ＢＩＭ轻量化技术在水利工程中的应用

2024-03-31代进雄杨晓蕾李大可潘虎林晶庄妍张颖王春艳徐健

人民黄河 2024年3期

代进雄杨晓蕾李大可潘虎林晶庄妍张颖王春艳徐健

摘要：为提高ＢＩＭ轻量化技术在水利工程中应用的可行性和全面性，分析总结当下主流的ＢＩＭ轻量化技术，以密云水库改造消隐工程为例，提出水利工程ＢＩＭ轻量化技术应用路线，改善不同建设阶段ＢＩＭ轻量化技术的应用效果。在设计阶段综合运用模型减面优化法、渲染优化法以及ＢＩＭ轻量化协同设计平台，能大幅度提高三维模型设计效率；采用ＢＩＭ轻量化引擎将ＢＩＭ设计模型传递至施工阶段，建立ＢＩＭ轻量化施工管理平台，能有效提高施工管理质量，保障工程按时按质完成。针对当下ＢＩＭ轻量化技术现状，提出未来发展的建议：ＢＩＭ轻量化技术应集成多种水利工程行业特色数据，完善ＢＩＭ规范及标准，使ＢＩＭ轻量化应用体系更加规范化、科学化。

关键词：ＢＩＭ轻量化技术；轻量化引擎；三维协同设计；施工管理；ＢＩＭ＋ＧＩＳ；ＬＯＤ

中图分类号：ＴＶ５１；ＴＰ３９文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２２

引用格式：代进雄，杨晓蕾，李大可，等．ＢＩＭ轻量化技术在水利工程中的应用［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（３）：１２１－１２５．

近年来，水利部陆续发布智慧水利建设的系列文件，明确推进智慧水利建设的路线、进度计划、任务清单及责任分工，为水利工程向智慧化、高效性和可持续发展提供了坚实的保障。ＢＩＭ技术具有参数化、可视化、仿真化、协同化等特性，可实现水利工程从规划、勘测、设计、施工乃至运维的全生命周期信息集成与传递。水利工程规模大、复杂性强、涉及专业多，造成ＢＩＭ模型的数据体量庞大，往往包含大范围的地理空间数据以及多类别水工建筑物模型、金属结构设备模型等，给项目的协同管理和数据应用带来了巨大挑战。因此，为提升ＢＩＭ的应用效能，对ＢＩＭ模型进行轻量化处理十分重要。

ＢＩＭ轻量化是指在保证ＢＩＭ模型数据质量和安全的前提下，尽量压缩模型体量，以提高模型数据传输和加载效率［１］。ＢＩＭ轻量化技术起自２０世纪９０年代，１９９６年，美国学者Ｈｏｐｐｅ［２］提出渐进网格理论（ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅＭｅｓｈ），实现了对不同细节的三维模型的级联展示，首次开创了网格简化和细分算法。１９９７年，Ｇａｒｌａｎｄ等［３］提出了一种以二次误差作为度量代价的网格边收缩算法，该算法计算速度快且网格简化效率高。随后多层次细节（ＬＯＤ）算法被提出，为ＢＩＭ轻量化技术的发展奠定了基础。随着国外模型轻量化技术发展，我国在２０世纪９０年代后期开始对ＢＩＭ模型轻量化进行研究及应用。１９９９年，赵东等［４］提出了基于三角剖分网的复杂面模型分层逐步显示的多分辨率显示算法。２００２年，赵新华［５］提出了基于不同视角特征的模型简化算法。２００６年，薛辉［６］提出了面向装配式建筑ＢＩＭ模型的简化表示方法。２０１６年，罗飞［７］开展了基于ＷｅｂＧＬ的Ｒｅｖｉｔ环境的ＢＩＭ模型简化及可视化方法研究，实现浏览器端的轻量化显示。之后大量学者探索了基于移动终端以及ＶＲ的ＢＩＭ可视化方法［８－１２］。

目前，大多数模型轻量化研究及应用都集中在建筑、市政领域，相较于建筑、公路、铁路等模型，水利工程模型往往具有大量不规则曲面、复杂的几何形状、多层次的子系统结构以及与地理空间数据关联强等特点，造成ＢＩＭ轻量化处理复杂，相关研究及应用较少。此外，已有研究主要是对基于Ｒｅｖｉｔ建模软件生成的ｒｖｔ文件格式进行轻量化处理，对于其他三维模型格式如ｄｇｎ的研究有限，相关轻量化方法无法复用。本文分析现有轻量化技术特点，以密云水库改造消隐工程为例，对模型进行精简及渲染优化、搭建轻量化协同设计平台、搭建轻量化施工管理平台，提出符合水利工程的ＢＩＭ轻量化技术应用路线，以期提高水利工程设计效率和质量，加快施工进度。

１关键技术分析

１．１减面优化

减面优化是指采用网格简化算法对三角网格进行精简，删除大量烦冗面片及不必要的几何细节，保留关键特征，在尽量保持初始模型外观不变的条件下降低模型面片数及顶点数。减面优化处理最常见的算法是ＭｅｓｈＳｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（网格简化），其基本思想是：１）将相邻的三角面片合并成一个更加简单的面，在每一次迭代过程中找出合适的边，将边的两个端点Ｘ１、Ｘ２合并为一个新点Ｖ，从而减少面片数及顶点数；２）计算新点的最优坐标，使模型发生的变形最小化。模型简化前后效果对比见图１。

１．２ＬＯＤ

ＬＯＤ技术常用于大范围的三维场景优化。通过改变视角或距离展示不同精细度的模型，在远距离视角下展示低精度模型，节省渲染资源；在近距离视角下展示高精度模型，提供更精细的模型效果。ＬＯＤ技术的核心是对不同层次模型的绘制，近年来，有学者从模型的拓扑结构、贴图分辨率、模型减面等方面构建多层次模型［１３－１５］。

目前常见的ＬＯＤ算法主要有距离ＬＯＤ算法和屏幕空间ＬＯＤ算法，距离ＬＯＤ算法依据观察者与模型的距离ｄ值来选择合适的细节级别，屏幕空间ＬＯＤ算法依据一个顶点在屏幕上的投影面积Ｓ值来选择合适的细节级别，两种算法公式分别如下：

１．３浏览器优化

浏览器优化最常用的方法是调用ＷｅｂＧＬ引擎。ＷｅｂＧＬ通过直接调用显卡的ＧＰＵ进行图形计算，极大提高场景渲染性能和速度。利用ＷｅｂＧＬ的视锥裁剪、遮挡剔除、八叉树场景划分等技术，能有效提升模型的渲染和加载速度［１６－１９］，遮挡剔除和八叉树场景划分常用于大范围三维空间场景的渲染优化。图２展示了遮挡剔除的原理，完全位于视锥以外或者位于视锥内但是被前方物体遮挡的模型元素在渲染时将被剔除。

１．４基于实例化存储

基于实例化存储技术是指对于场景中的重复元素，只存储其中一个特征实例，其他实例通过矩阵变换生成，能有效避免重复模型的多次创建，减少存储量，提高模型的加载效率。在利用基于实例化存储技术进行模型轻量化处理时，应注意ＢＩＭ模型的細分程度，细分程度过粗将会导致轻量化效果不明显，细分程度过细将增加建模工作量以及模型的几何和属性数据体量［２０］。

１．５数模分离

数模分离是指将模型的非几何数据（模型尺寸、图层、材质、外观、附加参数等）剥离，存储至关系数据库，将构件元素ＩＤ与几何数据关联，以此来降低模型文件的体量。数模分离可以在优化模型加载性能的同时，实现几何信息与属性信息的隔离管理，防止相互干扰［１７］。

１．６材质贴图优化

材质贴图优化是指通过压缩纹理贴图、减小贴图分辨率、优化模型材质、降低模型材质复杂性及减少模型数量等方式，在确保场景视觉质量的前提下显著减小纹理体积，从而提高模型的渲染和加载效率。

２工程实例应用

密云水库改造消隐工程是一项规模较大、涉及专业面广、工期紧的水利工程项目。针对该工程，提出ＢＩＭ轻量化技术应用路线（见图３），积极运用多项ＢＩＭ轻量化技术，开发三维协同设计、设计方案汇报、施工管理平台等多项应用，各应用均基于一套ＢＩＭ模型进行数据流转和信息共享，实现对工程从设计到施工的全方位数字化管理。

在设计阶段，各专业基于ＢＩＭ轻量化协同设计平台，实现多专业三维协同设计和在线校审。设计人员可以在云端实时访问模型，避免因沟通不畅造成的设计误差；同时校核、审查人员可以在云端对模型相关问题进行标注，触发校核和审查流程，实现对整个设计生产任务的闭环管理。在设计方案汇报中，对ＢＩＭ＋ＧＩＳ模型进行优化与精简，在保留重要设计信息的同时，大大减小模型体量，显著提高场景渲染效率，使得设计团队能更快速、更流畅、更便捷地汇报设计成果，提高项目决策及评估效率。在施工阶段，基于设计阶段ＢＩＭ模型，采用ＢＩＭ轻量化引擎实现ＢＩＭ设计模型向ＢＩＭ施工模型的数据和属性传递，解决传统ＢＩＭ设计、施工模型两层皮的问题。基于ＢＩＭ＋ＩｏＴ、ＢＩＭ＋业务数据，采用ＢＩＭ轻量化引擎实现工地智慧化管理以及三维可视化进度、安全、质量管理，有效提升施工管理效率。

总体来讲，该工程ＢＩＭ轻量化技术手段的应用方向主要归纳为ＢＩＭ模型精简及渲染优化、ＢＩＭ轻量化协同设计平台搭建、ＢＩＭ轻量化施工管理平台搭建三部分。

２．１ＢＩＭ模型精简及渲染优化

该工程规模较大，工程位于山区地带，地理空间性较强，在工程设计过程中产生复杂且体量庞大的ＢＩＭ＋ＧＩＳ模型集，包括水工结构模型、金属结构模型、机电设备模型、建筑物模型、三维地质模型、倾斜摄影模型等。在设计过程中对调节池泄洪闸ＢＩＭ模型进行模型减面优化处理，不同优化比率的模型外观和几何属性有不同程度的变化，见图４。优化比率为２０％时模型基本能保持最原始的外观特征。

不同优化比率的模型顶点数、面片数、占用内存量对比见表１。优化比率为２０％时模型占用内存量相对于优化前减小了３８％，优化效果显著。

汇报设计方案时，为了展示工程建成后的设计效果，基于优化后的ＢＩＭ＋ＧＩＳ模型，对工程区大场景三维模型进行渲染。具体地，对模型贴图及材质进行优化，通过降低材质分辨率、去除不必要的材质信息、贴图融合等方式，有效减小整体贴图及材质数据体量，大大提高渲染效率。不同材质贴图优化程度的模型外观对比见图５，其中：图５（ａ）与图５（ｂ）是两个不同数据量的法线贴图，数据量叠加为２１５８４ｋＢ；图５（ｃ）是经过软件处理的法线贴图１与法线贴图２融合后的法线贴图，融合后数据量为９７７６ｋＢ；图５（ｄ）是贴图及材质优化叠加效果。单个融合后的法线贴图数据量较之前多个法线贴图叠加的数据量降低了５４．７％。

融合ＢＩＭ模型＋倾斜摄影模型可以直观地展示包含ＧＩＳ数据的高分辨率全景影像以及详细的水工建筑物几何信息。通过对融合模型进行优化与简化，生成ＬＯＤ模型，然后对不同细节的模型进行转换并封装成３Ｄｔｉｌｅｓ三维瓦片文件格式，提高了大场景模型的浏览与交互效率。图６展示了不同层次的模型细节，高细节层次下更多的模型构件被展出。

２．２ＢＩＭ轻量化协同设计平台搭建

该工程设计过程涉及水工、水文、建筑、景观、地质、测绘、金属结构、自动化等１４个专业，不同平台的ＢＩＭ模型需要交互与流转，例如：建筑厂房专业、金属结构专业、景观专业往往要基于水工专业的结构图纸进行设计，就目前的软件环境来说，各专业用的软件格式往往互不相同；同时各ＢＩＭ软件的相互兼容性较差，往往造成ＢＩＭ模型相关属性丢失。为此，依托基于ＢＩＭ轻量化技术搭建的ＢＩＭ轻量化协同设计平台，将不同ＢＩＭ数据格式转换成开放标准的数据格式［如工业基础类（ＩＦＣ）］，并建立统一的坐标系统，对关键的模型数据进行压缩及处理，实现不同专业的高效协同设计、数据同步及共享交换（见图７）。

相对于Ｃ／Ｓ校审来说，图纸的Ｂ／Ｓ校审在实现多终端性、实时协作性、易维护性方面更具优势。通过搭建基于云的ＢＩＭ輕量化协同设计平台，评审人员可以在不同终端上加载ＢＩＭ模型，通过在线批注、定义标记、添加注释等功能进行在线三维模型校核与审查，同时触发校审流程（见图８），实现流程的闭环管理，提升工程的三维设计质量与校审效率。

２．３ＢＩＭ轻量化施工管理平台搭建

相较于建筑、市政行业，水利工程建设一般具有综合性强、工程规模大、建设内容繁杂、施工工期长、投资大等特点，这就造成水利工程普遍存在工地管理混乱、工程进度难以控制、施工质量难以保证等问题。在该工程的施工阶段，基于ＢＩＭ设计模型对施工单元进行细分，丰富施工细节；基于ＢＩＭ轻量化引擎将ＢＩＭ模型与工程进度、施工资源关联，实现工程在线施工工序模拟。通过拾取ＢＩＭ单元构件ＩＤ，关联进度、安全、质量信息，将安全、质量问题定位到具体ＢＩＭ构件元素中，实现进度、质量、安全的三维可视化。此外，通过将ＢＩＭ模型与工地现场的环境监测设备、噪音监测设备、安全监测设备、视频监控设备结合，实现工地智慧化管理，大幅度提升施工现场管理水平。ＢＩＭ施工进度模拟见图９。

３讨论

３．１水利数据集成

在水利工程设计过程中需要处理地形、结构、水力学、洪水演进等多种类型数据，这些数据处理与分析往往需要在多个不同的软件中进行，为了在保证数据精度、空间分辨率、数据格式兼容性的前提下对ＢＩＭ模型与多学科数据进行联合应用，实现多源数据的综合分析与可视化，应在以下２个方面采取对策：１）制定统一数据标准、命名规则、格式规范，对异源数据进行校验、验证和筛选，确保数据的对接、匹配与集成。２）建立数据集成平台，该平台应具备数据转换和数据映射功能，能够对不同格式的数据进行转换。

３．２技术标准与规范

目前，ＢＩＭ轻量化技术的标准规范制定尚处于起步阶段，相关制度不完善，针对轻量化后的模型精度要求及应用场景要求暂时没有明确规定。从保真性、高效性、易用性等方面来讲，三维模型的轻量化及其应用应遵循以下原则：１）保留三维模型基本信息及不同场景的几何表达精度，允许部分無用信息丢失；２）考虑不同建模平台的文件格式的兼容性；３）尽量考虑技术人员的操作及浏览习惯；４）场景加载须稳定流畅，渲染效率、响应时间、帧数应控制在合理范围内；５）开发ａｐｉ接口，提高功能拓展自由度。

４结束语

本文总结现阶段主流的ＢＩＭ轻量化技术，以密云水库改造消隐工程为例，提出水利工程ＢＩＭ轻量化技术应用路线。现阶段主流的轻量化技术包括模型减面优化、ＬＯＤ、浏览器优化、基于实例化存储、数模分离、材质贴图优化等，通过各种轻量化技术的综合叠加运用，能显著提高模型的渲染及加载速度。目前ＢＩＭ软件的限制造成设计及施工阶段的ＢＩＭ模型割裂，采用ＢＩＭ轻量化引擎可以完整地传递ＢＩＭ模型信息，其是连接设计阶段ＢＩＭ模型与施工阶段ＢＩＭ模型的纽带。

参考文献：

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