0 引 言

面向鐵路隧道施工的深化設(shè)計(jì)BIM模型是由鐵路設(shè)計(jì)單位生產(chǎn)的正向設(shè)計(jì)BIM模型發(fā)展而來，在鐵路隧道正向設(shè)計(jì)BIM模型基礎(chǔ)上增加了能夠指導(dǎo)現(xiàn)場施工的更精細(xì)構(gòu)件的幾何信息及屬性信息，在實(shí)現(xiàn)鐵路隧道施工全生命周期信息化方面具有重要價(jià)值。面向鐵路隧道施工的深化BIM模型具有空間跨度大、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建模參考標(biāo)準(zhǔn)細(xì)節(jié)層級(jí)單一的特點(diǎn)，如《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》[1]中鐵路隧道明洞結(jié)構(gòu)圖類別建模標(biāo)準(zhǔn)層級(jí)劃分（表1），主要偏重于單體信息模型及構(gòu)造單元的精細(xì)模型。同時(shí)鐵路隧道是帶狀工程，受沿途地理環(huán)境、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)因素、城市規(guī)劃等多方面影響，獨(dú)立分散的BIM模型僅能反映單點(diǎn)工程信息，在三維信息模型的多尺度表達(dá)、一致性分析和管理方面存在明顯不足，只有集成的BIM模型才能反映全面真實(shí)的工程[2]。GIS技術(shù)以空間分析和空間數(shù)據(jù)庫及三維可視化為核心，可以滿足鐵路建設(shè)工程的完整性、全局性、宏觀性的表達(dá)要求，因此鐵路隧道BIM數(shù)據(jù)在GIS環(huán)境中集成融合是滿足多樣化鐵路隧道工程應(yīng)用的有效途徑。

表1 鐵路隧道BIM模型幾何細(xì)節(jié)層級(jí)Tab.1 Tunnel BIM model divided into multiple detail levels

鐵路隧道BIM模型與GIS模型組織方式存在顯著區(qū)別，主要體現(xiàn)在幾何信息與非幾何信息兩個(gè)層面。

1）鐵路隧道BIM模型中的幾何信息多采用參數(shù)化幾何描述，參數(shù)化模型用少量參數(shù)表達(dá)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)（如倒角結(jié)構(gòu)等），而GIS則采用三角化幾何描述，用頂點(diǎn)、法線等信息進(jìn)行描述。鐵路隧道BIM模型向GIS模型轉(zhuǎn)換時(shí)，為保證GIS模型的幾何信息描述精度，需密集的三角網(wǎng)對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，特別是高精度復(fù)雜參數(shù)化模型在轉(zhuǎn)化為GIS模型后數(shù)據(jù)量激增[3]，成為GIS環(huán)境中鐵路隧道BIM模型的管理、渲染及多樣化應(yīng)用效率的重要影響因素。

2）鐵路隧道BIM模型語義描述存在族庫、隧道構(gòu)件等概念下的多層次語義關(guān)系，空間劃分的思路有效適用于BIM數(shù)據(jù)在GIS環(huán)境中的空間表達(dá)，但是難以適應(yīng)實(shí)際鐵路隧道工程BIM多樣化應(yīng)用中構(gòu)件精細(xì)化層級(jí)管理和高效表達(dá)的要求[4]。

目前，工程建筑領(lǐng)域在GIS環(huán)境中輕量化集成BIM模型，主要集中在數(shù)據(jù)融合與集成應(yīng)用兩方面。一方面BIM與GIS數(shù)據(jù)融合研究主要聚焦在模型轉(zhuǎn)換層面，如將BIM國際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(如IFC)轉(zhuǎn)換為GIS國際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(如CityGML)。其中部分研究通過分析IFC與CityGML模型中所有建筑構(gòu)件類型及關(guān)聯(lián)的語義信息，建立IFC到CityGML各層級(jí)的映射模型[5]；也有研究聚焦在IFC與CityGML相互映射的方法，如El-Mekawy提出一種UBM數(shù)據(jù)模型，該模型實(shí)現(xiàn)兩種模型雙向轉(zhuǎn)換[6]。針對CityGML部分特定應(yīng)用領(lǐng)域多細(xì)節(jié)層次劃分標(biāo)準(zhǔn)缺失的情況，一些學(xué)者利用CityGML的ADE擴(kuò)展接口進(jìn)行針對性擴(kuò)展，如基礎(chǔ)設(shè)施InfraADE[7]、城市內(nèi)澇CTWLADE[8]，也有一部分學(xué)者針對現(xiàn)有GIS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)GIS與BIM數(shù)據(jù)的集成框架滿足融合需要[9]。另一方面BIM與GIS集成應(yīng)用研究主要聚焦于BIM數(shù)據(jù)在GIS環(huán)境中的管理、可視化及全生命周期應(yīng)用層面[10]，如面向?qū)Ш綉?yīng)用的IFC建筑模型室內(nèi)空間信息提取方法，對IFC建筑模型進(jìn)行一體化提?。幻嫦虺鞘谢A(chǔ)設(shè)施規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了城市能源系統(tǒng)的三維可視化[11]；基于BIM+GIS技術(shù)的區(qū)域數(shù)字水庫管理平臺(tái)，建立多層次數(shù)據(jù)融合、共享與研判系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水庫BIM信息三維可視化展示[12]。

上述轉(zhuǎn)換方法主要是通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC和CityGML之間的空間和語義轉(zhuǎn)換，由于應(yīng)用領(lǐng)域、空間特點(diǎn)及構(gòu)件分類的差異，同一類方法面向不同應(yīng)用轉(zhuǎn)換時(shí)存在信息錯(cuò)誤和丟失、幾何語義信息耦合度低及應(yīng)用擴(kuò)展性差的情況[13]，尤其是針對空間跨度大、構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)節(jié)層級(jí)單一的鐵路隧道工程BIM，亟需發(fā)展一種適用于鐵路隧道工程BIM的轉(zhuǎn)換方法，以支撐鐵路隧道工程BIM模型在GIS環(huán)境中高性能可視化分析。除此之外目前隧道工程領(lǐng)域BIM與GIS的通用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換存在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)缺失問題，IFC中未有專門的鐵路隧道建模模塊，CityGML2.0中對隧道的描述只是基于空間語義進(jìn)行劃分，將其表述為幾個(gè)抽象的基類，如隧道HollowSpace內(nèi)部空間基類下分TunnelFurniture空間可移動(dòng)部分與IntTunnelInstallation不可移動(dòng)的附著構(gòu)件，沒有更細(xì)節(jié)的層級(jí)劃分，不符合實(shí)際施工單位劃分類別和管理尺度。

本文研究顧及語義的鐵路隧道多細(xì)節(jié)層級(jí)設(shè)計(jì)方法，通過對鐵路隧道BIM模型進(jìn)行分層、提取和簡化處理，得到了隧道各層級(jí)輕量化模型文件，并對其進(jìn)行優(yōu)化組織，以康定2號(hào)鐵路隧道BIM模型為例詳細(xì)闡述輕量化方法流程，結(jié)果證明該方法可有效提高空間跨度大、構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)節(jié)層級(jí)單一的鐵路隧道深化設(shè)計(jì)BIM模型在WebGIS環(huán)境下的可視化效率，支撐鐵路隧道BIM模型在三維GIS環(huán)境中的高效輕量化表達(dá)。

1 顧及構(gòu)件語義的鐵路隧道輕量化模型 LOD層級(jí)劃分

細(xì)節(jié)層次（LOD）是指根據(jù)物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置及重要程度，決定模型幾何精度等級(jí)及客戶端圖形渲染進(jìn)行資源分配[4]。鐵路隧道BIM模型直接進(jìn)行GIS三角網(wǎng)格化轉(zhuǎn)換時(shí)三角面片大量冗余，直接將其讀入內(nèi)存交給GPU進(jìn)行圖形繪制的方式在效率上是一大瓶頸，本文根據(jù)鐵路場景展示應(yīng)用需求及隧道實(shí)體構(gòu)件的重要程度，對隧道BIM模型數(shù)據(jù)從宏觀到微觀進(jìn)行多細(xì)節(jié)層次劃分，建立符號(hào)模型、概略模型、簡化模型和精細(xì)模型[14]4級(jí)空間結(jié)構(gòu)層次，參考CRBIM1003—2017《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)(1.0版)》[15]模型單元表達(dá)細(xì)節(jié)規(guī)范，在保留重要特征的同時(shí)減少不必要的數(shù)據(jù)冗余，以符合人們對模型認(rèn)知過程的層次性[16]，概述的鐵路隧道LOD層級(jí)劃分見表2。

表2 鐵路隧道輕量化模型多細(xì)節(jié)層次劃分Tab.2 Railway tunnel lightweight model divided into multiple detail levels

1）LOD1。以三維矢量線狀形式表達(dá)，是鐵路隧道設(shè)計(jì)走向的中心線。該層次主要考慮滿足鐵路全線位置與走向的認(rèn)知需求，是符號(hào)化表達(dá)，僅限于概括性層面，基本不涉及專業(yè)性知識(shí)和術(shù)語，服務(wù)于高級(jí)別的決策層，如面向總體指揮部。

2）LOD2。是隧道模型的包圍盒，由隧道中心線與隧道橫截面直徑拉伸而成的圓柱體，滿足空間占位等粗略識(shí)別的需求，服務(wù)于高一層的認(rèn)知需求，面向初步的專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。

3）LOD3。是對隧道主體輪廓的提取，表達(dá)材質(zhì)紋理信息，滿足真實(shí)外觀等識(shí)別需求[17]，以定性分析需求為主，面向勘察設(shè)計(jì)部門等。

4）LOD4。是基于最小功能單元構(gòu)件來劃分的深化設(shè)計(jì)后的隧道模型，注重鋼筋網(wǎng)片、錨桿與鋼架等施工細(xì)節(jié)的表達(dá)，滿足定量分析需求，該尺度下工程都已基本具備量測的條件，用于給施工單位提供詳盡、明細(xì)和直觀的鐵路隧道三維實(shí)體表達(dá)。

2 鐵路隧道BIM模型多細(xì)節(jié)層次構(gòu)建方法

鐵路隧道BIM模型與GIS模型在幾何表達(dá)上存在較大差異，BIM模型采用參數(shù)化幾何描述，包含B-Rep（邊界描述）、CSG（構(gòu)造實(shí)體）和掃描體表達(dá)形式，而GIS場景采用的是三角面片邊界描述B-Rep。由于參數(shù)化描述沒有多細(xì)節(jié)層次幾何信息，因此參數(shù)化幾何描述的BIM模型向三角化幾何描述時(shí)為了保證幾何細(xì)節(jié)和精度，使得GIS邊界描述模型數(shù)據(jù)量較大。為了在GIS場景中高效管理與可視化分析鐵路隧道BIM模型，當(dāng)BIM參數(shù)化表達(dá)轉(zhuǎn)為 GIS的B-rep表面模型表達(dá)時(shí)必須進(jìn)行簡化與幾何重構(gòu)（圖1）。

圖1 鐵路隧道BIM模型多細(xì)節(jié)層次提取流程Fig.1 Multi-level of detail extraction process for railway tunnel lightweight model

鐵路隧道的LOD1-LOD3轉(zhuǎn)換是基于最精細(xì)的LOD4模型進(jìn)行提取、簡化、擬合等操作層層降級(jí)完成的[5]。首先將鐵路隧道BIM進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理，從而得到最精細(xì)層次LOD4；然后根據(jù)場景及用戶需求進(jìn)行語義過濾，移除不必要的隧道實(shí)體構(gòu)件至LOD3層級(jí)，參照表1可知此層級(jí)以定性分析為主，保留隧道主體噴射混凝土構(gòu)件，利用QEM折疊三角網(wǎng)方法簡化隧道管壁，同時(shí)附加混凝土紋理材質(zhì)信息。在LOD4與LOD3之間可靈活調(diào)配多個(gè)過渡層級(jí)，利用構(gòu)件語義信息過濾出用戶突出關(guān)注的部件。在LOD3層級(jí)的基礎(chǔ)上對隧道形體進(jìn)一步抽象化，以隧道BIM設(shè)計(jì)中心線為基準(zhǔn)，以隧道掌子面最大寬度為直徑拉伸塊體圓柱LOD2。最后對LOD1層級(jí)進(jìn)行符號(hào)化表達(dá)，采用三維矢量線條進(jìn)行符號(hào)化表達(dá)。

3 鐵路隧道多細(xì)節(jié)層次模型數(shù)據(jù)優(yōu)化組織方法

在語義約束下對鐵路隧道BIM模型進(jìn)行分層、提取和簡化處理，針對處理后的鐵路隧道各層級(jí)模型文件設(shè)計(jì)分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹，依據(jù)鐵路隧道BIM模型構(gòu)件的空間分布特征構(gòu)建模型層級(jí)索引結(jié)構(gòu)（圖2）。每個(gè)模型文件由兩部分構(gòu)成，一是頭文件tileset.json，用于存儲(chǔ)模型位置與精細(xì)層級(jí)信息；二是content內(nèi)容文件，用于存儲(chǔ)瓦片中包含的模型幾何信息。refine參數(shù)表示模型進(jìn)一步細(xì)化的方式，REPLACE表示用子層級(jí)數(shù)據(jù)替代父層級(jí)，ADD表示保留父層級(jí)已加載的模型部分。LOD1細(xì)化到LOD2、LOD2細(xì)化到LOD3時(shí)采用REPLACE方式，從LOD3至LOD4采用ADD方式，在LOD3隧道主體混凝土的基礎(chǔ)上，對語義過濾出場景所需構(gòu)件進(jìn)行疊加。

圖2 鐵路隧道多細(xì)節(jié)層次模型加載示意圖Fig.2 Loading diagram of multi-detail hierarchical model of railway tunnel

為每層級(jí)設(shè)定一個(gè)幾何誤差geometricError，存儲(chǔ)在tileset索引文件中，一般取模型包圍體的對角線。同時(shí)計(jì)算屏幕誤差SSE[18]，屏幕誤差是場景模型加載判斷是否需要進(jìn)一步精細(xì)化的判斷依據(jù)。屏幕誤差SSE計(jì)算公式如下：

式中，geometricError為幾何誤差；screenHeight為渲染屏幕的高度（以像素為單位)；d為瓦片最小包圍體到屏幕相機(jī)之間的最近距離；fovy為屏幕相機(jī)在垂直方向上的傾斜角度。

加載模型瓦片時(shí)首先從索引文件中讀取模型幾何誤差值，然后計(jì)算瓦片到屏幕相機(jī)的屏幕空間誤差，判斷是否達(dá)到設(shè)定的閾值。關(guān)于閾值的設(shè)定因?yàn)椴煌淼赖目傞L度不同，相同場景下不同的隧道適合可視化的屏幕空間誤差閾值可能會(huì)有出入，具體閾值可由實(shí)際可視化效果進(jìn)行調(diào)整。如果已經(jīng)小于閾值標(biāo)準(zhǔn)則無需繼續(xù)加載子瓦片，否則檢查模型是否存在子瓦片，如果存在則繼續(xù)加載，重復(fù)步驟直至屏幕誤差小于或等于設(shè)定的最大屏幕誤差。為了遵循空間一致性，父節(jié)點(diǎn)必須將子節(jié)點(diǎn)包含在內(nèi)，即父節(jié)點(diǎn)屏幕誤差大于子節(jié)點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本文選取四川省甘孜州境內(nèi)折多山地區(qū)康定2號(hào)隧道進(jìn)口工區(qū)BIM模型作為實(shí)驗(yàn)對象，鐵路隧道全長10 418.19 m，原數(shù)據(jù)格式為Bentley公司的.dgn格式，參照鐵路隧道LOD多細(xì)節(jié)層次劃分，在語義約束條件下對BIM模型完成輕量化格式轉(zhuǎn)換，軟硬件配置情況見表3。同時(shí)基于開源WebGL可視化引擎CesiumJS進(jìn)行圖形渲染，搭建了基于CesiumJS引擎和Vue.js前端框架的B/S實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)，測試客戶端圖形渲染性能。

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置參數(shù)Tab.3 Test environment configuration parameters

共選取3組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，第一組為鐵路隧道BIM模型直接轉(zhuǎn)為GIS表面模型，沒有LOD層級(jí)劃分結(jié)構(gòu)，無論在宏觀場景還是微觀構(gòu)件場景所有構(gòu)件全部加載；第二組是對第一組的表面模型進(jìn)行壓縮和轉(zhuǎn)換，根據(jù)四叉樹原則進(jìn)行幾何方法LOD劃分，同時(shí)利用頂點(diǎn)合并減少面片簡化模型；第三組是在第二組基礎(chǔ)上根據(jù)本文提出的鐵路隧道LOD層級(jí)設(shè)計(jì)進(jìn)行多細(xì)節(jié)層級(jí)模型重組織。設(shè)定鐵路隧道從宏觀到精細(xì)場景同一漫游路徑，對3組數(shù)據(jù)每隔100 ms記錄一次實(shí)時(shí)渲染幀率。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為本文方法提取的多細(xì)節(jié)層次模型在三維GIS可視化平臺(tái)的應(yīng)用效果。圖3a是LOD1符號(hào)模型效果，用于表達(dá)鐵路隧道全線走向、分區(qū)施工工段等基本信息；圖3b是隧道主體輪廓的概略模型，表示隧道坑道間拓?fù)潢P(guān)系和空間占位信息；圖3c是切近景時(shí)鐵路隧道精細(xì)模型效果，可量可測可進(jìn)行模型交互操作。為了便于實(shí)驗(yàn)中觀察精細(xì)層級(jí)鐵路隧道面貌，本文對遮擋隧道部分的三維地形DEM進(jìn)行了壓平操作，圖3d是場景縮放至鐵路隧道精細(xì)層級(jí)時(shí)，用戶與模型交互獲取鋼筋網(wǎng)屬性信息的效果。

表4記錄了鐵路隧道BIM模型與轉(zhuǎn)換后的多細(xì)節(jié)層次模型數(shù)據(jù)量大小情況，可以看出，當(dāng)對幾何參數(shù)表達(dá)的BIM模型進(jìn)行多細(xì)節(jié)層次LOD劃分時(shí)，每層級(jí)需加載的數(shù)據(jù)量大大減少，其中幾何簡化方法前幾層級(jí)數(shù)據(jù)量仍較大，因?yàn)樵诤暧^場景漫游時(shí)幾何簡化方法依舊加載錨桿等無須精細(xì)觀察的構(gòu)件，導(dǎo)致宏觀場景模型加載幀率較低，而語義約束輕量化方法則參考鐵路隧道LOD層級(jí)設(shè)計(jì)在宏觀場景中剔除不必要的構(gòu)件，以縮短模型加載響應(yīng)時(shí)間、提高模型加載幀率。當(dāng)用戶觀察視點(diǎn)離模型較近時(shí)，微觀場景應(yīng)加載所有構(gòu)件最精細(xì)層級(jí)，此時(shí)3組數(shù)據(jù)中視口范圍內(nèi)的面片數(shù)相等，所以雖然語義約束的輕量化方法精細(xì)層級(jí)總數(shù)據(jù)量較大，但渲染效率依然能得到保證（圖3）。

圖3 多細(xì)節(jié)層次鐵路隧道模型應(yīng)用效果Fig.3 Application effect of multi-detail level railway tunnel models

表4 鐵路隧道BIM模型輕量化處理結(jié)果Tab.4 The lightweight processing results of railway tunnel BIM model

圖4是3組模型數(shù)據(jù)在GIS可視化平臺(tái)漫游時(shí)幀率變化情況，圖4a為屏幕刷新率達(dá)144 Hz高性能渲染服務(wù)器上的幀率變化情況，圖4b為屏幕刷新率為60 Hz普通客戶機(jī)上的效果。由幀率對比可知，采用本文方法基本保持高幀率，可滿足鐵路隧道BIM模型流暢漫游需求。

圖4 模型渲染幀率對比分析Fig.4 Comparative analysis of frame rate of model rendering

實(shí)驗(yàn)表明，本文方法在保證語義完整性及數(shù)據(jù)互操性前提下實(shí)現(xiàn)了較為流暢的模型渲染和交互，對鐵路隧道BIM模型根據(jù)本文的多細(xì)節(jié)層次設(shè)計(jì)進(jìn)行輕量化處理后，模型處于低精度細(xì)節(jié)層次時(shí)數(shù)據(jù)量大大減少，且輕量化渲染效率在大尺度場景中顯著提升。當(dāng)視覺窗口縮放至鐵路隧道模型最精細(xì)層級(jí)時(shí)，此時(shí)雖然本文方法的模型總數(shù)據(jù)量較大，但在同一視椎體范圍內(nèi)繪制的面片數(shù)量3組實(shí)驗(yàn)等同，故對渲染效率沒有造成負(fù)擔(dān)。實(shí)驗(yàn)表明在同一可見場景內(nèi)不同尺度下鐵路隧道模型平均反應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)，渲染幀率保持較高穩(wěn)定水平，完成了在GIS場景中對鐵路隧道BIM模型從宏觀到微觀的展示，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下模型跨平臺(tái)利用與高效可視化的需求。

5 結(jié) 論

本文對數(shù)據(jù)量大幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鐵路隧道深化設(shè)計(jì)BIM模型提出了多尺度表達(dá)的可視化策略，以及語義約束的多細(xì)節(jié)層次幾何模型輕量化處理方法，實(shí)現(xiàn)BIM模型與GIS的高效集成應(yīng)用，并搭建基于WebGIS的可視化平臺(tái)，利用康定2號(hào)隧道BIM模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法有效性。結(jié)果表明本文方法可以實(shí)現(xiàn)鐵路隧道工程BIM模型輕量化轉(zhuǎn)換，提高了鐵路隧道BIM模型在3DGIS中存儲(chǔ)管理與可視化應(yīng)用的效率。后續(xù)將考慮發(fā)展適用于鐵路長線性帶狀的空間索引結(jié)構(gòu)與Morping模糊算法，配合虛擬內(nèi)存管理進(jìn)行模型的批次調(diào)用繪制，使空間加載效果平滑過渡，進(jìn)一步提高鐵路隧道視覺效果。