張海兵,操鋒
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 數(shù)智化項(xiàng)目部,湖北 武漢 430063)
建筑信息模型(BIM)技術(shù)在工程行業(yè)應(yīng)用正在逐步深入,杭州—海寧城際鐵路[1]、江陰靖江長(zhǎng)江隧道[2]、西成高鐵[3]、北京地鐵19號(hào)線一期工程[4]等均運(yùn)用BIM+GIS集成融合[5]技術(shù),將多工點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)的BIM模型統(tǒng)一到同一GIS坐標(biāo)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程完整性和全局性的參考、展示和分析,完成工程與周邊地形地貌的空間分析。然而,鐵路和軌道交通BIM設(shè)計(jì)中參與專業(yè)多、模型復(fù)雜、模型體量大,在SuperMap中實(shí)現(xiàn)BIM模型在GIS中的集成存在以下問題:(1)基于插件的模型格式轉(zhuǎn)換,需要每次單獨(dú)啟動(dòng)BIM軟件,操作煩瑣、耗費(fèi)電腦資源、速度慢;(2)每個(gè)BIM模型有多個(gè)圖層,需要逐圖層手工坐標(biāo)變換,特別是全線全專業(yè)模型坐標(biāo)變換過程更加煩瑣耗時(shí);(3)手工進(jìn)行BIM模型三角網(wǎng)簡(jiǎn)化工作量巨大、耗時(shí)且效果不佳。BIM模型體量大、三角面片數(shù)多,SuperMap支持按所有模型對(duì)象或選中對(duì)象進(jìn)行三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,無法做到按構(gòu)件幾何形態(tài)個(gè)性化簡(jiǎn)化,逐構(gòu)件處理工作量十分巨大。如何快速簡(jiǎn)化三角網(wǎng)面片又保持構(gòu)件幾何形態(tài)是需要解決的難題。上述問題對(duì)電腦硬件要求高,易造成大量重復(fù)性勞動(dòng),影響項(xiàng)目進(jìn)度和集成效果。在此,提出基于族類型的三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,基于Revit API和SuperMap iObjects.Net API開發(fā)BIM模型輕量化輔助軟件,完成BIM模型到三維體數(shù)據(jù)模型(GeoModel3D)的批量格式和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,優(yōu)化模型三角網(wǎng)簡(jiǎn)化效果,提升BIM模型輕量化的效率和模型整合的效果。
軟件開發(fā)基于C/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)BIM模型的輕量化處理,其總體架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)象為Revit模型、Bentley模型和通用空間數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展(Udbx)格式的模型,RevitAPI、RevitNET、Bentley.IModelIPC作為BIM模型中幾何體和屬性解析處理的基礎(chǔ),SuperMap iObjects.Net是SuperMap平臺(tái)下對(duì)三維模型的幾何形體可視化表達(dá)、空間位置匹配、面片減少及緩存處理的基礎(chǔ)。軟件對(duì)于簡(jiǎn)化參數(shù)按字典進(jìn)行存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換、投影變換、模型緩存等功能,可有針對(duì)性地基于族類型進(jìn)行三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)模型和構(gòu)件的可視化。
圖1 模型輕量化總體架構(gòu)
城市軌道交通和城際鐵路工程通常采用Revit和Bentley軟件開展BIM設(shè)計(jì)?;赟uperMap iObjects.Net的API可獲取BIM模型的幾何形體、材質(zhì)顏色、構(gòu)件屬性信息。熟悉iObjects的API內(nèi)容,可為實(shí)現(xiàn)模型輕量化做好技術(shù)鋪墊。BIM模型輕量化涉及格式轉(zhuǎn)換、空間位置匹配、三角網(wǎng)簡(jiǎn)化、緩存創(chuàng)建等內(nèi)容,所需要的API類或函數(shù)見表1,但不僅限于表1內(nèi)容。
表1 SuperMap iObjects.Net類或函數(shù)
BIM模型輕量化主要包括模型格式轉(zhuǎn)換、模型空間位置匹配、構(gòu)件三角網(wǎng)簡(jiǎn)化、模型緩存等方面。
模型格式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)在GIS中完整表達(dá)BIM模型的幾何形態(tài)、屬性信息和材質(zhì)顏色,實(shí)現(xiàn)在GIS環(huán)境中模型構(gòu)件級(jí)別的表達(dá),確保構(gòu)件的完整性。以Revit模型為例,基于IExportContext接口實(shí)現(xiàn)Revit模型文檔的導(dǎo)出,每個(gè)構(gòu)件采用三角網(wǎng)進(jìn)行表達(dá)。針對(duì)形態(tài)相同的構(gòu)件,采用實(shí)例化的方式進(jìn)行存儲(chǔ),在格式轉(zhuǎn)換過程中可針對(duì)性地進(jìn)行模型構(gòu)件簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換。最終將BIM模型格式轉(zhuǎn)換為GeoModel3D格式存儲(chǔ)在Udbx文件中。其中Revit模型轉(zhuǎn)換界面見圖2,不需要啟動(dòng)Revit軟件,可節(jié)省電腦資源,操作更便捷,提高模型轉(zhuǎn)換效率。
圖2 Revit模型格式轉(zhuǎn)換界面
城市軌道交通和城際鐵路有很多工程都是基于地方坐標(biāo)系創(chuàng)建。在不同項(xiàng)目中,地方坐標(biāo)的參考橢球、中央子午線不一,東方向平移量和北方向平移量均有差異。此外,每個(gè)城際鐵路和軌道交通工程項(xiàng)目的BIM建模標(biāo)準(zhǔn)不一,在BIM設(shè)計(jì)軟件中模型經(jīng)常建立在局部的工程坐標(biāo)系下,如Revit設(shè)計(jì)軟件中,模型的坐標(biāo)參照項(xiàng)目基點(diǎn)設(shè)定。因此,BIM模型轉(zhuǎn)換到GIS場(chǎng)景中必須經(jīng)過空間位置匹配,進(jìn)行模型逐點(diǎn)的坐標(biāo)變換或投影變換。
若忽略坐標(biāo)系間的橢球差異,采用四參數(shù)方程組[6]可構(gòu)建二維平面直角坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系:
若考慮坐標(biāo)系間的橢球差異,采用布爾莎七參數(shù)模型[7-10]實(shí)現(xiàn)空間直角坐標(biāo)系A(chǔ)到空間直角坐標(biāo)系B的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:
四參數(shù)和七參數(shù)的空間匹配參數(shù)設(shè)置見圖3,通過設(shè)定轉(zhuǎn)換方法、比例差k、旋轉(zhuǎn)角度和偏移量等實(shí)現(xiàn)。軟件可批量實(shí)現(xiàn)圖層的轉(zhuǎn)換,取代手工逐個(gè)模型圖層進(jìn)行空間坐標(biāo)變換,特別是針對(duì)大體量BIM模型,操作便捷,可極大提高生產(chǎn)效率。
圖3 空間匹配參數(shù)設(shè)置
軌道交通項(xiàng)目中BIM模型的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)十分豐富,隨著設(shè)計(jì)階段的深入,對(duì)象復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量急劇增加。為滿足全專業(yè)全線BIM模型的高效可視化展示又完整保留構(gòu)件的幾何形態(tài),核心工作是對(duì)BIM模型進(jìn)行三角網(wǎng)簡(jiǎn)化處理。當(dāng)前,BIM模型輕量化處理通常采用整體模型或整體圖層三角網(wǎng)抽稀的方法來減小模型體量。然而,1個(gè)圖層中存在不同類型構(gòu)造生成的幾何體,如長(zhǎng)方體、立方體、圓柱體等。不同的幾何體采用同一個(gè)簡(jiǎn)化參數(shù),有的幾何體三角網(wǎng)因簡(jiǎn)化過度導(dǎo)致幾何形體失真變形;有的幾何體則簡(jiǎn)化不足,體量很大。
當(dāng)前方式無法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件個(gè)性化的三角網(wǎng)減少,以達(dá)到模型體量減小的同時(shí)保持幾何形體完好。在Super-Map中支持對(duì)單個(gè)構(gòu)件逐一三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,但工作量巨大、耗時(shí)長(zhǎng),在實(shí)際生產(chǎn)過程中采用逐構(gòu)件三角網(wǎng)簡(jiǎn)化的方式不現(xiàn)實(shí),無法滿足模型整合的工期要求。采用軟件實(shí)現(xiàn)基于字典系數(shù)的三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,以Revit模型為例,通過針對(duì)每個(gè)族中的族類型確定簡(jiǎn)化參數(shù),對(duì)三角面大小進(jìn)行排序,對(duì)于面積較小的三角形進(jìn)行剔除,從而減少幾何形體的面片,做到三角網(wǎng)的簡(jiǎn)化。軟件實(shí)現(xiàn)將族類型轉(zhuǎn)換為GeoModel3D,通過交互的方式確定該族類型的最優(yōu)三角網(wǎng)簡(jiǎn)化系數(shù),并作為字典記錄此簡(jiǎn)化系數(shù)。在Revit模型轉(zhuǎn)化為GeoModel3D存儲(chǔ)為Udbx格式后,應(yīng)用此系數(shù)對(duì)所有同一族類型的構(gòu)件進(jìn)行批量三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,從而獲得該族類型所有實(shí)例的最優(yōu)簡(jiǎn)化效果。
模型緩存有助于提升大體量數(shù)據(jù)的瀏覽性能與顯示效果。針對(duì)簡(jiǎn)化處理后的BIM模型,進(jìn)行多層次細(xì)節(jié)(LOD)分層和八叉樹或四叉樹金字塔剖分,針對(duì)不同BIM模型類型進(jìn)行瓦片邊長(zhǎng)、紋理大小設(shè)定和切分。
模型加載時(shí),結(jié)合LOD調(diào)度技術(shù),隨視野遠(yuǎn)近而變化,結(jié)合場(chǎng)景內(nèi)數(shù)據(jù)量進(jìn)行模型緩存的調(diào)度,距離觀察點(diǎn)越遠(yuǎn),模型顯示的精細(xì)程度越粗糙。通過設(shè)定模型圖層的顯示渲染模式,設(shè)定加載模式和加載優(yōu)先級(jí)、圖層最大最小可見高度等,以提高模型瀏覽時(shí)的效果和顯示效率。
選取正線長(zhǎng)度約22 km城際鐵路開展技術(shù)方案應(yīng)用,該區(qū)段全線地下敷設(shè),設(shè)地下車站2座和地下存車場(chǎng)1處,根據(jù)業(yè)主需要,全線進(jìn)行BIM設(shè)計(jì),在初步設(shè)計(jì)階段需要利用BIM+GIS方式進(jìn)行拆遷分析等。
在該項(xiàng)目中對(duì)BIM模型轉(zhuǎn)換的udbx文件進(jìn)行三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,為便于BIM模型整合后的瀏覽和顯示,對(duì)三角網(wǎng)簡(jiǎn)化后的GeoModel3D進(jìn)行緩存切割,軟件對(duì)模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況見表2。
表2 軟件對(duì)模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況
通過對(duì)構(gòu)件的三角網(wǎng)簡(jiǎn)化,可以看到模型體量均有很大程度減小。為優(yōu)化模型集成展示效果,提升模型加載效率,對(duì)BIM模型進(jìn)行LOD和緩存處理。城際鐵路項(xiàng)目?jī)A斜攝影、管線模型在GIS場(chǎng)景中集成融合效果見圖4、圖5。
圖4 傾斜攝影與管線集成效果
圖5 管線模型在GIS中集成效果
選取某地鐵項(xiàng)目約5 km區(qū)段進(jìn)行技術(shù)方案應(yīng)用,該工程高架段約0.36 km、地下段約4.60 km,設(shè)地下站3座。軟件對(duì)模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況見表3。模型與傾斜攝影集成效果見圖6。
圖6 模型與傾斜攝影集成效果
表3 軟件對(duì)模型輕量化的數(shù)據(jù)體量情況
在該地鐵項(xiàng)目中,通過輕量化技術(shù)手段,模型均得到一定簡(jiǎn)化,模型體量均有很大程度減小。由于該區(qū)段較短,但站房模型相對(duì)較大,通過模型緩存,對(duì)模型進(jìn)行了有效簡(jiǎn)化。
面向SuperMap的BIM模型輕量化處理軟件實(shí)現(xiàn)BIM模型到SuperMap的格式轉(zhuǎn)換、空間位置匹配、三角網(wǎng)簡(jiǎn)化和緩存處理,以及族類型字典的三角網(wǎng)簡(jiǎn)化系數(shù)復(fù)用、擴(kuò)充和積累,支持在設(shè)計(jì)全階段、全過程的BIM模型輕量化處理。研究成果已在地鐵和城際鐵路工程中應(yīng)用,以確保Revit和Bentley模型的輕量化處理。軟件輕量化取代手工輕量化,可實(shí)現(xiàn)模型精確坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并優(yōu)化傳統(tǒng)三角網(wǎng)簡(jiǎn)化效果,提高了模型輕量化和模型整合的效率,提升了BIM模型整合質(zhì)量和設(shè)計(jì)時(shí)效。該研究成果可持續(xù)為城市軌道交通、鐵路項(xiàng)目的BIM+GIS模型整合服務(wù),為工程數(shù)字化和智能化提供技術(shù)支撐。