代進(jìn)雄 楊曉蕾 李大可 潘虎 林晶 莊妍 張穎 王春艷 徐健

摘 要：為提高ＢＩＭ 輕量化技術(shù)在水利工程中應(yīng)用的可行性和全面性，分析總結(jié)當(dāng)下主流的ＢＩＭ 輕量化技術(shù)，以密云水庫改造消隱工程為例，提出水利工程ＢＩＭ 輕量化技術(shù)應(yīng)用路線，改善不同建設(shè)階段ＢＩＭ 輕量化技術(shù)的應(yīng)用效果。在設(shè)計(jì)階段綜合運(yùn)用模型減面優(yōu)化法、渲染優(yōu)化法以及ＢＩＭ 輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，能大幅度提高三維模型設(shè)計(jì)效率；采用ＢＩＭ 輕量化引擎將ＢＩＭ 設(shè)計(jì)模型傳遞至施工階段，建立ＢＩＭ 輕量化施工管理平臺(tái)，能有效提高施工管理質(zhì)量，保障工程按時(shí)按質(zhì)完成。針對當(dāng)下ＢＩＭ 輕量化技術(shù)現(xiàn)狀，提出未來發(fā)展的建議：ＢＩＭ 輕量化技術(shù)應(yīng)集成多種水利工程行業(yè)特色數(shù)據(jù)，完善ＢＩＭ 規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，使ＢＩＭ 輕量化應(yīng)用體系更加規(guī)范化、科學(xué)化。

關(guān)鍵詞：ＢＩＭ 輕量化技術(shù)；輕量化引擎；三維協(xié)同設(shè)計(jì)；施工管理；ＢＩＭ＋ＧＩＳ；ＬＯＤ

中圖分類號：ＴＶ５１；ＴＰ３９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２２

引用格式：代進(jìn)雄，楊曉蕾，李大可，等．ＢＩＭ 輕量化技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１２１－１２５．

近年來，水利部陸續(xù)發(fā)布智慧水利建設(shè)的系列文件，明確推進(jìn)智慧水利建設(shè)的路線、進(jìn)度計(jì)劃、任務(wù)清單及責(zé)任分工，為水利工程向智慧化、高效性和可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的保障。ＢＩＭ 技術(shù)具有參數(shù)化、可視化、仿真化、協(xié)同化等特性，可實(shí)現(xiàn)水利工程從規(guī)劃、勘測、設(shè)計(jì)、施工乃至運(yùn)維的全生命周期信息集成與傳遞。水利工程規(guī)模大、復(fù)雜性強(qiáng)、涉及專業(yè)多，造成ＢＩＭ 模型的數(shù)據(jù)體量龐大，往往包含大范圍的地理空間數(shù)據(jù)以及多類別水工建筑物模型、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備模型等，給項(xiàng)目的協(xié)同管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，為提升ＢＩＭ 的應(yīng)用效能，對ＢＩＭ 模型進(jìn)行輕量化處理十分重要。

ＢＩＭ 輕量化是指在保證ＢＩＭ 模型數(shù)據(jù)質(zhì)量和安全的前提下，盡量壓縮模型體量，以提高模型數(shù)據(jù)傳輸和加載效率［１］ 。ＢＩＭ 輕量化技術(shù)起自２０ 世紀(jì)９０ 年代，１９９６ 年，美國學(xué)者Ｈｏｐｐｅ［２］ 提出漸進(jìn)網(wǎng)格理論（Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｍｅｓｈ），實(shí)現(xiàn)了對不同細(xì)節(jié)的三維模型的級聯(lián)展示，首次開創(chuàng)了網(wǎng)格簡化和細(xì)分算法。１９９７年，Ｇａｒｌａｎｄ 等［３］ 提出了一種以二次誤差作為度量代價(jià)的網(wǎng)格邊收縮算法，該算法計(jì)算速度快且網(wǎng)格簡化效率高。隨后多層次細(xì)節(jié)（ＬＯＤ）算法被提出，為ＢＩＭ 輕量化技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著國外模型輕量化技術(shù)發(fā)展，我國在２０ 世紀(jì)９０ 年代后期開始對ＢＩＭ 模型輕量化進(jìn)行研究及應(yīng)用。１９９９ 年，趙東等［４］ 提出了基于三角剖分網(wǎng)的復(fù)雜面模型分層逐步顯示的多分辨率顯示算法。２００２ 年，趙新華［５］ 提出了基于不同視角特征的模型簡化算法。２００６ 年，薛輝［６］ 提出了面向裝配式建筑ＢＩＭ 模型的簡化表示方法。２０１６ 年，羅飛［７］ 開展了基于ＷｅｂＧＬ 的Ｒｅｖｉｔ 環(huán)境的ＢＩＭ 模型簡化及可視化方法研究，實(shí)現(xiàn)瀏覽器端的輕量化顯示。之后大量學(xué)者探索了基于移動(dòng)終端以及ＶＲ 的ＢＩＭ 可視化方法［８－１２］ 。

目前，大多數(shù)模型輕量化研究及應(yīng)用都集中在建筑、市政領(lǐng)域，相較于建筑、公路、鐵路等模型，水利工程模型往往具有大量不規(guī)則曲面、復(fù)雜的幾何形狀、多層次的子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及與地理空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)強(qiáng)等特點(diǎn)，造成ＢＩＭ 輕量化處理復(fù)雜，相關(guān)研究及應(yīng)用較少。此外，已有研究主要是對基于Ｒｅｖｉｔ 建模軟件生成的ｒｖｔ 文件格式進(jìn)行輕量化處理，對于其他三維模型格式如ｄｇｎ 的研究有限，相關(guān)輕量化方法無法復(fù)用。本文分析現(xiàn)有輕量化技術(shù)特點(diǎn)，以密云水庫改造消隱工程為例，對模型進(jìn)行精簡及渲染優(yōu)化、搭建輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、搭建輕量化施工管理平臺(tái)，提出符合水利工程的ＢＩＭ 輕量化技術(shù)應(yīng)用路線，以期提高水利工程設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，加快施工進(jìn)度。

１ 關(guān)鍵技術(shù)分析

１．１ 減面優(yōu)化

減面優(yōu)化是指采用網(wǎng)格簡化算法對三角網(wǎng)格進(jìn)行精簡，刪除大量煩冗面片及不必要的幾何細(xì)節(jié)，保留關(guān)鍵特征，在盡量保持初始模型外觀不變的條件下降低模型面片數(shù)及頂點(diǎn)數(shù)。減面優(yōu)化處理最常見的算法是Ｍｅｓｈ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（網(wǎng)格簡化），其基本思想是：１）將相鄰的三角面片合并成一個(gè)更加簡單的面，在每一次迭代過程中找出合適的邊，將邊的兩個(gè)端點(diǎn)Ｘ１、Ｘ２ 合并為一個(gè)新點(diǎn)Ｖ，從而減少面片數(shù)及頂點(diǎn)數(shù)；２）計(jì)算新點(diǎn)的最優(yōu)坐標(biāo)，使模型發(fā)生的變形最小化。模型簡化前后效果對比見圖１。

１．２ ＬＯＤ

ＬＯＤ 技術(shù)常用于大范圍的三維場景優(yōu)化。通過改變視角或距離展示不同精細(xì)度的模型，在遠(yuǎn)距離視角下展示低精度模型，節(jié)省渲染資源；在近距離視角下展示高精度模型，提供更精細(xì)的模型效果。ＬＯＤ 技術(shù)的核心是對不同層次模型的繪制，近年來，有學(xué)者從模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、貼圖分辨率、模型減面等方面構(gòu)建多層次模型［１３－１５］ 。

目前常見的ＬＯＤ 算法主要有距離ＬＯＤ 算法和屏幕空間ＬＯＤ 算法，距離ＬＯＤ 算法依據(jù)觀察者與模型的距離ｄ 值來選擇合適的細(xì)節(jié)級別，屏幕空間ＬＯＤ 算法依據(jù)一個(gè)頂點(diǎn)在屏幕上的投影面積Ｓ 值來選擇合適的細(xì)節(jié)級別，兩種算法公式分別如下：

１．３ 瀏覽器優(yōu)化

瀏覽器優(yōu)化最常用的方法是調(diào)用ＷｅｂＧＬ 引擎。ＷｅｂＧＬ 通過直接調(diào)用顯卡的ＧＰＵ 進(jìn)行圖形計(jì)算，極大提高場景渲染性能和速度。利用ＷｅｂＧＬ 的視錐裁剪、遮擋剔除、八叉樹場景劃分等技術(shù)，能有效提升模型的渲染和加載速度［１６－１９］ ，遮擋剔除和八叉樹場景劃分常用于大范圍三維空間場景的渲染優(yōu)化。圖２ 展示了遮擋剔除的原理，完全位于視錐以外或者位于視錐內(nèi)但是被前方物體遮擋的模型元素在渲染時(shí)將被剔除。

１．４ 基于實(shí)例化存儲(chǔ)

基于實(shí)例化存儲(chǔ)技術(shù)是指對于場景中的重復(fù)元素，只存儲(chǔ)其中一個(gè)特征實(shí)例，其他實(shí)例通過矩陣變換生成，能有效避免重復(fù)模型的多次創(chuàng)建，減少存儲(chǔ)量，提高模型的加載效率。在利用基于實(shí)例化存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行模型輕量化處理時(shí)，應(yīng)注意ＢＩＭ 模型的細(xì)分程度，細(xì)分程度過粗將會(huì)導(dǎo)致輕量化效果不明顯，細(xì)分程度過細(xì)將增加建模工作量以及模型的幾何和屬性數(shù)據(jù)體量［２０］ 。

１．５ 數(shù)模分離

數(shù)模分離是指將模型的非幾何數(shù)據(jù)（模型尺寸、圖層、材質(zhì)、外觀、附加參數(shù)等）剝離，存儲(chǔ)至關(guān)系數(shù)據(jù)庫，將構(gòu)件元素ＩＤ 與幾何數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以此來降低模型文件的體量。數(shù)模分離可以在優(yōu)化模型加載性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)幾何信息與屬性信息的隔離管理，防止相互干擾［１７］ 。

１．６ 材質(zhì)貼圖優(yōu)化

材質(zhì)貼圖優(yōu)化是指通過壓縮紋理貼圖、減小貼圖分辨率、優(yōu)化模型材質(zhì)、降低模型材質(zhì)復(fù)雜性及減少模型數(shù)量等方式，在確保場景視覺質(zhì)量的前提下顯著減小紋理體積，從而提高模型的渲染和加載效率。

２ 工程實(shí)例應(yīng)用

密云水庫改造消隱工程是一項(xiàng)規(guī)模較大、涉及專業(yè)面廣、工期緊的水利工程項(xiàng)目。針對該工程，提出ＢＩＭ 輕量化技術(shù)應(yīng)用路線（見圖３），積極運(yùn)用多項(xiàng)ＢＩＭ 輕量化技術(shù)，開發(fā)三維協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方案匯報(bào)、施工管理平臺(tái)等多項(xiàng)應(yīng)用，各應(yīng)用均基于一套ＢＩＭ 模型進(jìn)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和信息共享，實(shí)現(xiàn)對工程從設(shè)計(jì)到施工的全方位數(shù)字化管理。

在設(shè)計(jì)階段，各專業(yè)基于ＢＩＭ 輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)和在線校審。設(shè)計(jì)人員可以在云端實(shí)時(shí)訪問模型，避免因溝通不暢造成的設(shè)計(jì)誤差；同時(shí)校核、審查人員可以在云端對模型相關(guān)問題進(jìn)行標(biāo)注，觸發(fā)校核和審查流程，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)任務(wù)的閉環(huán)管理。在設(shè)計(jì)方案匯報(bào)中，對ＢＩＭ＋ＧＩＳ模型進(jìn)行優(yōu)化與精簡，在保留重要設(shè)計(jì)信息的同時(shí)，大大減小模型體量，顯著提高場景渲染效率，使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能更快速、更流暢、更便捷地匯報(bào)設(shè)計(jì)成果，提高項(xiàng)目決策及評估效率。在施工階段，基于設(shè)計(jì)階段ＢＩＭ模型，采用ＢＩＭ 輕量化引擎實(shí)現(xiàn)ＢＩＭ 設(shè)計(jì)模型向ＢＩＭ施工模型的數(shù)據(jù)和屬性傳遞，解決傳統(tǒng)ＢＩＭ 設(shè)計(jì)、施工模型兩層皮的問題?；冢拢桑停桑铮?、ＢＩＭ＋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，采用ＢＩＭ 輕量化引擎實(shí)現(xiàn)工地智慧化管理以及三維可視化進(jìn)度、安全、質(zhì)量管理，有效提升施工管理效率。

總體來講，該工程ＢＩＭ 輕量化技術(shù)手段的應(yīng)用方向主要?dú)w納為ＢＩＭ 模型精簡及渲染優(yōu)化、ＢＩＭ 輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建、ＢＩＭ 輕量化施工管理平臺(tái)搭建三部分。

２．１ ＢＩＭ 模型精簡及渲染優(yōu)化

該工程規(guī)模較大，工程位于山區(qū)地帶，地理空間性較強(qiáng)，在工程設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生復(fù)雜且體量龐大的ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型集，包括水工結(jié)構(gòu)模型、金屬結(jié)構(gòu)模型、機(jī)電設(shè)備模型、建筑物模型、三維地質(zhì)模型、傾斜攝影模型等。在設(shè)計(jì)過程中對調(diào)節(jié)池泄洪閘ＢＩＭ 模型進(jìn)行模型減面優(yōu)化處理，不同優(yōu)化比率的模型外觀和幾何屬性有不同程度的變化，見圖４。優(yōu)化比率為２０％時(shí)模型基本能保持最原始的外觀特征。

不同優(yōu)化比率的模型頂點(diǎn)數(shù)、面片數(shù)、占用內(nèi)存量對比見表１。優(yōu)化比率為２０％時(shí)模型占用內(nèi)存量相對于優(yōu)化前減小了３８％，優(yōu)化效果顯著。

匯報(bào)設(shè)計(jì)方案時(shí)，為了展示工程建成后的設(shè)計(jì)效果，基于優(yōu)化后的ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型，對工程區(qū)大場景三維模型進(jìn)行渲染。具體地，對模型貼圖及材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，通過降低材質(zhì)分辨率、去除不必要的材質(zhì)信息、貼圖融合等方式，有效減小整體貼圖及材質(zhì)數(shù)據(jù)體量，大大提高渲染效率。不同材質(zhì)貼圖優(yōu)化程度的模型外觀對比見圖５，其中：圖５（ａ）與圖５（ｂ）是兩個(gè)不同數(shù)據(jù)量的法線貼圖，數(shù)據(jù)量疊加為２１ ５８４ ｋＢ；圖５（ｃ）是經(jīng)過軟件處理的法線貼圖１ 與法線貼圖２ 融合后的法線貼圖，融合后數(shù)據(jù)量為９ ７７６ ｋＢ；圖５（ｄ）是貼圖及材質(zhì)優(yōu)化疊加效果。單個(gè)融合后的法線貼圖數(shù)據(jù)量較之前多個(gè)法線貼圖疊加的數(shù)據(jù)量降低了５４．７％。

融合ＢＩＭ 模型＋傾斜攝影模型可以直觀地展示包含ＧＩＳ 數(shù)據(jù)的高分辨率全景影像以及詳細(xì)的水工建筑物幾何信息。通過對融合模型進(jìn)行優(yōu)化與簡化，生成ＬＯＤ 模型，然后對不同細(xì)節(jié)的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換并封裝成３Ｄｔｉｌｅｓ 三維瓦片文件格式，提高了大場景模型的瀏覽與交互效率。圖６ 展示了不同層次的模型細(xì)節(jié)，高細(xì)節(jié)層次下更多的模型構(gòu)件被展出。

２．２ ＢＩＭ 輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建

該工程設(shè)計(jì)過程涉及水工、水文、建筑、景觀、地質(zhì)、測繪、金屬結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化等１４ 個(gè)專業(yè)，不同平臺(tái)的ＢＩＭ 模型需要交互與流轉(zhuǎn)，例如：建筑廠房專業(yè)、金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)、景觀專業(yè)往往要基于水工專業(yè)的結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，就目前的軟件環(huán)境來說，各專業(yè)用的軟件格式往往互不相同；同時(shí)各ＢＩＭ 軟件的相互兼容性較差，往往造成ＢＩＭ 模型相關(guān)屬性丟失。為此，依托基于ＢＩＭ 輕量化技術(shù)搭建的ＢＩＭ 輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，將不同ＢＩＭ 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成開放標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式［如工業(yè)基礎(chǔ)類（ＩＦＣ）］，并建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，對關(guān)鍵的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮及處理，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)的高效協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)同步及共享交換（見圖７）。

相對于Ｃ／ Ｓ 校審來說，圖紙的Ｂ／ Ｓ 校審在實(shí)現(xiàn)多終端性、實(shí)時(shí)協(xié)作性、易維護(hù)性方面更具優(yōu)勢。通過搭建基于云的ＢＩＭ 輕量化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，評審人員可以在不同終端上加載ＢＩＭ 模型，通過在線批注、定義標(biāo)記、添加注釋等功能進(jìn)行在線三維模型校核與審查，同時(shí)觸發(fā)校審流程（見圖８），實(shí)現(xiàn)流程的閉環(huán)管理，提升工程的三維設(shè)計(jì)質(zhì)量與校審效率。

２．３ ＢＩＭ 輕量化施工管理平臺(tái)搭建

相較于建筑、市政行業(yè)，水利工程建設(shè)一般具有綜合性強(qiáng)、工程規(guī)模大、建設(shè)內(nèi)容繁雜、施工工期長、投資大等特點(diǎn)，這就造成水利工程普遍存在工地管理混亂、工程進(jìn)度難以控制、施工質(zhì)量難以保證等問題。在該工程的施工階段，基于ＢＩＭ 設(shè)計(jì)模型對施工單元進(jìn)行細(xì)分，豐富施工細(xì)節(jié)；基于ＢＩＭ 輕量化引擎將ＢＩＭ 模型與工程進(jìn)度、施工資源關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)工程在線施工工序模擬。通過拾?。拢桑?單元構(gòu)件ＩＤ，關(guān)聯(lián)進(jìn)度、安全、質(zhì)量信息，將安全、質(zhì)量問題定位到具體ＢＩＭ 構(gòu)件元素中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量、安全的三維可視化。此外，通過將ＢＩＭ 模型與工地現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、噪音監(jiān)測設(shè)備、安全監(jiān)測設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工地智慧化管理，大幅度提升施工現(xiàn)場管理水平。ＢＩＭ 施工進(jìn)度模擬見圖９。

３ 討論

３．１ 水利數(shù)據(jù)集成

在水利工程設(shè)計(jì)過程中需要處理地形、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)、洪水演進(jìn)等多種類型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)處理與分析往往需要在多個(gè)不同的軟件中進(jìn)行，為了在保證數(shù)據(jù)精度、空間分辨率、數(shù)據(jù)格式兼容性的前提下對ＢＩＭ 模型與多學(xué)科數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的綜合分析與可視化，應(yīng)在以下２ 個(gè)方面采取對策：１）制定統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、命名規(guī)則、格式規(guī)范，對異源數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、驗(yàn)證和篩選，確保數(shù)據(jù)的對接、匹配與集成。２）建立數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，該平臺(tái)應(yīng)具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)映射功能，能夠?qū)Σ煌袷降臄?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

３．２ 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

目前，ＢＩＭ 輕量化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定尚處于起步階段，相關(guān)制度不完善，針對輕量化后的模型精度要求及應(yīng)用場景要求暫時(shí)沒有明確規(guī)定。從保真性、高效性、易用性等方面來講，三維模型的輕量化及其應(yīng)用應(yīng)遵循以下原則：１）保留三維模型基本信息及不同場景的幾何表達(dá)精度，允許部分無用信息丟失；２）考慮不同建模平臺(tái)的文件格式的兼容性；３）盡量考慮技術(shù)人員的操作及瀏覽習(xí)慣；４）場景加載須穩(wěn)定流暢，渲染效率、響應(yīng)時(shí)間、幀數(shù)應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)；５）開發(fā)ａｐｉ 接口，提高功能拓展自由度。

４ 結(jié)束語

本文總結(jié)現(xiàn)階段主流的ＢＩＭ 輕量化技術(shù)，以密云水庫改造消隱工程為例，提出水利工程ＢＩＭ 輕量化技術(shù)應(yīng)用路線?，F(xiàn)階段主流的輕量化技術(shù)包括模型減面優(yōu)化、ＬＯＤ、瀏覽器優(yōu)化、基于實(shí)例化存儲(chǔ)、數(shù)模分離、材質(zhì)貼圖優(yōu)化等，通過各種輕量化技術(shù)的綜合疊加運(yùn)用，能顯著提高模型的渲染及加載速度。目前ＢＩＭ 軟件的限制造成設(shè)計(jì)及施工階段的ＢＩＭ 模型割裂，采用ＢＩＭ 輕量化引擎可以完整地傳遞ＢＩＭ 模型信息，其是連接設(shè)計(jì)階段ＢＩＭ 模型與施工階段ＢＩＭ 模型的紐帶。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】