基于ＢＩＭ 的数字孪生水利工程轻量化技术研究

姜佩奇 伍杰 刘辉 刘志明 张社荣

摘 要：为解决水利工程ＢＩＭ 模型解析交互不流畅、外形失真、信息丢失等问题，提出一种通用性的基于ＢＩＭ 的数字孪生水利工程轻量化技术。将水利工程轻量化分为ＢＩＭ 建模、数据结构标准化、模型提取与转换、模型压缩与传输、模型解析与渲染５ 个方面，按照水利工程数据特点和业务应用需求，针对性地提出轻量化措施，发挥ＢＩＭ 技术的三维可视化、数据化性能，实现业务协同应用。将上述技术应用于引汉济渭一期工程，通过规定模型几何构形表示方式、数据标准化存储空间、模型必要信息提取与转换方式、模型压缩工具和传输手段、模型解析工具和渲染方法等，实现工程地质模型的轻量化。轻量化后工程地质模型的每秒传输帧数（ＦＰＳ）由１０ 提高到５５，验证了该技术的有效性。

关键词：水利工程；数字孪生；ＢＩＭ；轻量化

中图分类号：ＴＶ５１；ＴＰ３９ 文献标志码：：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０５．０２２

引用格式：姜佩奇，伍杰，刘辉，等．基于ＢＩＭ 的数字孪生水利工程轻量化技术研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（５）：１３３－１３７，１４４．

建筑信息模型（ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＢＩＭ）是工程的数字化载体，承载工程几何信息、属性信息、特征信息等，也是数字孪生水利工程建设的关键。ＢＩＭ 技术作为一种以信息模型为载体、以数据共享为目标、以业务管理与仿真分析为核心的包容性信息化技术，已成为数字孪生水利工程建设的必备技术之一［１］ 。水利工程结构复杂、涉及专业众多、场景对象种类繁多、空间关系复杂，水利工程数字模型往往呈现多类型、高精度、大体量等特点。随着数字孪生水利工程的深化应用，ＢＩＭ 建模软件生成的模型数据体量和复杂度越来越高，ＢＩＭ 技术已无法满足水利工程的应用需求。国内外学者对ＢＩＭ 模型轻量化开展了系列研究，包括基于工业基础类（ＩＦＣ） 的动态解析、ＷｅｂＧＬ 渲染方式、图形引擎研究等。赵菲［２］ 开展基于ＷｅｂＧＬ 的古建筑ＢＩＭ 模型轻量化研究，提出了基于ＪＳＯＮ 的轻量化解析方法；刘洋［３］ 结合ＷｅｂＧＬ 技术和Ｔｈｒｅｅ．ｊｓ 引擎，实现本地端三维模型跨平台轻量化展示；王坭［４］ 开展了面向轨道交通的ＢＩＭ 模型Ｗｅｂ 端轻量化技术研究，提出基于Ｄｅｌａｕｎｎａｒｙ 三角剖分算法的ＢＩＭ 模型几何数据轻量化方法；袁思林［５］ 提出一种ＢＩＭ 模型归一化处理方法和基于多分辨率网格技术的浏览器端渲染方案，提升了ＢＩＭ 模型的解析效率。然而，上述研究方法及研究对象较为单一，没有建立一套从建模到解析应用全过程的轻量化方法。

近年来，水利专家开展了设计施工一体化ＢＩＭ 模型构建研究、水利行业标准化数据结构研究等工作，但仍缺少更具针对性的应用成果，模型交互性差、可移植性差等问题依然突出。在模型提取与转换、模型压缩与传输、模型解析与渲染等方面，需要将全生命周期多要素与业务信息融合，但上述方法既不能满足水利工程业务应用过程中数据标准化的需求，也很难从业务应用角度实现渲染速度和模型精度之间的平衡。因此，本文提出将数字孪生水利工程轻量化分为ＢＩＭ 建模、数据结构标准化、模型提取与转换、模型压缩与传输、模型解析与渲染５ 个方面，按照水利工程数据特点和业务应用需求，提供一种适用于水利行业的ＢＩＭ 轻量化技术。

１ 水利工程ＢＩＭ 需求分析及轻量化思路

１．１ ＢＩＭ 业务应用和表达需求

为解决数字孪生水利工程建设中数据体量和模型性能之间的矛盾，提出水利工程各时期ＢＩＭ 业务应用需求：１）规划设计期采用ＢＩＭ 技术可提高各专业的沟通与协作能力。对复杂的专业模型进行数据格式统一化，并基于Ｗｅｂ 端搭建统一的ＢＩＭ 协同设计平台，有效减少各专业之间的沟通壁垒，提高协同设计效率。２）建设期搭建水利工程施工管理ＢＩＭ 平台，集成各项施工数据，实现对施工全过程、全方位的管理。在施工过程中利用ＢＩＭ 技术构建施工现场的数字孪生体，对工程项目的物理实体进行实时虚拟映射。３）运维期以ＢＩＭ 模型为核心，实时监测各项指标，实现数据的集成、共享和可视化表达。将项目信息、结构模型和构件参数等数据全部集中于ＢＩＭ，为运维人员工作提供便利。

实现ＢＩＭ 表达规范性、准确性和完备性是保证ＢＩＭ 工作有序开展的前提。水利工程ＢＩＭ 表达有以下３ 个方面需求：１）语义信息的标准化。语义信息包括对ＢＩＭ 元素类别、空间位置与相关关系的描述，以及对元素基础属性及功能的定义，其是ＢＩＭ 规范化表达的基础。语义信息的规范化表达可以有效提高数据检索与提取效率，解决水利工程多专业间协同交互的难题。２）几何表达的精确性。ＢＩＭ 设计过程是逐步完善工程几何模型表达与属性信息的过程，几何模型的精确表达就是对设计结果的精确表达。计算机图形学是ＢＩＭ 几何构形的理论基础，选择适用于水利工程ＢＩＭ 几何表达的方式对模型几何边界及构造进行合理描述，是实现高精度参数化建模的基础。３）属性信息的完备性。设计成果最终都以ＢＩＭ 为载体呈现，因此在语义规范、几何精确的前提下，必须保证水利工程各阶段各专业设计成果的完备性，即实现所有设计结果与ＢＩＭ 模型的关联，避免设计结果遗漏与信息丢失。因此，建立完备的属性集空间也是ＢＩＭ 表达的关键。

１．２ ＢＩＭ 轻量化思路

依据水利工程ＢＩＭ 需求，提出以下５ 个方面的轻量化思路。

１）选择合理的建模工具，优化建模方法。水利工程涉及专业多，部分设施结构复杂，根据需要选择适当的建模工具和建模方法，对结构相似或外观相近的设施统一归类，识别出ＢＩＭ 模型中重复表达的要素并统一处理，可有效优化几何信息存储结构，减小文件体积和内存使用量。

２）建立标准化数据结构，避免数据冗余。采用层次化树状结构建立标准化数据关联继承机制，提高ＢＩＭ 表达的规范性和效率。关联继承机制具有良好的可拓展性以及平台无关性，可以实现结构和内容的分离，避免数据重复定义，同时标准化的数据结构可有效提升数据解析提取性能。

３）建立面向需求的模型提取与转换机制。水利工程模型中业务信息多，模型体量大，需要对顶点和片源进行简化，剔除无关业务信息，从而实现模型轻量化。针对不同的业务需求，将ＢＩＭ 模型数据转换成ＩＦＣ、ＪＳＯＮ、ＯＢＪ、ｇｌＴＦ、３Ｄ Ｔｉｌｅｓ 等数据格式，用于不同场景下ＢＩＭ 模型的轻量化解析。

４）对模型进行高保真压缩与流式传输。为支持精细化、大体量模型信息传输，须在保证精度的前提下对ＢＩＭ 模型的几何信息、空间拓扑信息以及纹理坐标等属性信息进行压缩，并采用流式传输方式在网络中渐进传输三维模型。

５）对模型进行轻量化解析与渲染。遴选开源或国产化解析工具解析ＢＩＭ 模型，保证解析精度和解析效率。采用多细节层次（Ｌｅｖｅｌ ｏｆ Ｄｅｔａｉｌ，ＬｏＤ）技术解析几何数据，对模型可见性及细节度进行预先判断，根据预先提供的可见性信息进行渲染，保证渲染速度与应用需求之间的平衡。

２ 轻量化技术发展现状

从ＢＩＭ 建模、数据结构标准化、模型提取与转换、模型压缩与传输、模型解析与渲染５ 个方面，梳理轻量化技术的发展现状。

２．１ ＢＩＭ 建模

随着ＢＩＭ 技术的深化应用，ＢＩＭ 建模工具的发展日新月异。目前水利行业主流的建模工具以Ａｕｔｏｄｅｓｋ、Ｂｅｎｔｌｅｙ、Ｄａｓｓａｕｌｔ 等公司开发的软件为代表，例如：Ａｕ?ｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 可实现水利工程建筑、施工场地等信息模型的专业三维建模，并开展可持续设计、碰撞检测、施工规划、力学分析和虚拟建造；Ｂｅｎｔｌｅｙ ＭｉｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ 可实现工程施工总布置区复杂形态的专业模型三维设计、文档制作以及可视化呈现；Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｃａｔｉａ 提供变量驱动和后参数化能力。另外，国内ＢＩＭ 软件有广联达ＢＩＭＦＡＣＥ、ＰＫＰＭ、品铭ＣＣＢＩＭ 等。

２．２ 数据结构标准化

数据结构标准化对于轻量化处理后的模型最终形态产生影响，几何模型格式的选取、非几何数据与模型的关联、精度等级的规定等均应依据标准化的数据结构开展。ＢＩＭ 模型常用数据结构标准是ＩＦＣ，ＩＦＣ 主要面向工程领域，具有开放性和平台无关性的特点。如今，ＩＦＣ 得到了全球１５０ 个软件应用程序的支持，用于实现ＡＥＣ（建筑、工程和施工） 行业的软件互操作。２０１９ 年４ 月发布了ＩＦＣ４．２，此版本中有３８ 个模式、８０１ 个实体、４００ 个类型和６３７ 个预定义属性集，但缺少关于水利行业的元素表达。ＩＦＣ 扩展是对ＩＦＣ 实体类别和属性的自定义过程，其不受现有类别和属性的影响。ＩＦＣ 扩展技术是实现大规模水利工程ＢＩＭ 数据结构标准化的有效解决方法。

２．３ 模型提取与转换

ｂｕｉｌｄｉｎｇＳＭＡＲＴ 组织提出了用于数据交换的模型视图定义（Ｍｏｄｅｌ Ｖｉｅｗ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ＭＶＤ）概念。一般来说，ＢＩＭ 模型数据具有高度冗余的特点，特定主体仅需要部分ＢＩＭ 模型数据，通过ＭＶＤ 可以实现工作流程的精简和高效。ＢＩＭ 模型数据交换的关键是标准化数据格式的导出，即提取模型信息并转换成标准化数据结构。目前商业ＢＩＭ 软件无法实现扩展ＩＦＣ 的自定义表达和数据交换。Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ 虽然提供二次开发工具来解决上述问题，但仍避免不了部分信息的丢失。对于我国水利工程ＢＩＭ 设计来说，绝大多数软件是商用的，因此亟须研发一种利用商用软件导出扩展ＩＦＣ 的方法［６］ 。

２．４ 模型压缩与传输

模型压缩的主要途径之一是对几何数据进行轻量化处理，实质上是一种数据压缩技术，可通过目前主流的几何数据压缩方法来实现。模型数据压缩算法众多，其中几何压缩分为三角形网格压缩和多边形网络压缩两类，数据压缩分为拓扑信息压缩、几何信息压缩和属性信息压缩三类［７］ 。在模型传输方面，ＢＩＭ 模型以渐进式传输方式为主，通过数据流的形式进行控制。

２．５ 模型解析与渲染

ＢＩＭ 模型文件结构复杂、信息丰富、扩展性强。为了实现模型的灵活解析，采用开源解析工具对ＢＩＭ 模型进行自定义解析。在模型渲染方面，兼顾模型精度的同时要保证模型的精细程度，针对水利工程信息模型在Ｃｈｒｏｍｅ、Ｆｉｒｅｆｏｘ 等主流浏览器以及移动设备上的应用要求，通常采用ＬｏＤ 技术与分布式加载相结合的方式实现模型的快速渲染和动态展示［８］ 。

３ 水利行业ＢＩＭ 模型轻量化流程及应用

水利行业ＢＩＭ 模型轻量化技术开发须首先选定合理的建模工具和建模手段，保证模型本身轻量化。其次须从几何层面和非几何层面处理ＢＩＭ 模型，非几何层面处理可采用数据库存储或ＪＳＯＮ 存储的方式，几何层面处理流程为ＢＩＭ 建模→数据结构标准化→模型提取与转换→模型压缩与传输→模型解析与渲染。

３．１ ＢＩＭ 建模

３．１．１ 建模工具及流程

几何建模主要是借助几何建模软件，构建具有几何信息和拓扑信息的物体三维模型。目前适用于水利工程的几何建模软件有Ａｕｔｏｄｅｓｋ Ｒｅｖｉｔ、Ｂｅｎｔｌｅｙ Ｍｉ?ｃｒｏＳｔａｔｉｏｎ、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｃａｔｉａ、Ｔｅｋｌａ 等。ＢＩＭ 建模时，首先按照空间结构关系划分不同类别的构件，并按一定规则对这些构件命名；然后建立各个构件的几何模型，将构件的关键参数定义为变量，以方便后期对其进行修改，这是几何参数化建模的核心；再对构件添加实例属性或类型属性，所有构件建立完成后形成构件库，按照水利工程设计要求，从构件库里调用相应的构件进行组装；最后建立以参数为驱动的ＢＩＭ 模型。

３．１．２ 模型几何构形方式

ＢＩＭ 建模最常用的方式为几何建模。图形学中几何造型系统包含线框、表面和实体三种模型，其中实体模型是由封闭表面包围而成的模型，表示方法有构造表示、边界表示、扫描表示、分解表示等。水利工程建筑物几何模型的用途各异，针对不同的应用需求选择不同的几何构形方式，这是保证模型轻量化的前提。表１ 列举了各类ＢＩＭ 模型的几何构形方式。此外，建模精度应符合《水利水电工程设计信息模型交付标准》（Ｔ／ ＣＷＨＩＤＡ ０００６—２０２０）的要求。

３．２ 数据结构标准化

由不同ＢＩＭ 建模手段得到的各专业模型数据格式各异，若要协同应用须对数据格式进行标准化处理，形成统一的数据表达方式，即保留原有实体的语义扩展描述、几何形态描述和属性集描述。目前常用ＩＦＣ、ＪＳＯＮ、ＯＢＪ、ｇｌＴＦ、３Ｄ Ｔｉｌｅｓ 等通用数据格式对模型的几何形态进行标准化描述，而非几何信息在处理过程中不可被剔除，可选择数据库、二进制文件、ＪＳＯＮ 文件等进行存储。为了保证描述的规范化，通过将属性信息从ＩｆｃＰｒｏｐｅｒｔｙＳｅｔ 和ＩｆｃＲｅｌＤｅｆｉｎｅｓＢｙＰｒｏｐｅｒｔｙ 转移到Ｉｆｃ?ＳｔｙｌｅｄＩｔｅｍ 中，实现属性集信息在各类数据格式中的存储。扩展实体的几何形态描述和属性集描述异构表达见图１。

水利工程信息模型基础数据架构应符合《水利水电工程信息模型存储标准》（Ｔ／ ＣＷＨＩＤＡ ０００９—２０２０）的要求，建立的数据架构见图２。

３．３ 模型提取与转换

模型提取主要是剔除模型中的冗余信息，从而达到模型轻量化的目的。提取要素可分为几何信息和工程信息两类，提取结果可分为文本信息和数据信息两类。几何信息涵盖几何结构信息、几何空间信息和几何坐标信息，工程信息涵盖设计阶段与设计要素关联的材质、功能、自定义标识符、项目合同及资源投入情况等信息，文本信息为ＩＦＣ 文件信息，数据信息为提取入库的信息。本文将几何信息与工程信息中的材质、功能、自定义标识符以文本的方式进行存储记录，将其他工程信息以数据的方式进行存储记录。

ＢＩＭ 模型关键信息提取与入库流程见图３。

ＢＩＭ 模型几何体提取流程见图４，主要包括数据解析、属性剔除、关联关系获取、几何表达合并、构件合并后离散、三角面片优化以及模型重组。

模型转换是指将ＢＩＭ 模型转换成通用数据格式的过程。在水利工程建设管理阶段，ＢＩＭ 模型是贯穿水利工程全生命周期的核心，其主要用于三维模型的可视化展现、施工过程的虚拟仿真、多尺度的空间分析等。图５ 展示了ＢＩＭ 模型顶点合并与转换成通用数据格式的过程，其最左侧部分为ｔｉｌｅｓｅｔ．ｊｓｏｎ 的基本结构。在转换过程中，存储在ＯＢＪ 的属性集被自动分配到ＢａｔｃｈＴａｂｌｅ．ｊｓｏｎ 的名称属性中，这个过程不会破坏原始组件结构，同时确保了属性信息的完整性。

３．４ 模型压缩与传输

ＢＩＭ 模型压缩是对模型进行几何或非几何数据压缩处理，以大大缩短网络传输时间，提升加载速度。模型压缩有两种方式，第一种与几何无关，可直接使用压缩工具（如Ｄｒａｃｏ、Ｍｅｓｈｏｐｔ 等）对模型数据进行压缩后保存，通常用于模拟仿真、空间分析、结构计算过程；第二种与几何相关，是对网格数据和点云数据进行压缩，需要在载入ＧＰＵ 前压缩。对于点云数据，可使用ｋｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ树重新排列点的顺序以优化编码，通常用于数据集成、可视化展示、空间位置表达等。

轻量化ＢＩＭ 的Ｗｅｂ 端应用通常包含ＢＩＭ 模型及大场景的ＧＩＳ 地形，涉及数据量极大，采用渐进式数据传输模式进行模型传输，见图６。该模式采用数据流的形式，在保证数据不间断传输的条件下，根据需要可随时中止传输，也可以延长模型传输时间直至显示所有文件的细节。

３．５ 模型解析与渲染

模型解析依靠解析工具来实现，常见的开源解析工具有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，商业版的解析工具包括ＢＩＭＦＡＣＥ、ＰＫＰＭ、ＵＮＲＥＡＬ ＥＮＧＩＮＥ、Ｕｎｉｔｙ 等，可根据这些工具的特点并结合需求来选用。模型渲染方式可分为前端渲染与后端渲染两种，其中：后端渲染通常用于本地硬件资源不足、网络环境通畅的情况，该方法对远程云端服务器的各项性能指标要求较高；前端渲染通常用于客户端硬件资源充分、网络可能不稳定的情况。渲染方法有ＬｏＤ 渲染优化、可见性判断、顶点缓存优化等，根据需求采取不同渲染方式能极大程度提高渲染效率与质量，支撑ＢＩＭ 模型轻量化实施。在开展基于数字孪生水利工程的业务应用时，ＢＩＭ 模型在具有完整的几何信息和必要属性信息的前提下，工程约束、特征等信息都可以简化或作为可选项存在，以满足三维模型的工程应用需求和数据共享需求。

３．６ 轻量化技术应用

以引汉济渭一期工程为例，通过规定模型几何构形表示方式、数据标准化存储空间、模型必要信息提取与转换方式、模型压缩工具和传输手段、模型解析工具和渲染方法等，实现工程地质模型的轻量化。使用Ｔｈｒｅｅ．ｊｓ 进行开发测试，工程地质模型轻量化前后每秒传输帧数（ＦＰＳ）分别为１０、５５，证明了基于ＢＩＭ 的数字孪生水利工程轻量化技术的可行性。

４ 结论

本文从ＢＩＭ 建模、数据结构标准化、模型提取与转换、模型压缩与传输、模型解析与渲染５ 个方面，提出了一种通用的数字孪生水利工程轻量化技术，具体成果如下。

１）提出了针对不同建筑物的合理表达方式和标准化存储方法，保证模型信息完备，满足工程应用需求。

２）提出了模型信息轻量化提取方法，对原始模型中的非必要信息进行过滤，避免信息的重复表达，同时结合数据转换方法，实现模型在大场景下的轻量化展示。

３）提出一种能提高模型交互性能和解析效率的通用性方法，保证水利工程模型在不同算力情况下流畅解析。

参考文献：

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

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ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＲＣＣ Ｇｒａｖｉｔｙ Ｄａｍ ｆｏｒ Ｒｅｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｓｉｇｎ

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【责任编辑 栗 铭】