此，我们可以尝试用BIM定义的方式来实现数据的管理，通过解决BIM数据的标准化、轻量化、安全性、易操作性和BIM数据显示、处理，建立水利标准的数据格式和自主的BIM显示、解析引擎。

数据标准化：通过定义一个面向水利水电行业BIM交付的水利标准数据格式，开发专门的转换工具，可以将各主流BIM平台的数据转换为标准数据，一方面解决了在后续使用中对国外软件平台的依赖，同时也解决了目前行业内多个BIM平台同时共存，数据无法统一的问题。

轻量化：轻量化包含数据量的轻量化和使用的轻量化两个层面，新的标准化的数据格式要能支持对BIM数据进行大幅度的压缩和优化，同时操作和使用要简便轻量，降低对使用者的要求。

易操作：基于浏览器，“0”客户端，直接支持桌面及移动端,无需安装任何应用程序，即可使用BIM数据。

安全性：数据生产者保有源数据的所有权，数据管理平台只传输加密压缩后的轻量化模型，无需源模型，保证数据安全。

效能：水利水电行业的工程规模普遍比较大，数据管理平台需要有超大模型的支持能力。

水利标准：建立水利标准的数据格式、数据转换、数据处理、解析和显示引擎，不依赖第三方软件和数据。

技术路线

1、平台BIM引擎的技术基础

随着HTML5和WebGL的广泛应用，主流浏览器如Google的Chrome，Mozilla的Firefox， 微软的Edge，苹果的Safari都在第一时间支持WebGL。WebGL是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个绑定，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，实现“0”客户端的BIM应用。

2、模型轻量化、标准化及转换原理

研究从数据的压缩和数据的碎片化两个方面来解决模型轻量化的问题。BIM几何数据和属性数据轻量化过程见图3.1。

BIM数据主要分两大类，第一类数据是描述几何形态的几何数据，包括三角面片，纹理数据。三角面片又包含，顶点描述和三角形索引数据，顶点法向量，顶点颜色数据。纹理数据包含纹理坐标，和纹理图片，还有比较复杂的bump纹理。第二类是BIM构建的属性数据，如板、梁、柱族的属性。

几何数据通过几何数据压缩技术来实现轻量化，并采用共享场景节点技术，对几何形体相同和相似的对象进行压缩，降低模型的大小。

BIM构件的属性数据采取数据库服务器的存储方式，通过唯一的ID与几何数据关联起来。只有当目标对象被查询时才会将数据从服务器端加载，从而实现了属性数据本地轻量化。

3、模型数据的标准化

目前的BIM软件平台多种多样，三维数据格式数量众多，需要水利标准的中间数据格式组织形式。在前端，显示组件只负责解析自有的数据格式，数据处理则通过插件或者水利标准的转换组件，将不同的三维数据格式转化为平台的标准数据格式，中间标准化数据组织如图所示：

4、模型的流加载及安全

虽然模型的几何表示数据经过了压缩处理，但对于复杂、大型的BIM模型，数据量仍然很大。在数据处理上，可以将大的模型切分成很小的片段保存在模型服务器上，当需要加载模型时，系统即初始化三维场景，即时下载即时处理。模型片段化的同时，将片段进行分类，根据各个实例对象的类型和需求依次加载模型。

所有的模型几何数据和属性数据都以数据流的方式提供给客户端，不在本地留下缓存，最大程度保证模型数据的安全性。

大模型优化

一个完整的水利工程模型通常都包含数百万个至上亿个多边形，要在这样的环境中作实时漫游和流畅操作，必须进行可见性预处理。通常当视点位于建筑物的内部时，只有少数面是可以看见的，而绝大多数面都被遮挡住了。如果能够只对这一小部分面进行消除或渲染处理，就可以大大提高计算速度。

同时基于预定义的优先级来加载和渲染对象，确保在模型操作过程中的帧率，保证操作的流畅度，待模型操作停止后，再重新完整渲染和显示全部对象，实现操作和加载模型量之间的平衡。

平台总体架构

平台总体架构可划分功能架构、服务架构和业务平台整合架构，分别见图。

功能架构

水利标准格式的BIM数据为核心的多维度数据管理平台功能架构，需要满足工程点、单体及多项目数据管理需要。功能架构以BIM为核心数据，实现GIS场景调用和定位，并可进行文档管理和业务协同。

服务架构

在考虑BIM数据的同时，要兼顾GIS、文档、协同和数据分析等部分，同时为了考虑数据安全及未来高并发的需要，需要满足高可用的云架构系统设计。

与业务平台整合架构

对BIM和GIS的数据的管理同时，还是行业数据的服务平台和大数据的基础，平台在数据收集时已对BIM模型数据进行了结构化组织，并具有水利标准的图形引擎，解决与业务系统交互中最核心的结构化数据关联，以及业务系统中显示和操作BIM模型数据的需求。

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