基于ＢＩＭ 的數字孿生水利工程輕量化技術研究

姜佩奇 伍杰 劉輝 劉志明 張社榮

摘 要：為解決水利工程ＢＩＭ 模型解析交互不流暢、外形失真、信息丟失等問題，提出一種通用性的基于ＢＩＭ 的數字孿生水利工程輕量化技術。將水利工程輕量化分為ＢＩＭ 建模、數據結構標準化、模型提取與轉換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個方面，按照水利工程數據特點和業務應用需求，針對性地提出輕量化措施，發揮ＢＩＭ 技術的三維可視化、數據化性能，實現業務協同應用。將上述技術應用于引漢濟渭一期工程，通過規定模型幾何構形表示方式、數據標準化存儲空間、模型必要信息提取與轉換方式、模型壓縮工具和傳輸手段、模型解析工具和渲染方法等，實現工程地質模型的輕量化。輕量化后工程地質模型的每秒傳輸幀數（ＦＰＳ）由１０ 提高到５５，驗證了該技術的有效性。

關鍵詞：水利工程；數字孿生；ＢＩＭ；輕量化

中圖分類號：ＴＶ５１；ＴＰ３９ 文獻標志碼：：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０２２

引用格式：姜佩奇，伍杰，劉輝，等．基于ＢＩＭ 的數字孿生水利工程輕量化技術研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（５）：１３３－１３７，１４４．

建筑信息模型（ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＢＩＭ）是工程的數字化載體，承載工程幾何信息、屬性信息、特征信息等，也是數字孿生水利工程建設的關鍵。ＢＩＭ 技術作為一種以信息模型為載體、以數據共享為目標、以業務管理與仿真分析為核心的包容性信息化技術，已成為數字孿生水利工程建設的必備技術之一［１］ 。水利工程結構復雜、涉及專業眾多、場景對象種類繁多、空間關系復雜，水利工程數字模型往往呈現多類型、高精度、大體量等特點。隨著數字孿生水利工程的深化應用，ＢＩＭ 建模軟件生成的模型數據體量和復雜度越來越高，ＢＩＭ 技術已無法滿足水利工程的應用需求。國內外學者對ＢＩＭ 模型輕量化開展了系列研究，包括基于工業基礎類（ＩＦＣ） 的動態解析、ＷｅｂＧＬ 渲染方式、圖形引擎研究等。趙菲［２］ 開展基于ＷｅｂＧＬ 的古建筑ＢＩＭ 模型輕量化研究，提出了基于ＪＳＯＮ 的輕量化解析方法；劉洋［３］ 結合ＷｅｂＧＬ 技術和Ｔｈｒｅｅ．ｊｓ 引擎，實現本地端三維模型跨平臺輕量化展示；王坭［４］ 開展了面向軌道交通的ＢＩＭ 模型Ｗｅｂ 端輕量化技術研究，提出基于Ｄｅｌａｕｎｎａｒｙ 三角剖分算法的ＢＩＭ 模型幾何數據輕量化方法；袁思林［５］ 提出一種ＢＩＭ 模型歸一化處理方法和基于多分辨率網格技術的瀏覽器端渲染方案，提升了ＢＩＭ 模型的解析效率。然而，上述研究方法及研究對象較為單一，沒有建立一套從建模到解析應用全過程的輕量化方法。

近年來，水利專家開展了設計施工一體化ＢＩＭ 模型構建研究、水利行業標準化數據結構研究等工作，但仍缺少更具針對性的應用成果，模型交互性差、可移植性差等問題依然突出。在模型提取與轉換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染等方面，需要將全生命周期多要素與業務信息融合，但上述方法既不能滿足水利工程業務應用過程中數據標準化的需求，也很難從業務應用角度實現渲染速度和模型精度之間的平衡。因此，本文提出將數字孿生水利工程輕量化分為ＢＩＭ 建模、數據結構標準化、模型提取與轉換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個方面，按照水利工程數據特點和業務應用需求，提供一種適用于水利行業的ＢＩＭ 輕量化技術。

１ 水利工程ＢＩＭ 需求分析及輕量化思路

１．１ ＢＩＭ 業務應用和表達需求

為解決數字孿生水利工程建設中數據體量和模型性能之間的矛盾，提出水利工程各時期ＢＩＭ 業務應用需求：１）規劃設計期采用ＢＩＭ 技術可提高各專業的溝通與協作能力。對復雜的專業模型進行數據格式統一化，并基于Ｗｅｂ 端搭建統一的ＢＩＭ 協同設計平臺，有效減少各專業之間的溝通壁壘，提高協同設計效率。２）建設期搭建水利工程施工管理ＢＩＭ 平臺，集成各項施工數據，實現對施工全過程、全方位的管理。在施工過程中利用ＢＩＭ 技術構建施工現場的數字孿生體，對工程項目的物理實體進行實時虛擬映射。３）運維期以ＢＩＭ 模型為核心，實時監測各項指標，實現數據的集成、共享和可視化表達。將項目信息、結構模型和構件參數等數據全部集中于ＢＩＭ，為運維人員工作提供便利。

實現ＢＩＭ 表達規范性、準確性和完備性是保證ＢＩＭ 工作有序開展的前提。水利工程ＢＩＭ 表達有以下３ 個方面需求：１）語義信息的標準化。語義信息包括對ＢＩＭ 元素類別、空間位置與相關關系的描述，以及對元素基礎屬性及功能的定義，其是ＢＩＭ 規范化表達的基礎。語義信息的規范化表達可以有效提高數據檢索與提取效率，解決水利工程多專業間協同交互的難題。２）幾何表達的精確性。ＢＩＭ 設計過程是逐步完善工程幾何模型表達與屬性信息的過程，幾何模型的精確表達就是對設計結果的精確表達。計算機圖形學是ＢＩＭ 幾何構形的理論基礎，選擇適用于水利工程ＢＩＭ 幾何表達的方式對模型幾何邊界及構造進行合理描述，是實現高精度參數化建模的基礎。３）屬性信息的完備性。設計成果最終都以ＢＩＭ 為載體呈現，因此在語義規范、幾何精確的前提下，必須保證水利工程各階段各專業設計成果的完備性，即實現所有設計結果與ＢＩＭ 模型的關聯，避免設計結果遺漏與信息丟失。因此，建立完備的屬性集空間也是ＢＩＭ 表達的關鍵。

１．２ ＢＩＭ 輕量化思路

依據水利工程ＢＩＭ 需求，提出以下５ 個方面的輕量化思路。

１）選擇合理的建模工具，優化建模方法。水利工程涉及專業多，部分設施結構復雜，根據需要選擇適當的建模工具和建模方法，對結構相似或外觀相近的設施統一歸類，識別出ＢＩＭ 模型中重復表達的要素并統一處理，可有效優化幾何信息存儲結構，減小文件體積和內存使用量。

２）建立標準化數據結構，避免數據冗余。采用層次化樹狀結構建立標準化數據關聯繼承機制，提高ＢＩＭ 表達的規范性和效率。關聯繼承機制具有良好的可拓展性以及平臺無關性，可以實現結構和內容的分離，避免數據重復定義，同時標準化的數據結構可有效提升數據解析提取性能。

３）建立面向需求的模型提取與轉換機制。水利工程模型中業務信息多，模型體量大，需要對頂點和片源進行簡化，剔除無關業務信息，從而實現模型輕量化。針對不同的業務需求，將ＢＩＭ 模型數據轉換成ＩＦＣ、ＪＳＯＮ、ＯＢＪ、ｇｌＴＦ、３Ｄ Ｔｉｌｅｓ 等數據格式，用于不同場景下ＢＩＭ 模型的輕量化解析。

４）對模型進行高保真壓縮與流式傳輸。為支持精細化、大體量模型信息傳輸，須在保證精度的前提下對ＢＩＭ 模型的幾何信息、空間拓撲信息以及紋理坐標等屬性信息進行壓縮，并采用流式傳輸方式在網絡中漸進傳輸三維模型。

５）對模型進行輕量化解析與渲染。遴選開源或國產化解析工具解析ＢＩＭ 模型，保證解析精度和解析效率。采用多細節層次（Ｌｅｖｅｌ ｏｆ Ｄｅｔａｉｌ，ＬｏＤ）技術解析幾何數據，對模型可見性及細節度進行預先判斷，根據預先提供的可見性信息進行渲染，保證渲染速度與應用需求之間的平衡。

２ 輕量化技術發展現狀

從ＢＩＭ 建模、數據結構標準化、模型提取與轉換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個方面，梳理輕量化技術的發展現狀。

２．１ ＢＩＭ 建模

隨著ＢＩＭ 技術的深化應用，ＢＩＭ 建模工具的發展日新月異。目前水利行業主流的建模工具以Ａｕｔｏｄｅｓｋ、Ｂｅｎｔｌｅｙ、Ｄａｓｓａｕｌｔ 等公司開發的軟件為代表，例如：Ａｕ?ｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 可實現水利工程建筑、施工場地等信息模型的專業三維建模，并開展可持續設計、碰撞檢測、施工規劃、力學分析和虛擬建造；Ｂｅｎｔｌｅｙ ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 可實現工程施工總布置區復雜形態的專業模型三維設計、文檔制作以及可視化呈現；Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｃａｔｉａ 提供變量驅動和后參數化能力。另外，國內ＢＩＭ 軟件有廣聯達ＢＩＭＦＡＣＥ、ＰＫＰＭ、品銘ＣＣＢＩＭ 等。

２．２ 數據結構標準化

數據結構標準化對于輕量化處理后的模型最終形態產生影響，幾何模型格式的選取、非幾何數據與模型的關聯、精度等級的規定等均應依據標準化的數據結構開展。ＢＩＭ 模型常用數據結構標準是ＩＦＣ，ＩＦＣ 主要面向工程領域，具有開放性和平臺無關性的特點。如今，ＩＦＣ 得到了全球１５０ 個軟件應用程序的支持，用于實現ＡＥＣ（建筑、工程和施工） 行業的軟件互操作。２０１９ 年４ 月發布了ＩＦＣ４．２，此版本中有３８ 個模式、８０１ 個實體、４００ 個類型和６３７ 個預定義屬性集，但缺少關于水利行業的元素表達。ＩＦＣ 擴展是對ＩＦＣ 實體類別和屬性的自定義過程，其不受現有類別和屬性的影響。ＩＦＣ 擴展技術是實現大規模水利工程ＢＩＭ 數據結構標準化的有效解決方法。

２．３ 模型提取與轉換

ｂｕｉｌｄｉｎｇＳＭＡＲＴ 組織提出了用于數據交換的模型視圖定義（Ｍｏｄｅｌ Ｖｉｅｗ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ＭＶＤ）概念。一般來說，ＢＩＭ 模型數據具有高度冗余的特點，特定主體僅需要部分ＢＩＭ 模型數據，通過ＭＶＤ 可以實現工作流程的精簡和高效。ＢＩＭ 模型數據交換的關鍵是標準化數據格式的導出，即提取模型信息并轉換成標準化數據結構。目前商業ＢＩＭ 軟件無法實現擴展ＩＦＣ 的自定義表達和數據交換。Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 雖然提供二次開發工具來解決上述問題，但仍避免不了部分信息的丟失。對于我國水利工程ＢＩＭ 設計來說，絕大多數軟件是商用的，因此亟須研發一種利用商用軟件導出擴展ＩＦＣ 的方法［６］ 。

２．４ 模型壓縮與傳輸

模型壓縮的主要途徑之一是對幾何數據進行輕量化處理，實質上是一種數據壓縮技術，可通過目前主流的幾何數據壓縮方法來實現。模型數據壓縮算法眾多，其中幾何壓縮分為三角形網格壓縮和多邊形網絡壓縮兩類，數據壓縮分為拓撲信息壓縮、幾何信息壓縮和屬性信息壓縮三類［７］ 。在模型傳輸方面，ＢＩＭ 模型以漸進式傳輸方式為主，通過數據流的形式進行控制。

２．５ 模型解析與渲染

ＢＩＭ 模型文件結構復雜、信息豐富、擴展性強。為了實現模型的靈活解析，采用開源解析工具對ＢＩＭ 模型進行自定義解析。在模型渲染方面，兼顧模型精度的同時要保證模型的精細程度，針對水利工程信息模型在Ｃｈｒｏｍｅ、Ｆｉｒｅｆｏｘ 等主流瀏覽器以及移動設備上的應用要求，通常采用ＬｏＤ 技術與分布式加載相結合的方式實現模型的快速渲染和動態展示［８］ 。

３ 水利行業ＢＩＭ 模型輕量化流程及應用

水利行業ＢＩＭ 模型輕量化技術開發須首先選定合理的建模工具和建模手段，保證模型本身輕量化。其次須從幾何層面和非幾何層面處理ＢＩＭ 模型，非幾何層面處理可采用數據庫存儲或ＪＳＯＮ 存儲的方式，幾何層面處理流程為ＢＩＭ 建模→數據結構標準化→模型提取與轉換→模型壓縮與傳輸→模型解析與渲染。

３．１ ＢＩＭ 建模

３．１．１ 建模工具及流程

幾何建模主要是借助幾何建模軟件，構建具有幾何信息和拓撲信息的物體三維模型。目前適用于水利工程的幾何建模軟件有Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ、Ｂｅｎｔｌｅｙ Ｍｉ?ｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｃａｔｉａ、Ｔｅｋｌａ 等。ＢＩＭ 建模時，首先按照空間結構關系劃分不同類別的構件，并按一定規則對這些構件命名；然后建立各個構件的幾何模型，將構件的關鍵參數定義為變量，以方便后期對其進行修改，這是幾何參數化建模的核心；再對構件添加實例屬性或類型屬性，所有構件建立完成后形成構件庫，按照水利工程設計要求，從構件庫里調用相應的構件進行組裝；最后建立以參數為驅動的ＢＩＭ 模型。

３．１．２ 模型幾何構形方式

ＢＩＭ 建模最常用的方式為幾何建模。圖形學中幾何造型系統包含線框、表面和實體三種模型，其中實體模型是由封閉表面包圍而成的模型，表示方法有構造表示、邊界表示、掃描表示、分解表示等。水利工程建筑物幾何模型的用途各異，針對不同的應用需求選擇不同的幾何構形方式，這是保證模型輕量化的前提。表１ 列舉了各類ＢＩＭ 模型的幾何構形方式。此外，建模精度應符合《水利水電工程設計信息模型交付標準》（Ｔ／ ＣＷＨＩＤＡ ０００６—２０２０）的要求。

３．２ 數據結構標準化

由不同ＢＩＭ 建模手段得到的各專業模型數據格式各異，若要協同應用須對數據格式進行標準化處理，形成統一的數據表達方式，即保留原有實體的語義擴展描述、幾何形態描述和屬性集描述。目前常用ＩＦＣ、ＪＳＯＮ、ＯＢＪ、ｇｌＴＦ、３Ｄ Ｔｉｌｅｓ 等通用數據格式對模型的幾何形態進行標準化描述，而非幾何信息在處理過程中不可被剔除，可選擇數據庫、二進制文件、ＪＳＯＮ 文件等進行存儲。為了保證描述的規范化，通過將屬性信息從ＩｆｃＰｒｏｐｅｒｔｙＳｅｔ 和ＩｆｃＲｅｌＤｅｆｉｎｅｓＢｙＰｒｏｐｅｒｔｙ 轉移到Ｉｆｃ?ＳｔｙｌｅｄＩｔｅｍ 中，實現屬性集信息在各類數據格式中的存儲。擴展實體的幾何形態描述和屬性集描述異構表達見圖１。

水利工程信息模型基礎數據架構應符合《水利水電工程信息模型存儲標準》（Ｔ／ ＣＷＨＩＤＡ ０００９—２０２０）的要求，建立的數據架構見圖２。

３．３ 模型提取與轉換

模型提取主要是剔除模型中的冗余信息，從而達到模型輕量化的目的。提取要素可分為幾何信息和工程信息兩類，提取結果可分為文本信息和數據信息兩類。幾何信息涵蓋幾何結構信息、幾何空間信息和幾何坐標信息，工程信息涵蓋設計階段與設計要素關聯的材質、功能、自定義標識符、項目合同及資源投入情況等信息，文本信息為ＩＦＣ 文件信息，數據信息為提取入庫的信息。本文將幾何信息與工程信息中的材質、功能、自定義標識符以文本的方式進行存儲記錄，將其他工程信息以數據的方式進行存儲記錄。

ＢＩＭ 模型關鍵信息提取與入庫流程見圖３。

ＢＩＭ 模型幾何體提取流程見圖４，主要包括數據解析、屬性剔除、關聯關系獲取、幾何表達合并、構件合并后離散、三角面片優化以及模型重組。

模型轉換是指將ＢＩＭ 模型轉換成通用數據格式的過程。在水利工程建設管理階段，ＢＩＭ 模型是貫穿水利工程全生命周期的核心，其主要用于三維模型的可視化展現、施工過程的虛擬仿真、多尺度的空間分析等。圖５ 展示了ＢＩＭ 模型頂點合并與轉換成通用數據格式的過程，其最左側部分為ｔｉｌｅｓｅｔ．ｊｓｏｎ 的基本結構。在轉換過程中，存儲在ＯＢＪ 的屬性集被自動分配到ＢａｔｃｈＴａｂｌｅ．ｊｓｏｎ 的名稱屬性中，這個過程不會破壞原始組件結構，同時確保了屬性信息的完整性。

３．４ 模型壓縮與傳輸

ＢＩＭ 模型壓縮是對模型進行幾何或非幾何數據壓縮處理，以大大縮短網絡傳輸時間，提升加載速度。模型壓縮有兩種方式，第一種與幾何無關，可直接使用壓縮工具（如Ｄｒａｃｏ、Ｍｅｓｈｏｐｔ 等）對模型數據進行壓縮后保存，通常用于模擬仿真、空間分析、結構計算過程；第二種與幾何相關，是對網格數據和點云數據進行壓縮，需要在載入ＧＰＵ 前壓縮。對于點云數據，可使用ｋｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ樹重新排列點的順序以優化編碼，通常用于數據集成、可視化展示、空間位置表達等。

輕量化ＢＩＭ 的Ｗｅｂ 端應用通常包含ＢＩＭ 模型及大場景的ＧＩＳ 地形，涉及數據量極大，采用漸進式數據傳輸模式進行模型傳輸，見圖６。該模式采用數據流的形式，在保證數據不間斷傳輸的條件下，根據需要可隨時中止傳輸，也可以延長模型傳輸時間直至顯示所有文件的細節。

３．５ 模型解析與渲染

模型解析依靠解析工具來實現，常見的開源解析工具有ＢＩＭＳｅｒｖｅｒ、ＸＢＩＭ、ＩＦＣ Ｅｎｇｉｎｅ ＤＬＬ、Ｏｐｅｎ ＳｏｕｒｃｅＳＴＥＰ Ｃｌａｓｓ Ｌｉｂｒａｒｙ、Ｏｐｅｎ ＩＦＣ Ｔｏｏｌｓ 以及提供ＷＥＢＧＬ支持的Ｔｈｒｅｅｊｓ、ＳｃｅｎｅＪＳ、Ｃｅｓｉｕｍ．ｊｓ 等，商業版的解析工具包括ＢＩＭＦＡＣＥ、ＰＫＰＭ、ＵＮＲＥＡＬ ＥＮＧＩＮＥ、Ｕｎｉｔｙ 等，可根據這些工具的特點并結合需求來選用。模型渲染方式可分為前端渲染與后端渲染兩種，其中：后端渲染通常用于本地硬件資源不足、網絡環境通暢的情況，該方法對遠程云端服務器的各項性能指標要求較高；前端渲染通常用于客戶端硬件資源充分、網絡可能不穩定的情況。渲染方法有ＬｏＤ 渲染優化、可見性判斷、頂點緩存優化等，根據需求采取不同渲染方式能極大程度提高渲染效率與質量，支撐ＢＩＭ 模型輕量化實施。在開展基于數字孿生水利工程的業務應用時，ＢＩＭ 模型在具有完整的幾何信息和必要屬性信息的前提下，工程約束、特征等信息都可以簡化或作為可選項存在，以滿足三維模型的工程應用需求和數據共享需求。

３．６ 輕量化技術應用

以引漢濟渭一期工程為例，通過規定模型幾何構形表示方式、數據標準化存儲空間、模型必要信息提取與轉換方式、模型壓縮工具和傳輸手段、模型解析工具和渲染方法等，實現工程地質模型的輕量化。使用Ｔｈｒｅｅ．ｊｓ 進行開發測試，工程地質模型輕量化前后每秒傳輸幀數（ＦＰＳ）分別為１０、５５，證明了基于ＢＩＭ 的數字孿生水利工程輕量化技術的可行性。

４ 結論

本文從ＢＩＭ 建模、數據結構標準化、模型提取與轉換、模型壓縮與傳輸、模型解析與渲染５ 個方面，提出了一種通用的數字孿生水利工程輕量化技術，具體成果如下。

１）提出了針對不同建筑物的合理表達方式和標準化存儲方法，保證模型信息完備，滿足工程應用需求。

２）提出了模型信息輕量化提取方法，對原始模型中的非必要信息進行過濾，避免信息的重復表達，同時結合數據轉換方法，實現模型在大場景下的輕量化展示。

３）提出一種能提高模型交互性能和解析效率的通用性方法，保證水利工程模型在不同算力情況下流暢解析。

參考文獻：

［１］ 詹全忠，陳真玄，張潮，等．《數字孿生水利工程建設技術

導則（試行）》解析［Ｊ］．水利信息化，２０２２（４）：１－５．

［２］ 趙菲．基于ＷｅｂＧＬ 的古建筑ＢＩＭ 模型輕量化研究與實現

［Ｄ］．西安：西安建筑科技大學，２０１８：１１－２０．

［３］ 劉洋．基于ＷｅｂＧＬ 的ＢＩＭ 模型輕量化展示應用研究［Ｄ］．

太原：中北大學，２０２１：２３－４１．

［４］ 王坭．面向軌道交通的ＢＩＭ 模型Ｗｅｂ 端輕量化技術研究

［Ｄ］．成都：西南交通大學，２０２１：１９－２６．

［５］ 袁思林．面向Ｗｅｂ 端的建筑信息模型輕量化展示研究

［Ｄ］．西安：西安電子科技大學，２０２２：１７－４３．

［６］ ＺＨＡＮＧ Ｓ Ｒ，ＪＩＡＮＧ Ｐ Ｑ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＢＩＭ＋ＷｅｂＧＩＳ

Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ＩＦＣ ａｎｄ Ｂａｔｃｈｅｄ ３ｄ Ｔｉｌｅｓ Ｄａｔａ：Ａｎ Ａｐ?

ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＲＣＣ Ｇｒａｖｉｔｙ Ｄａｍ ｆｏｒ Ｒｅｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｓｉｇｎ

Ｃｈａｎｇｅ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＫＳＣＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，

２５（１１）：１－２０．

［７］ 智鵬．基于ＢＩＭ 的鐵路建設管理平臺及關鍵技術研究

［Ｄ］．北京：中國鐵道科學研究院，２０１８：５９－７８．

［８］ 徐照，徐夏炎，李啟明，等．基于ＷｅｂＧＬ 與ＩＦＣ 的建筑信

息模型可視化分析方法［Ｊ］．東南大學學報（自然科學

版），２０１６，４６（２）：４４４－４４９．

【責任編輯 栗 銘】