面向SuperMap的BIM模型轻量化处理研究

张海兵，操锋

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 数智化项目部，湖北 武汉 430063）

0 引言

建筑信息模型（BIM）技术在工程行业应用正在逐步深入，杭州—海宁城际铁路［1］、江阴靖江长江隧道［2］、西成高铁［3］、北京地铁19号线一期工程［4］等均运用BIM+GIS集成融合［5］技术，将多工点设计坐标的BIM模型统一到同一GIS坐标系，实现对工程完整性和全局性的参考、展示和分析，完成工程与周边地形地貌的空间分析。然而，铁路和轨道交通BIM设计中参与专业多、模型复杂、模型体量大，在SuperMap中实现BIM模型在GIS中的集成存在以下问题：（1）基于插件的模型格式转换，需要每次单独启动BIM软件，操作烦琐、耗费电脑资源、速度慢；（2）每个BIM模型有多个图层，需要逐图层手工坐标变换，特别是全线全专业模型坐标变换过程更加烦琐耗时；（3）手工进行BIM模型三角网简化工作量巨大、耗时且效果不佳。BIM模型体量大、三角面片数多，SuperMap支持按所有模型对象或选中对象进行三角网简化，无法做到按构件几何形态个性化简化，逐构件处理工作量十分巨大。如何快速简化三角网面片又保持构件几何形态是需要解决的难题。上述问题对电脑硬件要求高，易造成大量重复性劳动，影响项目进度和集成效果。在此，提出基于族类型的三角网简化，基于Revit API和SuperMap iObjects.Net API开发BIM模型轻量化辅助软件，完成BIM模型到三维体数据模型（GeoModel3D）的批量格式和坐标转换，优化模型三角网简化效果，提升BIM模型轻量化的效率和模型整合的效果。

1 模型轻量化解决方案

1.1 总体架构

软件开发基于C/S架构实现BIM模型的轻量化处理，其总体架构见图1。系统的数据对象为Revit模型、Bentley模型和通用空间数据库扩展（Udbx）格式的模型，RevitAPI、RevitNET、Bentley.IModelIPC作为BIM模型中几何体和属性解析处理的基础，SuperMap iObjects.Net是SuperMap平台下对三维模型的几何形体可视化表达、空间位置匹配、面片减少及缓存处理的基础。软件对于简化参数按字典进行存储，实现格式转换、投影变换、模型缓存等功能，可有针对性地基于族类型进行三角网简化，在应用层实现模型和构件的可视化。

图1 模型轻量化总体架构

1.2 基于iObject的开发

城市轨道交通和城际铁路工程通常采用Revit和Bentley软件开展BIM设计。基于SuperMap iObjects.Net的API可获取BIM模型的几何形体、材质颜色、构件属性信息。熟悉iObjects的API内容，可为实现模型轻量化做好技术铺垫。BIM模型轻量化涉及格式转换、空间位置匹配、三角网简化、缓存创建等内容，所需要的API类或函数见表1，但不仅限于表1内容。

表1 SuperMap iObjects.Net类或函数

2 BIM模型轻量化关键技术

BIM模型轻量化主要包括模型格式转换、模型空间位置匹配、构件三角网简化、模型缓存等方面。

2.1 模型格式转换

模型格式转换实现在GIS中完整表达BIM模型的几何形态、属性信息和材质颜色，实现在GIS环境中模型构件级别的表达，确保构件的完整性。以Revit模型为例，基于IExportContext接口实现Revit模型文档的导出，每个构件采用三角网进行表达。针对形态相同的构件，采用实例化的方式进行存储，在格式转换过程中可针对性地进行模型构件简化转换。最终将BIM模型格式转换为GeoModel3D格式存储在Udbx文件中。其中Revit模型转换界面见图2，不需要启动Revit软件，可节省电脑资源，操作更便捷，提高模型转换效率。

图2 Revit模型格式转换界面

2.2 模型空间位置匹配

城市轨道交通和城际铁路有很多工程都是基于地方坐标系创建。在不同项目中，地方坐标的参考椭球、中央子午线不一，东方向平移量和北方向平移量均有差异。此外，每个城际铁路和轨道交通工程项目的BIM建模标准不一，在BIM设计软件中模型经常建立在局部的工程坐标系下，如Revit设计软件中，模型的坐标参照项目基点设定。因此，BIM模型转换到GIS场景中必须经过空间位置匹配，进行模型逐点的坐标变换或投影变换。

若忽略坐标系间的椭球差异，采用四参数方程组［6］可构建二维平面直角坐标系间的转换关系：

若考虑坐标系间的椭球差异，采用布尔莎七参数模型［7-10］实现空间直角坐标系A到空间直角坐标系B的坐标转换：

四参数和七参数的空间匹配参数设置见图3，通过设定转换方法、比例差k、旋转角度和偏移量等实现。软件可批量实现图层的转换，取代手工逐个模型图层进行空间坐标变换，特别是针对大体量BIM模型，操作便捷，可极大提高生产效率。

图3 空间匹配参数设置

2.3 构件三角网简化

轨道交通项目中BIM模型的设计细节十分丰富，随着设计阶段的深入，对象复杂度和数据量急剧增加。为满足全专业全线BIM模型的高效可视化展示又完整保留构件的几何形态，核心工作是对BIM模型进行三角网简化处理。当前，BIM模型轻量化处理通常采用整体模型或整体图层三角网抽稀的方法来减小模型体量。然而，1个图层中存在不同类型构造生成的几何体，如长方体、立方体、圆柱体等。不同的几何体采用同一个简化参数，有的几何体三角网因简化过度导致几何形体失真变形；有的几何体则简化不足，体量很大。

当前方式无法实现构件个性化的三角网减少，以达到模型体量减小的同时保持几何形体完好。在Super-Map中支持对单个构件逐一三角网简化，但工作量巨大、耗时长，在实际生产过程中采用逐构件三角网简化的方式不现实，无法满足模型整合的工期要求。采用软件实现基于字典系数的三角网简化，以Revit模型为例，通过针对每个族中的族类型确定简化参数，对三角面大小进行排序，对于面积较小的三角形进行剔除，从而减少几何形体的面片，做到三角网的简化。软件实现将族类型转换为GeoModel3D，通过交互的方式确定该族类型的最优三角网简化系数，并作为字典记录此简化系数。在Revit模型转化为GeoModel3D存储为Udbx格式后，应用此系数对所有同一族类型的构件进行批量三角网简化，从而获得该族类型所有实例的最优简化效果。

2.4 模型缓存

模型缓存有助于提升大体量数据的浏览性能与显示效果。针对简化处理后的BIM模型，进行多层次细节（LOD）分层和八叉树或四叉树金字塔剖分，针对不同BIM模型类型进行瓦片边长、纹理大小设定和切分。

模型加载时，结合LOD调度技术，随视野远近而变化，结合场景内数据量进行模型缓存的调度，距离观察点越远，模型显示的精细程度越粗糙。通过设定模型图层的显示渲染模式，设定加载模式和加载优先级、图层最大最小可见高度等，以提高模型浏览时的效果和显示效率。

3 项目应用

3.1 城际铁路项目

选取正线长度约22 km城际铁路开展技术方案应用，该区段全线地下敷设，设地下车站2座和地下存车场1处，根据业主需要，全线进行BIM设计，在初步设计阶段需要利用BIM+GIS方式进行拆迁分析等。

在该项目中对BIM模型转换的udbx文件进行三角网简化，为便于BIM模型整合后的浏览和显示，对三角网简化后的GeoModel3D进行缓存切割，软件对模型轻量化的数据体量情况见表2。

表2 软件对模型轻量化的数据体量情况

通过对构件的三角网简化，可以看到模型体量均有很大程度减小。为优化模型集成展示效果，提升模型加载效率，对BIM模型进行LOD和缓存处理。城际铁路项目倾斜摄影、管线模型在GIS场景中集成融合效果见图4、图5。

图4 倾斜摄影与管线集成效果

图5 管线模型在GIS中集成效果

3.2 地铁项目

选取某地铁项目约5 km区段进行技术方案应用，该工程高架段约0.36 km、地下段约4.60 km，设地下站3座。软件对模型轻量化的数据体量情况见表3。模型与倾斜摄影集成效果见图6。

图6 模型与倾斜摄影集成效果

表3 软件对模型轻量化的数据体量情况

在该地铁项目中，通过轻量化技术手段，模型均得到一定简化，模型体量均有很大程度减小。由于该区段较短，但站房模型相对较大，通过模型缓存，对模型进行了有效简化。

4 结束语

面向SuperMap的BIM模型轻量化处理软件实现BIM模型到SuperMap的格式转换、空间位置匹配、三角网简化和缓存处理，以及族类型字典的三角网简化系数复用、扩充和积累，支持在设计全阶段、全过程的BIM模型轻量化处理。研究成果已在地铁和城际铁路工程中应用，以确保Revit和Bentley模型的轻量化处理。软件轻量化取代手工轻量化，可实现模型精确坐标转换并优化传统三角网简化效果，提高了模型轻量化和模型整合的效率，提升了BIM模型整合质量和设计时效。该研究成果可持续为城市轨道交通、铁路项目的BIM+GIS模型整合服务，为工程数字化和智能化提供技术支撑。