魏英洪
(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 信息化設(shè)計(jì)研究院,天津 300308)
中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱國鐵集團(tuán))貫徹十九大“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略,推動(dòng)鐵路智能化發(fā)展[1]。開展智能化數(shù)字鐵路客站技術(shù)攻關(guān),依托某重點(diǎn)在建高鐵客站工程開展全生命周期BIM相關(guān)技術(shù)研究。在項(xiàng)目完成設(shè)計(jì)及施工階段的模型構(gòu)建和應(yīng)用后,形成竣工模型,但在運(yùn)維階段對(duì)如何使用龐大的模型文件及眾多專業(yè)構(gòu)件和數(shù)據(jù)信息,并能夠?qū)@些模型及數(shù)據(jù)結(jié)合運(yùn)維管理業(yè)務(wù)進(jìn)行開發(fā)等方面面臨困難,缺失一個(gè)有效的圖形開發(fā)平臺(tái)解決方案及BIM到圖形平臺(tái)的技術(shù)路線和方法。通過項(xiàng)目研究,在掌握前期BIM工程成果基礎(chǔ)上,進(jìn)行大量調(diào)研、分析、探索和實(shí)踐,逐步形成一套構(gòu)建“客站數(shù)字孿生”[2]的技術(shù)路線及模型數(shù)據(jù)整理方法,使得基于BIM的客站運(yùn)維管理應(yīng)用成為可能,推動(dòng)了客站工程BIM技術(shù)全生命周期應(yīng)用理念的落地。
根據(jù)BIM行業(yè)應(yīng)用調(diào)查報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,目前BIM技術(shù)在建筑工程全生命周期應(yīng)用發(fā)展并不平衡,實(shí)現(xiàn)基于BIM的運(yùn)維管理的項(xiàng)目實(shí)例較少,產(chǎn)生這種情況的因素主要有以下方面:
(1)準(zhǔn)確的竣工BIM數(shù)據(jù)獲取困難[3]。施工階段BIM實(shí)施缺乏合同約束,BIM建模工作量巨大,BIM與實(shí)際施工的同步性差導(dǎo)致模型與實(shí)際情況存在差異,以及資料信息分散采集不全等因素,是造成竣工BIM數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲取的主要原因。
(2)對(duì)于BIM數(shù)據(jù)顆粒度的理解差異較大。項(xiàng)目實(shí)施沒有分清竣工BIM模型與運(yùn)維用BIM模型之間的關(guān)系,缺乏不同精度BIM模型的建模、交付指導(dǎo)[3],竣工模型有時(shí)過于精細(xì),導(dǎo)致整體性的“三維建筑”難以實(shí)現(xiàn)。
(3)BIM軟件體系發(fā)展不平衡。設(shè)計(jì)及建設(shè)管理方面軟件較為成熟,而運(yùn)維階段尚無通用體系化的本地軟件系統(tǒng),運(yùn)維管理需大量定制開發(fā),而三維圖形開發(fā)環(huán)境成熟度不足,難以支撐大體量建筑,從而影響基于BIM的運(yùn)維管理發(fā)展。
三維圖形引擎是指封裝了硬件操作和圖形算法、簡(jiǎn)單易用、功能豐富的三維圖形開發(fā)環(huán)境。目前,三維圖形開發(fā)平臺(tái)主要分為2個(gè)方向:一類是基于Web-GL技術(shù),主要用于Web網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;一類是基于OPGL或DireetX技術(shù)開發(fā)的高可視性圖形平臺(tái),主要用于大型場(chǎng)景仿真游戲,如OSG、Unity3D、Unreal、OGRE、OpenGVS、Vtree等。WebGL開發(fā)的目標(biāo)主要是采用B/S架構(gòu),承載小體量、中低數(shù)量圖形的場(chǎng)景,僅滿足基本可視性表現(xiàn)力,滿足Web網(wǎng)絡(luò)加載要求,通常難以滿足大型建筑全專業(yè)、全模型、同一場(chǎng)景的裝載和展示。采用基于OPGL或DireetX的圖形平臺(tái)主要采用C/S架構(gòu),具有承載大體量、高圖形數(shù)量模型的能力,具備豐富的紋理材質(zhì)表現(xiàn)能力,可充分利用先進(jìn)的圖形顯卡GPU計(jì)算能力,場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染表現(xiàn)力豐富,真實(shí)感強(qiáng);由于其場(chǎng)景圖形數(shù)量大,場(chǎng)景加載時(shí)間長,主要采用C/S架構(gòu),可基于云服務(wù)器技術(shù)在滿足高性能計(jì)算要求的同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。
建筑可視化的兩方面需求:一是寫實(shí)效果,二是生產(chǎn)效率[4]。虛幻引擎是目前行業(yè)內(nèi)較為先進(jìn)的、開源的一種圖形開發(fā)平臺(tái),具有強(qiáng)大的互動(dòng)和物理引擎。其不僅提供完全的開發(fā)環(huán)境,而且提供了C++和藍(lán)圖模塊2種開發(fā)方式,為專業(yè)程序員和非專業(yè)技術(shù)人員都提供了舒適的開發(fā)環(huán)境。虛幻引擎不僅具有大數(shù)據(jù)量圖形支持能力,可達(dá)到億級(jí)三角形面數(shù)量,同時(shí)還提供了對(duì)象引用、多級(jí)LOD優(yōu)化編輯等工具,使其在大數(shù)據(jù)量圖形顯示的同時(shí),通過優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)高效交互式實(shí)時(shí)渲染的能力,實(shí)現(xiàn)了圖形數(shù)據(jù)的輕量化。虛幻引擎基于GPU計(jì)算技術(shù),可充分利用先進(jìn)圖形顯卡的計(jì)算能力,大大提升開發(fā)系統(tǒng)的整體性能。隨著大量高性能顯卡的推出,為基于虛幻引擎開發(fā)的系統(tǒng)提供了良好的硬件支撐,在VR、工程展示等方面都有很好的應(yīng)用案例。
鐵路站房具有專業(yè)種類多、構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)件數(shù)量大、構(gòu)件重復(fù)性高等特點(diǎn),按不同等級(jí)進(jìn)行分類,建筑體量從數(shù)千平方米到數(shù)十萬平方米,如北京南站、上海虹橋站、豐臺(tái)站、雄安站等,其體量都是數(shù)十萬平方米以上,其建筑構(gòu)件數(shù)量可達(dá)到百萬量級(jí),三角形面數(shù)更是海量,實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字站房需要高性能的圖形平臺(tái)支撐。
目前虛幻引擎主要支持FBX、datasmith、IFC、C4d、3dm、Catpart等常見三維數(shù)據(jù)格式,并不支持直接讀取Revit模型文件,可通過dataSmith插件輸出模型及數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)較為便捷的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
基于Revit的BIM參數(shù)信息可通過明細(xì)表進(jìn)行選擇性導(dǎo)出。輸出的構(gòu)件參數(shù)應(yīng)屬于項(xiàng)目參數(shù)或共享參數(shù)類型。構(gòu)件的空間尺寸參數(shù)是重要參數(shù)。
(1)項(xiàng)目或共享參數(shù)添加。以Revit軟件為例,可通過程序提供的功能,自由添加共享參數(shù)作為指定類型構(gòu)件的項(xiàng)目參數(shù)。如添加“IFC分類編號(hào)”“標(biāo)高偏移”等,通過程序開發(fā)將無法輸出的參數(shù)寫入新添加的參數(shù)項(xiàng)中,并通過明細(xì)表列出。
(2)構(gòu)件ID值的參數(shù)賦予。BIM軟件給每個(gè)構(gòu)件賦予一個(gè)元素ID編號(hào),通常是6~7位的數(shù)字編碼,該數(shù)值對(duì)于同一BIM文件中的模型構(gòu)件來說具有唯一性,可用于BIM程序準(zhǔn)確識(shí)別,獲得構(gòu)件后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的參數(shù)數(shù)據(jù)。該ID信息的唯一性特點(diǎn)可被其他平臺(tái)在開發(fā)中利用。ID數(shù)值需寫入明細(xì)表并導(dǎo)出,供外部數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)模型構(gòu)件使用。ID數(shù)值寫入注釋參數(shù)項(xiàng)示例見圖1、圖2。
圖1 ID賦值注釋參數(shù)程序
圖2 被賦值的扶梯構(gòu)件
虛幻引擎圖形平臺(tái)導(dǎo)入BIM模型,并可用于圖形優(yōu)化或輕量化處理是另一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵,涉及BIM模型輸出和虛幻引擎平臺(tái)導(dǎo)入,其技術(shù)路線有以下3種。
3.4.1 Revit插件輸出法
Revit插件輸出法(見圖3)通過虛幻引擎提供的datasmith插件直接輸出,包含模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及所有參數(shù)信息,該信息沒有經(jīng)過篩選。虛幻引擎平臺(tái)直接導(dǎo)入輸出的datasmith數(shù)據(jù)格式文件,生成相應(yīng)的場(chǎng)景和資源。
圖3 Revit插件輸出法流程
3.4.2 FBX格式輸出法
FBX格式輸出法(見圖4)利用Revit直接輸出FBX,或利用3dmax導(dǎo)入Revit文件后以FBX格式輸出,再利用虛幻引擎平臺(tái)直接導(dǎo)入。該方法僅可導(dǎo)入純模型,不含參數(shù)信息。
圖4 FBX格式輸出法流程
3.4.3 3dmax中轉(zhuǎn)法
3dmax中轉(zhuǎn)法(見圖5)利用與Revit同版本號(hào)的3dmax軟件,導(dǎo)入Revit文件后,在3dmax中利用datasmith插件輸出,再由虛幻引擎平臺(tái)導(dǎo)入。該方法不僅可導(dǎo)入模型,還可選擇性地決定是否導(dǎo)入BIM信息,但該信息沒有經(jīng)過篩選。
圖5 3dmax中轉(zhuǎn)法流程
3.4.4 對(duì)比分析
采用以上3種方法均可達(dá)到將BIM模型轉(zhuǎn)換到虛幻引擎圖形平臺(tái)中,各有特點(diǎn)。
Revit插件輸出法利用插件直接輸出專用格式模型,虛幻引擎平臺(tái)可直接導(dǎo)入并生成建筑場(chǎng)景,對(duì)于具有統(tǒng)一軸網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)的Revit項(xiàng)目分文件,導(dǎo)入引擎后坐標(biāo)也是統(tǒng)一的。不足之處:一是導(dǎo)入模型的場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)的actor名稱使用Revit中構(gòu)件類型名稱,不含構(gòu)件ID,開發(fā)使用時(shí)難以識(shí)別唯一性。二是所攜帶的冗余信息過多,造成系統(tǒng)負(fù)擔(dān)較大。三是復(fù)雜構(gòu)件難以在引擎中進(jìn)行人工可控優(yōu)化。
FBX格式輸出法不需插件支持,Revit輸出FBX模型可在3dmax中進(jìn)行二次加工,再導(dǎo)入引擎中進(jìn)行使用。不足之處:一是構(gòu)件名稱依然不能反映出構(gòu)件的唯一性,難以與信息數(shù)據(jù)庫形成對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。二是所有構(gòu)件的軸中心點(diǎn)被設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn),無法實(shí)現(xiàn)模型引用,無法優(yōu)化資源,資源加載負(fù)擔(dān)重。
3dmax中轉(zhuǎn)法避免了之前2種方法的不足。具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)利用ID實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。3dmax導(dǎo)入Revit文件,模型名含有ID信息,可與Revit中的構(gòu)件對(duì)應(yīng),方便開發(fā)識(shí)別及未來Revit模型修訂后的構(gòu)件替換。
(2)利用明細(xì)表信息判別構(gòu)件空間構(gòu)造相似性。通過明細(xì)表獲知具有相同或相似構(gòu)件的空間尺寸關(guān)系,并掌握這些構(gòu)件的ID,在引擎中實(shí)現(xiàn)模型共享引用,優(yōu)化系統(tǒng)資源的加載。
(3)有利于構(gòu)件的空間面數(shù)優(yōu)化。在3d max中對(duì)共享構(gòu)件進(jìn)行可控的三角形面優(yōu)化及貼圖坐標(biāo)處理,使得優(yōu)化后的模型更優(yōu)質(zhì)。
(4)構(gòu)件軸心坐標(biāo)更符合共享引用所需。構(gòu)件軸心坐標(biāo)位于構(gòu)件包圍盒的中心,替換為共享資源構(gòu)件,坐標(biāo)位置不發(fā)生變化。
(5)提升優(yōu)化編輯效率。只需對(duì)引用的共享資源進(jìn)行LOD多級(jí)優(yōu)化及材質(zhì)紋理的設(shè)置,即可對(duì)所有引用對(duì)象actor發(fā)生作用。
不論何種圖形引擎,大量未經(jīng)優(yōu)化的圖形構(gòu)件獨(dú)立存在于場(chǎng)景中,都對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生致命影響,需對(duì)構(gòu)件進(jìn)行輕量化處理。
輕量化模型不包含設(shè)計(jì)模型中的非幾何信息,僅保留產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和幾何拓?fù)潢P(guān)系,相同模型的共用、精簡(jiǎn)模型、LOD及高效的圖形壓縮,以及利用圖像表達(dá)模型細(xì)節(jié)[3]是模型輕量化技術(shù)的主要表現(xiàn)。
3.5.1 構(gòu)件引用
在BIM建模過程中會(huì)產(chǎn)生大量模型使用同一個(gè)族構(gòu)件的情況,這些構(gòu)件在三維幾何上是相同尺寸或比例不同、附加信息不同。在圖形引擎中,能否高效顯示圖形構(gòu)件是關(guān)鍵,此時(shí)涉及模型共用和LOD設(shè)置2項(xiàng)技術(shù)。
模型共用原則:將所有源于統(tǒng)一族的構(gòu)件,通過引用同一標(biāo)準(zhǔn)共享資源,并刪除原引用資源,減少冗余資源的裝載。利用該方法將大大降低無用資源對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率影響。采用引用方法是引擎平臺(tái)高效計(jì)算的自有能力。通過共享引用技術(shù),資源數(shù)量可減少至構(gòu)件總量的3%~5%。
3.5.2 LOD設(shè)置
LOD[5]設(shè)置是利用物體在視場(chǎng)中占據(jù)的比例進(jìn)行模型三角形面數(shù)量的優(yōu)化精簡(jiǎn),實(shí)現(xiàn)近景物體顯示精細(xì)、遠(yuǎn)景物體顯示輪廓的效果,減少圖形計(jì)算數(shù)量,提升運(yùn)行效率。
可對(duì)共享資源進(jìn)行LOD設(shè)置,即可影響所有使用該資源的場(chǎng)景構(gòu)件,大大提升場(chǎng)景構(gòu)件優(yōu)化處理效率。建筑模型中通常有數(shù)十萬構(gòu)件,重復(fù)率達(dá)75%~90%,只需對(duì)引用資源進(jìn)行優(yōu)化,即可影響整個(gè)場(chǎng)景。
3.5.3 信息篩選
利用BIM明細(xì)表提取有用參數(shù)信息,排除冗余信息,并獨(dú)立輸出文本后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫或引擎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,通過ID實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。
依此方法可實(shí)現(xiàn)三維圖形引擎中BIM模型的輕量化再現(xiàn)。
通過開發(fā)將模型與信息數(shù)據(jù)在虛幻引擎平臺(tái)中結(jié)合,實(shí)現(xiàn)客站的三維交互展示及信息查詢。
以3dmax中轉(zhuǎn)法為例,三維數(shù)字站房實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程見圖6。
圖6 三維數(shù)字站房實(shí)現(xiàn)技術(shù)流程
利用BIM軟件明細(xì)表統(tǒng)計(jì)功能對(duì)不同類型構(gòu)件分別生成明細(xì)表(見圖7),并導(dǎo)出為txt文件。明細(xì)表通常輸出參數(shù)主要有ID、族、類型、長、寬(厚)、高、材質(zhì)、標(biāo)高、標(biāo)高偏移、設(shè)備規(guī)格等,自定義參數(shù)主要有供應(yīng)商/廠家、施工企業(yè)、管理區(qū)域編碼等。
圖7 明細(xì)表生成示例
將導(dǎo)出的Excel文件保存為CSV格式,并在圖形引擎中構(gòu)建數(shù)據(jù)表(見圖8),也可導(dǎo)入MySQL數(shù)據(jù)庫中,成為構(gòu)件的靜態(tài)數(shù)據(jù),運(yùn)維管理中所需的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),可通過ID關(guān)鍵字段對(duì)應(yīng),以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ),形成靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)。
圖8 虛幻引擎中的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)示例
(1)替換引用及資源清理。在資源管理器中,選擇相同空間構(gòu)造的資源進(jìn)行刪除,并使用共享資源進(jìn)行替換引用。
(2)模型整合。將基于同一軸網(wǎng)坐標(biāo)系的Revit模型文件,通過技術(shù)流程轉(zhuǎn)換后裝載到圖形引擎中,其坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致。
(3)材質(zhì)藍(lán)圖。對(duì)引用資源進(jìn)行藍(lán)圖程序開發(fā)(見圖9),形成參數(shù)化的材質(zhì)實(shí)例。
圖9 材質(zhì)藍(lán)圖程序編輯示例
(4)LOD設(shè)置。對(duì)引用的共享資源設(shè)置LOD(見圖10)。將大量復(fù)雜模型按照可視需求策略進(jìn)行分級(jí)簡(jiǎn)化,使得GPU計(jì)算負(fù)荷保持穩(wěn)定,提升整個(gè)系統(tǒng)的顯示效率,通過LOD設(shè)置可將復(fù)雜構(gòu)件三角形面計(jì)算數(shù)量按照離視點(diǎn)遠(yuǎn)近原則從原始值降低到20%,依舊可保持構(gòu)件可視的完整性。以水泵模型為例,其構(gòu)件LOD設(shè)置及設(shè)置后三角形數(shù)據(jù)對(duì)比見圖10、表1。
表1 水泵模型LOD設(shè)置后三角形數(shù)據(jù)對(duì)比 個(gè)
圖10 水泵模型LOD設(shè)置
圖形開發(fā)平臺(tái)提供了成熟的光照及環(huán)境表現(xiàn)系統(tǒng),通常設(shè)置即可獲得較好的實(shí)時(shí)顯示效果。對(duì)于室內(nèi)光照,需要一定的光照設(shè)計(jì)布置能力[6]。
圖形開發(fā)平臺(tái)提供了藍(lán)圖模式的開發(fā)功能,通過對(duì)系統(tǒng)的開發(fā),可實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字站房中每個(gè)構(gòu)件的模型及信息展示能力(見圖11)。
圖11 模型展示及信息查詢藍(lán)圖開發(fā)示例
某大型三維數(shù)字鐵路客站展示效果見圖12。
圖12 某大型三維數(shù)字鐵路站房示例
從目前整個(gè)BIM技術(shù)體系來看,具備三維建筑表現(xiàn)能力的軟件或技術(shù)路線很多,且各有長處。BIM設(shè)計(jì)軟件擅長模型構(gòu)建,但可視效果較差,大體量BIM模型運(yùn)行效率較差。模型輕量化軟件擅長大體量模型整合展示,但可視效果一般,缺乏開發(fā)接口,拓展性差。純可視化軟件僅用于可視效果表達(dá),但也存在大體量模型運(yùn)行效率低、無開發(fā)接口等問題。
基于虛幻引擎技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字站房的技術(shù)方法,解決了BIM模型和數(shù)據(jù)的分離及導(dǎo)入圖形平臺(tái)后的關(guān)聯(lián),既解決了模型優(yōu)化,又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)查詢的需求,通過輕量化處理技術(shù),使得大體量模型得以高效運(yùn)行,同時(shí)利用圖形平臺(tái)GPU運(yùn)算能力,提升系統(tǒng)的三維可視性效果,可深度拓展的開發(fā)環(huán)境,潛力巨大,構(gòu)建的數(shù)字站房可作為運(yùn)營管理階段業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),將對(duì)BIM全生命周期應(yīng)用理念的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮重要作用。