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）

0 引言

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。

1 基于BIM的運(yùn)維管理應(yīng)用存在的難題

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。

2 圖形開發(fā)平臺(tái)解決方案

2.1 三維圖形引擎主要分類

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。

2.2 Unreal虛幻引擎

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。

3 站房工程BIM模型與虛幻引擎的數(shù)據(jù)交換方法

3.1 站房工程BIM特點(diǎn)

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。

3.2 虛幻引擎模型支持格式

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。

3.3 BIM參數(shù)信息導(dǎo)出

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

3.4 BIM向虛幻引擎模型轉(zhuǎn)換技術(shù)方法分析

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。

3.5 模型輕量化處理

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)。

4 虛幻圖形平臺(tái)中數(shù)字站房的交互展示實(shí)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。

4.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

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

4.2 參數(shù)明細(xì)表輸出

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

4.3 虛幻圖形引擎中構(gòu)建數(shù)據(jù)表

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

4.4 模型裝載及優(yōu)化

（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

4.5 可視環(huán)境設(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］。

4.6 模型展示程序開發(fā)

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

5 結(jié)束語

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。