數字孿生水利水電工程中BIM自適應流轉技術研究

羅煒，謝明霞，陳杰，羅勝

摘要：為解決BIM模型在數字孿生水利水電工程各階段應用中因業務需求不同導致其幾何、材質、屬性、結構等精度適配度不高的問題，設計了一套BIM模型按需自適應流轉的技術方法，以實現BIM在水利水電工程數字孿生中的高效應用。該方法定義BIM模型屬性、結構、幾何、材質的數據導出規范，通過建立上述多維信息的映射關系，結合改進的3DTiles幾何輕量化算法，實現BIM模型屬性、結構、幾何、材質按需自適應流轉?；谠摲椒?，依托Revit軟件開展項目應用實踐。研究結果表明：使用該方法流轉的BIM模型結構齊備、屬性完整，并能按需滿足幾何與材質的精度要求，同時支持高效應用與高性能渲染。研究成果可為BIM模型在水利水電工程全生命周期數字孿生應用提供基礎技術支撐。

關鍵詞：數字孿生； 水利水電工程； BIM模型； 自適應數據流轉； 三維渲染

中圖法分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.019

文章編號：1006-0081（2024）03-0118-06

0引言

BIM是數字孿生水利水電工程高精度數據底板的核心組成部分［1］，支持工程勘察設計、施工建管、運營維護、安全監測等各階段孿生應用，隨著數字孿生工程建設的深入開展，BIM也將發揮出越來越重要的作用。由于水利水電工程的復雜性，工程BIM模型存在數據量大、結構復雜等特點［2-3］，而工程不同階段孿生應用對BIM模型需求不同，基于一套BIM數據，往往無法有效適配需求，應用效率較低。許多孿生應用場景，需要根據業務需求，重新組織調整構件結構，并實現多套結構的協同應用和靈活切換，而大部分BIM模型存儲結構無法滿足BIM構件組織靈活調整的需求，實際應用中往往需準備多套結構數據，加大了BIM應用的難度。針對高性能應用場景，大數據量BIM模型對性能影響較大，而簡化模型往往又無法滿足計算分析等需求，目前一些BIM轉換方法對BIM模型幾何做輕量化處理，但往往會忽略數據的完整性、一致性，導致模型的屬性、結構、材質等丟失［2］，大大影響BIM應用效果。

近年來，針對上述問題廣泛開展了以BIM結構的分類編碼［4］、管理應用［5］等為目標的研究，探討了可變BIM結構的應用模式；基于邊折疊算法的BIM幾何模型輕量化［6］，探討了BIM模型幾何優化的方法；基于WEBGL的BIM模型可視化應用［7］研究了BIM可視化渲染的關鍵技術，BIM與GIS結合［8-10］、BIM與IoT結合［11］、BIM與空間大數據［12-13］結合、BIM與水利專業模型融合［14-16］、BIM與人工智能融合［17］等不同維度的融合應用大量涌現。這些研究為優化BIM應用提供了寶貴的經驗，然而上述研究基于特定業務場景或單點應用的技術難以滿足全生命周期的應用需求。為更好地開展水利水電工程全生命周期數字孿生應用，迫切需要研究一套BIM模型自適應流轉技術：通過簡單需求輸入，BIM模型轉換算法可自適應計算優化參數，轉換出高度匹配應用需求的BIM模型規格，從而實現BIM數據在水利水電工程各應用階段流轉。

1總體思路

數字孿生水利水電工程應用具有跨場景、多業態、多技術融合的典型特點，其綜合性強、復雜度高，對模型結構、計算精度、可視化效果等都有較高要求。目前BIM應用難度大，主要原因有：① 缺乏統一通用的數據標準、結構規范，易導致流轉過程中模型屬性、結構等信息丟失；② 缺乏全局的技術框架設計，無法實現基于應用需求的BIM自適配流轉。因此，本文綜合考慮BIM模型的數據結構、存儲規范、轉換流程，以及輕量化處理等技術，提出一種BIM模型自適應流轉方法，該方法在統一BIM數據導出規范的基礎上，構建BIM模型屬性、結構、幾何、材質等多維度信息的映射模型，實現模型幾何輕量化轉換的同時，保持屬性、結構、材質等信息不丟失，并支持模型結構自定義靈活重組，同時滿足BIM模型輕量化、結構靈活調整、數據一致性等需求［2］，為BIM模型在水利水電工程全生命周期數字孿生應用奠定基礎。該方法具體流程如圖1所示。

在定義BIM模型統一數據存儲規范、多維信息映射規范、自適應流轉規范的基礎上，基于目前水利水電工程設計領域廣泛應用的BIM設計軟件，如Autodesk Revit、Bentley、Dassault等，研發導出插件，將原始BIM模型導出為規范存儲的數據，后續基于規范化存儲的BIM模型，按需自適應流轉。

2關鍵技術

2.1模型數據規范設計

數據導出規范是BIM模型存儲、管理、自適應流轉的基礎。本文根據BIM模型的信息構成特點，結合水利水電工程全生命周期數字孿生應用需求，制定BIM模型數據導出規范，其包含存儲規范、多維信息映射規范、自適應流轉規范3個部分。

該方法將BIM模型存儲劃分為模型元信息、模型屬性、模型幾何信息、模型材質信息、子構件關系、子構件屬性等六大要素，以結構化表格方式存儲，在數據結構設計時，需綜合考慮數據類型、索引、約束等數據庫設計原則［7］，以優化數據的存儲和查詢效率。各類表之間的關系如圖2所示。

（1） 模型元信息表：用于存儲模型元信息，包括模型名稱、版本號、創建時間、完成時間、模型幾何體個數、模型頂點數、模型三角形數、模型材質數、模型屬性數、模型構件個數等。

（2） 模型屬性表：用于存儲模型屬性信息，包括名稱、編碼、類型、分組、歸屬、尺寸等。

（3） 幾何信息表：用于存儲模型幾何信息，包括存儲類型、網格文件鏈接、幾何體LOD級別、幾何體頂點個數、三角形個數、材質數量、包圍球中心點坐標（X，Y，Z）、包圍球半徑等基本信息。網格文件格式可采用GLTF、GLB、3DS等三維圖形學領域的開源規范格式標準，目前GLTF、GLB格式對WEB三維應用支持良好。

（4） 材質信息表：用于存儲模型的材質，以及材質對應的紋理圖片資源，包括材質名稱、材質規范、材質層數、材質分層配置、紋理圖片鏈接等信息。

（5） 構件關系表：用于存儲BIM模型子構件之間的關系，以構件結構樹形式組織，包括節點名稱、節點編號、構件類型、構件層級、構件父子節點等信息。

（6） 構件屬性表：用于存儲模型子構件的屬性信息，包括構件名稱、構件編號、構件分類、構件單元劃分等，不同的構件類型，其屬性表不一致。

為支持模型信息自適應流轉，上述表結構支持自定義擴展，在元信息表中，記錄擴展的元信息。在導出BIM模型信息后，可以通過查詢和分析庫中的數據來獲取所需的BIM模型信息。

多維信息映射規范是后續BIM模型自適應流轉的基礎，將BIM模型的信息劃分為屬性、結構、幾何、材質4個維度。其中，模型屬性、結構等數據為結構化數據，通過構建對應關系數據庫表存儲，模型幾何、材質為非結構化數據，以文件方式存儲。多維信息映射的目的是建立BIM模型屬性與結構、屬性與幾何、結構與幾何、幾何與材質之間的聯系，從而保障在數據流轉前后數據的完備性和一致性，實現BIM模型全生命期應用的功能一致性。

在水利水電工程設計過程中，通?；谛袠I標準制定統一的BIM構件編碼規則，因此，以構件編碼為唯一ID，實現屬性、結構、幾何等信息之間的關聯，模型幾何信息與材質信息則遵循相關的三維模型格式標準。數據流轉后，由于模型優化、結構調整，構件幾何與構件屬性容易出現不一致問題，因此BIM構件幾何信息與屬性之間的關聯是多維信息映射的關鍵。本文通過擴展模型幾何信息，實現構件幾何信息與屬性信息之間的關聯，具體結構如圖3所示。

幾何信息存儲時，通過構件屬性表存儲對應的構件編碼，并按構件存儲順序記錄編碼序號。在構建幾何數據中，逐單元面存儲編碼序號，從而實現幾何與屬性的映射?；谠撚成潢P系，在后續的數據流轉過程中，無論是輕量化處理，還是模型結構重組，均可保持構建幾何與構件屬性的一致性。

2.2導出插件設計要點

為支持后續BIM模型的自適應流轉，需將原始的設計BIM模型，導出為本文2.1節描述的數據規范。主流的BIM設計軟件均提供了BIM模型操作的SDK開發包用于擴展軟件功能，通過相關API接口可獲取BIM模型的屬性、結構、幾何、材質等信息，從而實現工程數字對象的導出和修改。本文以Autodesk Revit軟件為基礎，闡述導出插件的設計要點。

為提升導出插件的適配性，設計通用化的導出流程如圖4所示。

開始導出階段，主要是選取目標模型，導出目錄以及其他導出參數設置。數據檢查根據插件不同而有差異，主要是檢查BIM模型數據的完整性，是否存在格式未定義、坐標體系未設置、材質資源未綁定等問題；數據修復階段主要針對數據檢查的問題，完成對應的數據修復；模型導出階段分批次導出BIM模型的屬性、結構、幾何及材質信息；結束導出階段主要是完成日志、清單等記錄文件的存儲。

由于設計軟件與應用軟件對幾何模型的定義有差異，包含對模型幾何面、網格頂點、材質等的定義不同，需重點關注。以Revit軟件設計的BIM模型為例，其幾何面可能存在多種形式：如三角形、四邊形、六邊形等，需進行統一的轉換；其頂點的定義也可能存在法線方向不一致、頂點冗余等情況；其材質會帶有顏色或紋理信息，從Revit中直接導出通用模型格式（如FBX格式）會丟失紋理信息［4］，因此，需根據BIM模型導出規范，檢查并修復。

BIM模型屬性及結構導出方面，需區分好模型屬性與構件屬性之間的關系，屬性可通過數據庫來存儲。常用的數據庫有MySql、PostgreSql、MongoDB、SQLite等，MySql、PostgreSql等為大型關系數據庫，功能強、效率高，MongoDB為分布式文件數據庫，大數據應用優勢明顯，SQLite為單文件關系數據庫，在保障功能和性能的前提下，其靈活性最高，根據不同的需求可采用不同的數據庫存儲。

對復雜構件組成的BIM模型，其導出需統一的坐標體系，各構件需保證以統一的坐標體系存儲頂點坐標，從而保證各構件之間的相對位置關系在導出時不變。

2.3輕量化處理與自適應轉換

一般模型輕量化處理方案有2種：① 通過頂點、三角形的簡化，降低模型的精度，從而實現輕量化；② 通過對模型構建分層分級的空間索引，通過模型調度算法實現模型的高效應用。模型簡化一般包含頂點簡化、網格簡化、紋理簡化3個方面，由于各階段水利水電工程數字孿生應用對模型精度要求不同，因此，無法統一運用降低模型精度的方案，輕量化處理需根據實際業務需求，確定模型簡化的方案。針對第二種輕量化方案，可基于3DTiles規范，重新組織BIM模型，3DTiles是OGC標準委員會推薦使用的三維空間數據組織規范和數據結構，用于存儲、傳輸和可視化展示三維空間數據［8］，針對包含大量構件的BIM模型的輕量化，具備良好的適配性。3DTiles規范通過構建分層分級的空間索引，在保留模型精度的同時，大大優化了模型數據的加載效率和渲染性能，同時3DTiles規范支持幾何模型與屬性的映射，保證在數據優化流轉過程中，模型數據的完整性和一致性。

本文提出的輕量化處理與格式轉換采用GLTF+LOD的策略，具體轉換過程如圖5所示。

（1） 模型減面優化：將三維模型拆分成關鍵數據，根據關鍵數據及三維模型的曲率值對三維模型進行縮減優化，刪除不必要的細節、合并重復元素并簡化復雜的幾何結構，得到優化后三維模型，存儲優化后的關鍵數據，減少模型的復雜程度和文件大小。

（2） 模型紋理壓縮：分析優化后的關鍵數據中材質和UV紋理關系，建立與導出模型文件相對應的紋理數據模型，將優化三維模型的幾何特征、空間拓撲、紋理數據寫入瓦片格式文件。

（3） 屬性轉存與結構存儲：利用GLTF的邏輯層規范，通過FeatureTable和BatchTable結構存儲BIM模型的屬性信息和構件關系，保證BIM模型數據的一致性。

（4） 模型坐標變換：BIM模型的坐標并不統一，因此在輕量化導出時，需將BIM模型統一轉換為CGCS2000國家標準坐標體系，實現模型坐標與地理坐標的融合統一。

（5） 細節層次（LOD）構建：在三維模型重構方法中加入LOD的技術，根據程序設定的不同范圍生成不同的LOD模型，減輕系統渲染的壓力，滿足不同情況下對三維模型的實時瀏覽與順暢操作需求。最終將BIM模型轉換為3DTiles格式并生成相應的數據文件保存。

自適應流轉包含2個方面涵義：① 模型屬性與結構的自適應流轉；② 模型幾何精度的自適應流轉。通過構建結構描述表，為BIM模型存儲多套結構信息，用戶可根據需求動態調用對應的模型結構，其難點在于結構自適應變化后如何與幾何保持一致性。幾何精度的自適應流轉基于分層細節層次（HLOD）技術實現，通過計算模型的幾何誤差隨距離的變化，構建多層級的模型之間的簡化參數，實現不同層級之間的模型的自適應優化，而模型層級深度通過應用需求可自定義設置，其結構如圖6所示。

3應用實例

本文基于Revit-API、SQLite數據庫等開發工具，開展上述技術方案的驗證和實踐，研制基于Revit的BIM模型導出插件，實現BIM模型數據的元信息、屬性、結構、幾何、材質等數據的規范化導出。以此為基礎，研制BIM數據自適應流轉工具，實現BIM模型可自定義參數的輕量化與結構重組，從而支持BIM模型在水利水電全生命周期的流轉應用。以某水利水電工程的機電水泵房BIM模型為例，模型如圖7所示。

獲取打開的模型數據，使用FilteredElementCollector等API獲取所有的模型元素。通過遍歷每個元素來獲取其元信息、屬性信息、結構信息、幾何信息、材質信息等數據，并將屬性、結構等數據以標準格式保存到SQLite數據庫中。該模型的部分導出結果如圖8所示。

模型數據輕量化處理時，根據傳入的輕量化參數，對模型幾何數據簡化、材質紋理壓縮及空間坐標轉換。針對頂點和網格的簡化，可根據模型物理空間與屏幕空間的透視投影模型計算簡化率，從而構建模型的動態LOD結構。針對模型精度要求不高的應用，可通過一種紋理存儲格式KTX（Khronos Texture）進行紋理壓縮，KTX對紋理圖片的壓縮率可達50%，可有效降低運行時的顯存占用，提高業務

應用的效率和系統穩定性。示例數據優化導出后的展示效果如圖9～10所示。

質等不丟失，保留模型幾何與材質特征的同時，模型壓縮效果較好，大大提升模型傳輸速度和渲染效率，實現了BIM模型的自適應流轉與高效果應用的需求。

4結語

本文提出的BIM模型自適應流轉的方法為目前水利水電工程的數字孿生應用提供了基礎，方案設計充分考慮了跨設計軟件平臺的需求，基于該方法，開發Micro-Station、3DExperience等設計軟件導出插件，即可完成跨設計軟件支持。

隨著工程數字化、智能化應用的深入開展，工程BIM模型的需求也將更加深化，BIM模型如何與高精度GIS數據無縫融合，如何實現與實時監測數據的聯動互饋，如何實現水利模型的聯合計算并承載計算分析結果，都對BIM提出更高的要求。同時，人工智能技術的廣泛應用也為BIM應用拓展出更廣闊道路。今后，還需基于人工智能技術，不斷完善BIM流轉智能化水平和應用效率。

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（編輯：唐湘茜）

Research on technology of BIM adaptive conversion in digital twin of water conservancy and hydropower projects

LUO Wei1，XIE Mingxia1，CHEN Jie2，LUO Sheng2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.Zhengzhou Xinda Institute of Advanced Technology，Zhengzhou 450000，China）

Abstract：?To solve the problem of geometric，material，attribute，structural accuracy adaptation of BIM models in various stages of digital twin water conservancy and hydropower projects due to different business needs.We designed a technical method for on-demand adaptive flow of BIM models to achieve an efficient application in digital twins of water conservancy and hydropower engineering.This method defined data export specifications for BIM attributes，structures，geometries，and materials.By establishing the mapping relationship of aforementioned multi-dimensional information，we can adaptively transfer the BIM attributes，structures，geometries，and materials as needed with the improved geometric lightweight algorithm of 3DTiles.By carrying out application practice with Revit，it is proved that the BIM model converted by this method had an integrated structure and attributes，maintained the consistency of geometric and material information，and supported efficient utilizing and high-performance rendering.The method can lay a technical foundation for the large-scale application of BIM models in digital twin water conservancy and hydropower projects.

Key words：?digital twin； water conservancy and hydropower projects； BIM model； adaptive conversion； 3D rendering