張海兵，操鋒

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 數(shù)智化項目部，湖北 武漢 430063）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)在工程行業(yè)應(yīng)用正在逐步深入，杭州—海寧城際鐵路［1］、江陰靖江長江隧道［2］、西成高鐵［3］、北京地鐵19號線一期工程［4］等均運用BIM+GIS集成融合［5］技術(shù)，將多工點設(shè)計坐標的BIM模型統(tǒng)一到同一GIS坐標系，實現(xiàn)對工程完整性和全局性的參考、展示和分析，完成工程與周邊地形地貌的空間分析。然而，鐵路和軌道交通BIM設(shè)計中參與專業(yè)多、模型復(fù)雜、模型體量大，在SuperMap中實現(xiàn)BIM模型在GIS中的集成存在以下問題：（1）基于插件的模型格式轉(zhuǎn)換，需要每次單獨啟動BIM軟件，操作煩瑣、耗費電腦資源、速度慢；（2）每個BIM模型有多個圖層，需要逐圖層手工坐標變換，特別是全線全專業(yè)模型坐標變換過程更加煩瑣耗時；（3）手工進行BIM模型三角網(wǎng)簡化工作量巨大、耗時且效果不佳。BIM模型體量大、三角面片數(shù)多，SuperMap支持按所有模型對象或選中對象進行三角網(wǎng)簡化，無法做到按構(gòu)件幾何形態(tài)個性化簡化，逐構(gòu)件處理工作量十分巨大。如何快速簡化三角網(wǎng)面片又保持構(gòu)件幾何形態(tài)是需要解決的難題。上述問題對電腦硬件要求高，易造成大量重復(fù)性勞動，影響項目進度和集成效果。在此，提出基于族類型的三角網(wǎng)簡化，基于Revit API和SuperMap iObjects.Net API開發(fā)BIM模型輕量化輔助軟件，完成BIM模型到三維體數(shù)據(jù)模型（GeoModel3D）的批量格式和坐標轉(zhuǎn)換，優(yōu)化模型三角網(wǎng)簡化效果，提升BIM模型輕量化的效率和模型整合的效果。

1 模型輕量化解決方案

1.1 總體架構(gòu)

軟件開發(fā)基于C/S架構(gòu)實現(xiàn)BIM模型的輕量化處理，其總體架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對象為Revit模型、Bentley模型和通用空間數(shù)據(jù)庫擴展（Udbx）格式的模型，RevitAPI、RevitNET、Bentley.IModelIPC作為BIM模型中幾何體和屬性解析處理的基礎(chǔ)，SuperMap iObjects.Net是SuperMap平臺下對三維模型的幾何形體可視化表達、空間位置匹配、面片減少及緩存處理的基礎(chǔ)。軟件對于簡化參數(shù)按字典進行存儲，實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換、投影變換、模型緩存等功能，可有針對性地基于族類型進行三角網(wǎng)簡化，在應(yīng)用層實現(xiàn)模型和構(gòu)件的可視化。

圖1 模型輕量化總體架構(gòu)

1.2 基于iObject的開發(fā)

城市軌道交通和城際鐵路工程通常采用Revit和Bentley軟件開展BIM設(shè)計。基于SuperMap iObjects.Net的API可獲取BIM模型的幾何形體、材質(zhì)顏色、構(gòu)件屬性信息。熟悉iObjects的API內(nèi)容，可為實現(xiàn)模型輕量化做好技術(shù)鋪墊。BIM模型輕量化涉及格式轉(zhuǎn)換、空間位置匹配、三角網(wǎng)簡化、緩存創(chuàng)建等內(nèi)容，所需要的API類或函數(shù)見表1，但不僅限于表1內(nèi)容。

表1 SuperMap iObjects.Net類或函數(shù)

2 BIM模型輕量化關(guān)鍵技術(shù)

BIM模型輕量化主要包括模型格式轉(zhuǎn)換、模型空間位置匹配、構(gòu)件三角網(wǎng)簡化、模型緩存等方面。

2.1 模型格式轉(zhuǎn)換

模型格式轉(zhuǎn)換實現(xiàn)在GIS中完整表達BIM模型的幾何形態(tài)、屬性信息和材質(zhì)顏色，實現(xiàn)在GIS環(huán)境中模型構(gòu)件級別的表達，確保構(gòu)件的完整性。以Revit模型為例，基于IExportContext接口實現(xiàn)Revit模型文檔的導出，每個構(gòu)件采用三角網(wǎng)進行表達。針對形態(tài)相同的構(gòu)件，采用實例化的方式進行存儲，在格式轉(zhuǎn)換過程中可針對性地進行模型構(gòu)件簡化轉(zhuǎn)換。最終將BIM模型格式轉(zhuǎn)換為GeoModel3D格式存儲在Udbx文件中。其中Revit模型轉(zhuǎn)換界面見圖2，不需要啟動Revit軟件，可節(jié)省電腦資源，操作更便捷，提高模型轉(zhuǎn)換效率。

圖2 Revit模型格式轉(zhuǎn)換界面

2.2 模型空間位置匹配

城市軌道交通和城際鐵路有很多工程都是基于地方坐標系創(chuàng)建。在不同項目中，地方坐標的參考橢球、中央子午線不一，東方向平移量和北方向平移量均有差異。此外，每個城際鐵路和軌道交通工程項目的BIM建模標準不一，在BIM設(shè)計軟件中模型經(jīng)常建立在局部的工程坐標系下，如Revit設(shè)計軟件中，模型的坐標參照項目基點設(shè)定。因此，BIM模型轉(zhuǎn)換到GIS場景中必須經(jīng)過空間位置匹配，進行模型逐點的坐標變換或投影變換。

若忽略坐標系間的橢球差異，采用四參數(shù)方程組［6］可構(gòu)建二維平面直角坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

若考慮坐標系間的橢球差異，采用布爾莎七參數(shù)模型［7-10］實現(xiàn)空間直角坐標系A(chǔ)到空間直角坐標系B的坐標轉(zhuǎn)換：

四參數(shù)和七參數(shù)的空間匹配參數(shù)設(shè)置見圖3，通過設(shè)定轉(zhuǎn)換方法、比例差k、旋轉(zhuǎn)角度和偏移量等實現(xiàn)。軟件可批量實現(xiàn)圖層的轉(zhuǎn)換，取代手工逐個模型圖層進行空間坐標變換，特別是針對大體量BIM模型，操作便捷，可極大提高生產(chǎn)效率。

圖3 空間匹配參數(shù)設(shè)置

2.3 構(gòu)件三角網(wǎng)簡化

軌道交通項目中BIM模型的設(shè)計細節(jié)十分豐富，隨著設(shè)計階段的深入，對象復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量急劇增加。為滿足全專業(yè)全線BIM模型的高效可視化展示又完整保留構(gòu)件的幾何形態(tài)，核心工作是對BIM模型進行三角網(wǎng)簡化處理。當前，BIM模型輕量化處理通常采用整體模型或整體圖層三角網(wǎng)抽稀的方法來減小模型體量。然而，1個圖層中存在不同類型構(gòu)造生成的幾何體，如長方體、立方體、圓柱體等。不同的幾何體采用同一個簡化參數(shù)，有的幾何體三角網(wǎng)因簡化過度導致幾何形體失真變形；有的幾何體則簡化不足，體量很大。

當前方式無法實現(xiàn)構(gòu)件個性化的三角網(wǎng)減少，以達到模型體量減小的同時保持幾何形體完好。在Super-Map中支持對單個構(gòu)件逐一三角網(wǎng)簡化，但工作量巨大、耗時長，在實際生產(chǎn)過程中采用逐構(gòu)件三角網(wǎng)簡化的方式不現(xiàn)實，無法滿足模型整合的工期要求。采用軟件實現(xiàn)基于字典系數(shù)的三角網(wǎng)簡化，以Revit模型為例，通過針對每個族中的族類型確定簡化參數(shù)，對三角面大小進行排序，對于面積較小的三角形進行剔除，從而減少幾何形體的面片，做到三角網(wǎng)的簡化。軟件實現(xiàn)將族類型轉(zhuǎn)換為GeoModel3D，通過交互的方式確定該族類型的最優(yōu)三角網(wǎng)簡化系數(shù)，并作為字典記錄此簡化系數(shù)。在Revit模型轉(zhuǎn)化為GeoModel3D存儲為Udbx格式后，應(yīng)用此系數(shù)對所有同一族類型的構(gòu)件進行批量三角網(wǎng)簡化，從而獲得該族類型所有實例的最優(yōu)簡化效果。

2.4 模型緩存

模型緩存有助于提升大體量數(shù)據(jù)的瀏覽性能與顯示效果。針對簡化處理后的BIM模型，進行多層次細節(jié)（LOD）分層和八叉樹或四叉樹金字塔剖分，針對不同BIM模型類型進行瓦片邊長、紋理大小設(shè)定和切分。

模型加載時，結(jié)合LOD調(diào)度技術(shù)，隨視野遠近而變化，結(jié)合場景內(nèi)數(shù)據(jù)量進行模型緩存的調(diào)度，距離觀察點越遠，模型顯示的精細程度越粗糙。通過設(shè)定模型圖層的顯示渲染模式，設(shè)定加載模式和加載優(yōu)先級、圖層最大最小可見高度等，以提高模型瀏覽時的效果和顯示效率。

3 項目應(yīng)用

3.1 城際鐵路項目

選取正線長度約22 km城際鐵路開展技術(shù)方案應(yīng)用，該區(qū)段全線地下敷設(shè)，設(shè)地下車站2座和地下存車場1處，根據(jù)業(yè)主需要，全線進行BIM設(shè)計，在初步設(shè)計階段需要利用BIM+GIS方式進行拆遷分析等。

在該項目中對BIM模型轉(zhuǎn)換的udbx文件進行三角網(wǎng)簡化，為便于BIM模型整合后的瀏覽和顯示，對三角網(wǎng)簡化后的GeoModel3D進行緩存切割，軟件對模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況見表2。

表2 軟件對模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況

通過對構(gòu)件的三角網(wǎng)簡化，可以看到模型體量均有很大程度減小。為優(yōu)化模型集成展示效果，提升模型加載效率，對BIM模型進行LOD和緩存處理。城際鐵路項目傾斜攝影、管線模型在GIS場景中集成融合效果見圖4、圖5。

圖4 傾斜攝影與管線集成效果

圖5 管線模型在GIS中集成效果

3.2 地鐵項目

選取某地鐵項目約5 km區(qū)段進行技術(shù)方案應(yīng)用，該工程高架段約0.36 km、地下段約4.60 km，設(shè)地下站3座。軟件對模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況見表3。模型與傾斜攝影集成效果見圖6。

圖6 模型與傾斜攝影集成效果

表3 軟件對模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況

在該地鐵項目中，通過輕量化技術(shù)手段，模型均得到一定簡化，模型體量均有很大程度減小。由于該區(qū)段較短，但站房模型相對較大，通過模型緩存，對模型進行了有效簡化。

4 結(jié)束語

面向SuperMap的BIM模型輕量化處理軟件實現(xiàn)BIM模型到SuperMap的格式轉(zhuǎn)換、空間位置匹配、三角網(wǎng)簡化和緩存處理，以及族類型字典的三角網(wǎng)簡化系數(shù)復(fù)用、擴充和積累，支持在設(shè)計全階段、全過程的BIM模型輕量化處理。研究成果已在地鐵和城際鐵路工程中應(yīng)用，以確保Revit和Bentley模型的輕量化處理。軟件輕量化取代手工輕量化，可實現(xiàn)模型精確坐標轉(zhuǎn)換并優(yōu)化傳統(tǒng)三角網(wǎng)簡化效果，提高了模型輕量化和模型整合的效率，提升了BIM模型整合質(zhì)量和設(shè)計時效。該研究成果可持續(xù)為城市軌道交通、鐵路項目的BIM+GIS模型整合服務(wù)，為工程數(shù)字化和智能化提供技術(shù)支撐。