ＢＩＭ 輕量化技術在水利工程中的應用

代進雄 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 輕量化技術在水利工程中應用的可行性和全面性，分析總結當下主流的ＢＩＭ 輕量化技術，以密云水庫改造消隱工程為例，提出水利工程ＢＩＭ 輕量化技術應用路線，改善不同建設階段ＢＩＭ 輕量化技術的應用效果。在設計階段綜合運用模型減面優化法、渲染優化法以及ＢＩＭ 輕量化協同設計平臺，能大幅度提高三維模型設計效率；采用ＢＩＭ 輕量化引擎將ＢＩＭ 設計模型傳遞至施工階段，建立ＢＩＭ 輕量化施工管理平臺，能有效提高施工管理質量，保障工程按時按質完成。針對當下ＢＩＭ 輕量化技術現狀，提出未來發展的建議：ＢＩＭ 輕量化技術應集成多種水利工程行業特色數據，完善ＢＩＭ 規范及標準，使ＢＩＭ 輕量化應用體系更加規范化、科學化。

關鍵詞：ＢＩＭ 輕量化技術；輕量化引擎；三維協同設計；施工管理；ＢＩＭ＋ＧＩＳ；ＬＯＤ

中圖分類號：ＴＶ５１；ＴＰ３９ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２２

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

近年來，水利部陸續發布智慧水利建設的系列文件，明確推進智慧水利建設的路線、進度計劃、任務清單及責任分工，為水利工程向智慧化、高效性和可持續發展提供了堅實的保障。ＢＩＭ 技術具有參數化、可視化、仿真化、協同化等特性，可實現水利工程從規劃、勘測、設計、施工乃至運維的全生命周期信息集成與傳遞。水利工程規模大、復雜性強、涉及專業多，造成ＢＩＭ 模型的數據體量龐大，往往包含大范圍的地理空間數據以及多類別水工建筑物模型、金屬結構設備模型等，給項目的協同管理和數據應用帶來了巨大挑戰。因此，為提升ＢＩＭ 的應用效能，對ＢＩＭ 模型進行輕量化處理十分重要。

ＢＩＭ 輕量化是指在保證ＢＩＭ 模型數據質量和安全的前提下，盡量壓縮模型體量，以提高模型數據傳輸和加載效率［１］ 。ＢＩＭ 輕量化技術起自２０ 世紀９０ 年代，１９９６ 年，美國學者Ｈｏｐｐｅ［２］ 提出漸進網格理論（Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｍｅｓｈ），實現了對不同細節的三維模型的級聯展示，首次開創了網格簡化和細分算法。１９９７年，Ｇａｒｌａｎｄ 等［３］ 提出了一種以二次誤差作為度量代價的網格邊收縮算法，該算法計算速度快且網格簡化效率高。隨后多層次細節（ＬＯＤ）算法被提出，為ＢＩＭ 輕量化技術的發展奠定了基礎。隨著國外模型輕量化技術發展，我國在２０ 世紀９０ 年代后期開始對ＢＩＭ 模型輕量化進行研究及應用。１９９９ 年，趙東等［４］ 提出了基于三角剖分網的復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 環境的ＢＩＭ 模型簡化及可視化方法研究，實現瀏覽器端的輕量化顯示。之后大量學者探索了基于移動終端以及ＶＲ 的ＢＩＭ 可視化方法［８－１２］ 。

目前，大多數模型輕量化研究及應用都集中在建筑、市政領域，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則曲面、復雜的幾何形狀、多層次的子系統結構以及與地理空間數據關聯強等特點，造成ＢＩＭ 輕量化處理復雜，相關研究及應用較少。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，相關輕量化方法無法復用。本文分析現有輕量化技術特點，以密云水庫改造消隱工程為例，對模型進行精簡及渲染優化、搭建輕量化協同設計平臺、搭建輕量化施工管理平臺，提出符合水利工程的ＢＩＭ 輕量化技術應用路線，以期提高水利工程設計效率和質量，加快施工進度。

１ 關鍵技術分析

１．１ 減面優化

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

１．２ ＬＯＤ

ＬＯＤ 技術常用于大范圍的三維場景優化。通過改變視角或距離展示不同精細度的模型，在遠距離視角下展示低精度模型，節省渲染資源；在近距離視角下展示高精度模型，提供更精細的模型效果。ＬＯＤ 技術的核心是對不同層次模型的繪制，近年來，有學者從模型的拓撲結構、貼圖分辨率、模型減面等方面構建多層次模型［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 算法依據觀察者與模型的距離ｄ 值來選擇合適的細節級別，屏幕空間ＬＯＤ 算法依據一個頂點在屏幕上的投影面積Ｓ 值來選擇合適的細節級別，兩種算法公式分別如下：

１．３ 瀏覽器優化

瀏覽器優化最常用的方法是調用ＷｅｂＧＬ 引擎。ＷｅｂＧＬ 通過直接調用顯卡的ＧＰＵ 進行圖形計算，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，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但是被前方物體遮擋的模型元素在渲染時將被剔除。

１．４ 基于實例化存儲

基于實例化存儲技術是指對于場景中的重復元素，只存儲其中一個特征實例，其他實例通過矩陣變換生成，能有效避免重復模型的多次創建，減少存儲量，提高模型的加載效率。在利用基于實例化存儲技術進行模型輕量化處理時，應注意ＢＩＭ 模型的細分程度，細分程度過粗將會導致輕量化效果不明顯，細分程度過細將增加建模工作量以及模型的幾何和屬性數據體量［２０］ 。

１．５ 數模分離

數模分離是指將模型的非幾何數據（模型尺寸、圖層、材質、外觀、附加參數等）剝離，存儲至關系數據庫，將構件元素ＩＤ 與幾何數據關聯，以此來降低模型文件的體量。數模分離可以在優化模型加載性能的同時，實現幾何信息與屬性信息的隔離管理，防止相互干擾［１７］ 。

１．６ 材質貼圖優化

材質貼圖優化是指通過壓縮紋理貼圖、減小貼圖分辨率、優化模型材質、降低模型材質復雜性及減少模型數量等方式，在確保場景視覺質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 工程實例應用

密云水庫改造消隱工程是一項規模較大、涉及專業面廣、工期緊的水利工程項目。針對該工程，提出ＢＩＭ 輕量化技術應用路線（見圖３），積極運用多項ＢＩＭ 輕量化技術，開發三維協同設計、設計方案匯報、施工管理平臺等多項應用，各應用均基于一套ＢＩＭ 模型進行數據流轉和信息共享，實現對工程從設計到施工的全方位數字化管理。

在設計階段，各專業基于ＢＩＭ 輕量化協同設計平臺，實現多專業三維協同設計和在線校審。設計人員可以在云端實時訪問模型，避免因溝通不暢造成的設計誤差；同時校核、審查人員可以在云端對模型相關問題進行標注，觸發校核和審查流程，實現對整個設計生產任務的閉環管理。在設計方案匯報中，對ＢＩＭ＋ＧＩＳ模型進行優化與精簡，在保留重要設計信息的同時，大大減小模型體量，顯著提高場景渲染效率，使得設計團隊能更快速、更流暢、更便捷地匯報設計成果，提高項目決策及評估效率。在施工階段，基于設計階段ＢＩＭ模型，采用ＢＩＭ 輕量化引擎實現ＢＩＭ 設計模型向ＢＩＭ施工模型的數據和屬性傳遞，解決傳統ＢＩＭ 設計、施工模型兩層皮的問題?；冢拢桑停桑铮?、ＢＩＭ＋業務數據，采用ＢＩＭ 輕量化引擎實現工地智慧化管理以及三維可視化進度、安全、質量管理，有效提升施工管理效率。

總體來講，該工程ＢＩＭ 輕量化技術手段的應用方向主要歸納為ＢＩＭ 模型精簡及渲染優化、ＢＩＭ 輕量化協同設計平臺搭建、ＢＩＭ 輕量化施工管理平臺搭建三部分。

２．１ ＢＩＭ 模型精簡及渲染優化

該工程規模較大，工程位于山區地帶，地理空間性較強，在工程設計過程中產生復雜且體量龐大的ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型集，包括水工結構模型、金屬結構模型、機電設備模型、建筑物模型、三維地質模型、傾斜攝影模型等。在設計過程中對調節池泄洪閘ＢＩＭ 模型進行模型減面優化處理，不同優化比率的模型外觀和幾何屬性有不同程度的變化，見圖４。優化比率為２０％時模型基本能保持最原始的外觀特征。

不同優化比率的模型頂點數、面片數、占用內存量對比見表１。優化比率為２０％時模型占用內存量相對于優化前減小了３８％，優化效果顯著。

匯報設計方案時，為了展示工程建成后的設計效果，基于優化后的ＢＩＭ＋ＧＩＳ 模型，對工程區大場景三維模型進行渲染。具體地，對模型貼圖及材質進行優化，通過降低材質分辨率、去除不必要的材質信息、貼圖融合等方式，有效減小整體貼圖及材質數據體量，大大提高渲染效率。不同材質貼圖優化程度的模型外觀對比見圖５，其中：圖５（ａ）與圖５（ｂ）是兩個不同數據量的法線貼圖，數據量疊加為２１ ５８４ ｋＢ；圖５（ｃ）是經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，融合后數據量為９ ７７６ ｋＢ；圖５（ｄ）是貼圖及材質優化疊加效果。單個融合后的法線貼圖數據量較之前多個法線貼圖疊加的數據量降低了５４．７％。

融合ＢＩＭ 模型＋傾斜攝影模型可以直觀地展示包含ＧＩＳ 數據的高分辨率全景影像以及詳細的水工建筑物幾何信息。通過對融合模型進行優化與簡化，生成ＬＯＤ 模型，然后對不同細節的模型進行轉換并封裝成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節，高細節層次下更多的模型構件被展出。

２．２ ＢＩＭ 輕量化協同設計平臺搭建

該工程設計過程涉及水工、水文、建筑、景觀、地質、測繪、金屬結構、自動化等１４ 個專業，不同平臺的ＢＩＭ 模型需要交互與流轉，例如：建筑廠房專業、金屬結構專業、景觀專業往往要基于水工專業的結構圖紙進行設計，就目前的軟件環境來說，各專業用的軟件格式往往互不相同；同時各ＢＩＭ 軟件的相互兼容性較差，往往造成ＢＩＭ 模型相關屬性丟失。為此，依托基于ＢＩＭ 輕量化技術搭建的ＢＩＭ 輕量化協同設計平臺，將不同ＢＩＭ 數據格式轉換成開放標準的數據格式［如工業基礎類（ＩＦＣ）］，并建立統一的坐標系統，對關鍵的模型數據進行壓縮及處理，實現不同專業的高效協同設計、數據同步及共享交換（見圖７）。

相對于Ｃ／ Ｓ 校審來說，圖紙的Ｂ／ Ｓ 校審在實現多終端性、實時協作性、易維護性方面更具優勢。通過搭建基于云的ＢＩＭ 輕量化協同設計平臺，評審人員可以在不同終端上加載ＢＩＭ 模型，通過在線批注、定義標記、添加注釋等功能進行在線三維模型校核與審查，同時觸發校審流程（見圖８），實現流程的閉環管理，提升工程的三維設計質量與校審效率。

２．３ ＢＩＭ 輕量化施工管理平臺搭建

相較于建筑、市政行業，水利工程建設一般具有綜合性強、工程規模大、建設內容繁雜、施工工期長、投資大等特點，這就造成水利工程普遍存在工地管理混亂、工程進度難以控制、施工質量難以保證等問題。在該工程的施工階段，基于ＢＩＭ 設計模型對施工單元進行細分，豐富施工細節；基于ＢＩＭ 輕量化引擎將ＢＩＭ 模型與工程進度、施工資源關聯，實現工程在線施工工序模擬。通過拾?。拢桑?單元構件ＩＤ，關聯進度、安全、質量信息，將安全、質量問題定位到具體ＢＩＭ 構件元素中，實現進度、質量、安全的三維可視化。此外，通過將ＢＩＭ 模型與工地現場的環境監測設備、噪音監測設備、安全監測設備、視頻監控設備結合，實現工地智慧化管理，大幅度提升施工現場管理水平。ＢＩＭ 施工進度模擬見圖９。

３ 討論

３．１ 水利數據集成

在水利工程設計過程中需要處理地形、結構、水力學、洪水演進等多種類型數據，這些數據處理與分析往往需要在多個不同的軟件中進行，為了在保證數據精度、空間分辨率、數據格式兼容性的前提下對ＢＩＭ 模型與多學科數據進行聯合應用，實現多源數據的綜合分析與可視化，應在以下２ 個方面采取對策：１）制定統一數據標準、命名規則、格式規范，對異源數據進行校驗、驗證和篩選，確保數據的對接、匹配與集成。２）建立數據集成平臺，該平臺應具備數據轉換和數據映射功能，能夠對不同格式的數據進行轉換。

３．２ 技術標準與規范

目前，ＢＩＭ 輕量化技術的標準規范制定尚處于起步階段，相關制度不完善，針對輕量化后的模型精度要求及應用場景要求暫時沒有明確規定。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用應遵循以下原則：１）保留三維模型基本信息及不同場景的幾何表達精度，允許部分無用信息丟失；２）考慮不同建模平臺的文件格式的兼容性；３）盡量考慮技術人員的操作及瀏覽習慣；４）場景加載須穩定流暢，渲染效率、響應時間、幀數應控制在合理范圍內；５）開發ａｐｉ 接口，提高功能拓展自由度。

４ 結束語

本文總結現階段主流的ＢＩＭ 輕量化技術，以密云水庫改造消隱工程為例，提出水利工程ＢＩＭ 輕量化技術應用路線?，F階段主流的輕量化技術包括模型減面優化、ＬＯＤ、瀏覽器優化、基于實例化存儲、數模分離、材質貼圖優化等，通過各種輕量化技術的綜合疊加運用，能顯著提高模型的渲染及加載速度。目前ＢＩＭ 軟件的限制造成設計及施工階段的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，其是連接設計階段ＢＩＭ 模型與施工階段ＢＩＭ 模型的紐帶。

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【責任編輯 栗 銘】