数字孪生水利水电工程中BIM自适应流转技术研究

罗炜，谢明霞，陈杰，罗胜

摘要：为解决BIM模型在数字孪生水利水电工程各阶段应用中因业务需求不同导致其几何、材质、属性、结构等精度适配度不高的问题，设计了一套BIM模型按需自适应流转的技术方法，以实现BIM在水利水电工程数字孪生中的高效应用。该方法定义BIM模型属性、结构、几何、材质的数据导出规范，通过建立上述多维信息的映射关系，结合改进的3DTiles几何轻量化算法，实现BIM模型属性、结构、几何、材质按需自适应流转。基于该方法，依托Revit软件开展项目应用实践。研究结果表明：使用该方法流转的BIM模型结构齐备、属性完整，并能按需满足几何与材质的精度要求，同时支持高效应用与高性能渲染。研究成果可为BIM模型在水利水电工程全生命周期数字孪生应用提供基础技术支撑。

关键词：数字孪生； 水利水电工程； BIM模型； 自适应数据流转； 三维渲染

中图法分类号：TP311                 文献标志码：A                 DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.019

文章编号：1006-0081（2024）03-0118-06

0引言

BIM是数字孪生水利水电工程高精度数据底板的核心组成部分［1］，支持工程勘察设计、施工建管、运营维护、安全监测等各阶段孪生应用，随着数字孪生工程建设的深入开展，BIM也将发挥出越来越重要的作用。由于水利水电工程的复杂性，工程BIM模型存在数据量大、结构复杂等特点［2-3］，而工程不同阶段孪生应用对BIM模型需求不同，基于一套BIM数据，往往无法有效适配需求，应用效率较低。许多孪生应用场景，需要根据业务需求，重新组织调整构件结构，并实现多套结构的协同应用和灵活切换，而大部分BIM模型存储结构无法满足BIM构件组织灵活调整的需求，实际应用中往往需准备多套结构数据，加大了BIM应用的难度。针对高性能应用场景，大数据量BIM模型对性能影响较大，而简化模型往往又无法满足计算分析等需求，目前一些BIM转换方法对BIM模型几何做轻量化处理，但往往会忽略数据的完整性、一致性，导致模型的属性、结构、材质等丢失［2］，大大影响BIM应用效果。

近年来，针对上述问题广泛开展了以BIM結构的分类编码［4］、管理应用［5］等为目标的研究，探讨了可变BIM结构的应用模式；基于边折叠算法的BIM几何模型轻量化［6］，探讨了BIM模型几何优化的方法；基于WEBGL的BIM模型可视化应用［7］研究了BIM可视化渲染的关键技术，BIM与GIS结合［8-10］、BIM与IoT结合［11］、BIM与空间大数据［12-13］结合、BIM与水利专业模型融合［14-16］、BIM与人工智能融合［17］等不同维度的融合应用大量涌现。这些研究为优化BIM应用提供了宝贵的经验，然而上述研究基于特定业务场景或单点应用的技术难以满足全生命周期的应用需求。为更好地开展水利水电工程全生命周期数字孪生应用，迫切需要研究一套BIM模型自适应流转技术：通过简单需求输入，BIM模型转换算法可自适应计算优化参数，转换出高度匹配应用需求的BIM模型规格，从而实现BIM数据在水利水电工程各应用阶段流转。

1总体思路

数字孪生水利水电工程应用具有跨场景、多业态、多技术融合的典型特点，其综合性强、复杂度高，对模型结构、计算精度、可视化效果等都有较高要求。目前BIM应用难度大，主要原因有：① 缺乏统一通用的数据标准、结构规范，易导致流转过程中模型属性、结构等信息丢失；② 缺乏全局的技术框架设计，无法实现基于应用需求的BIM自适配流转。因此，本文综合考虑BIM模型的数据结构、存储规范、转换流程，以及轻量化处理等技术，提出一种BIM模型自适应流转方法，该方法在统一BIM数据导出规范的基础上，构建BIM模型属性、结构、几何、材质等多维度信息的映射模型，实现模型几何轻量化转换的同时，保持属性、结构、材质等信息不丢失，并支持模型结构自定义灵活重组，同时满足BIM模型轻量化、结构灵活调整、数据一致性等需求［2］，为BIM模型在水利水电工程全生命周期数字孪生应用奠定基础。该方法具体流程如图1所示。

在定义BIM模型统一数据存储规范、多维信息映射规范、自适应流转规范的基础上，基于目前水利水电工程设计领域广泛应用的BIM设计软件，如Autodesk Revit、Bentley、Dassault等，研发导出插件，将原始BIM模型导出为规范存储的数据，后续基于规范化存储的BIM模型，按需自适应流转。

2关键技术

2.1模型数据规范设计

数据导出规范是BIM模型存储、管理、自适应流转的基础。本文根据BIM模型的信息构成特点，结合水利水电工程全生命周期数字孪生应用需求，制定BIM模型数据导出规范，其包含存储规范、多维信息映射规范、自适应流转规范3个部分。

该方法将BIM模型存储划分为模型元信息、模型属性、模型几何信息、模型材质信息、子构件关系、子构件属性等六大要素，以结构化表格方式存储，在数据结构设计时，需综合考虑数据类型、索引、约束等数据库设计原则［7］，以优化数据的存储和查询效率。各类表之间的关系如图2所示。

（1） 模型元信息表：用于存储模型元信息，包括模型名称、版本号、创建时间、完成时间、模型几何体个数、模型顶点数、模型三角形数、模型材质数、模型属性数、模型构件个数等。

（2） 模型属性表：用于存储模型属性信息，包括名称、编码、类型、分组、归属、尺寸等。

（3） 几何信息表：用于存储模型几何信息，包括存储类型、网格文件链接、几何体LOD级别、几何体顶点个数、三角形个数、材质数量、包围球中心点坐标（X，Y，Z）、包围球半径等基本信息。网格文件格式可采用GLTF、GLB、3DS等三维图形学领域的开源规范格式标准，目前GLTF、GLB格式对WEB三维应用支持良好。

（4） 材质信息表：用于存储模型的材质，以及材质对应的纹理图片资源，包括材质名称、材质规范、材质层数、材质分层配置、纹理图片链接等信息。

（5） 构件关系表：用于存储BIM模型子构件之间的关系，以构件结构树形式组织，包括节点名称、节点编号、构件类型、构件层级、构件父子节点等信息。

（6） 构件属性表：用于存储模型子构件的属性信息，包括构件名称、构件编号、构件分类、构件单元划分等，不同的构件类型，其属性表不一致。

为支持模型信息自适应流转，上述表结构支持自定义扩展，在元信息表中，记录扩展的元信息。在导出BIM模型信息后，可以通过查询和分析库中的数据来获取所需的BIM模型信息。

多维信息映射规范是后续BIM模型自适应流转的基础，将BIM模型的信息划分为属性、结构、几何、材质4个维度。其中，模型属性、结构等数据为结构化数据，通过构建对应关系数据库表存储，模型几何、材质为非结构化数据，以文件方式存储。多维信息映射的目的是建立BIM模型属性与结构、属性与几何、结构与几何、几何与材质之间的联系，从而保障在数据流转前后数据的完备性和一致性，实现BIM模型全生命期应用的功能一致性。

在水利水电工程设计过程中，通常基于行业标准制定统一的BIM构件编码规则，因此，以构件编码为唯一ID，实现属性、结构、几何等信息之间的关联，模型几何信息与材质信息则遵循相关的三维模型格式标准。数据流转后，由于模型优化、结构调整，构件几何与构件属性容易出现不一致问题，因此BIM构件几何信息与属性之间的关联是多维信息映射的关键。本文通过扩展模型几何信息，实现构件几何信息与属性信息之间的关联，具体结构如图3所示。

几何信息存储时，通过构件属性表存储对应的构件编码，并按构件存储顺序记录编码序号。在构建几何数据中，逐单元面存储编码序号，从而实现几何与属性的映射。基于该映射关系，在后续的数据流转过程中，无论是轻量化处理，还是模型结构重组，均可保持构建几何与构件属性的一致性。

2.2导出插件设计要点

为支持后续BIM模型的自适应流转，需将原始的设计BIM模型，导出为本文2.1节描述的数据规范。主流的BIM设计软件均提供了BIM模型操作的SDK开发包用于扩展软件功能，通过相关API接口可获取BIM模型的属性、结构、几何、材质等信息，從而实现工程数字对象的导出和修改。本文以Autodesk Revit软件为基础，阐述导出插件的设计要点。

为提升导出插件的适配性，设计通用化的导出流程如图4所示。

开始导出阶段，主要是选取目标模型，导出目录以及其他导出参数设置。数据检查根据插件不同而有差异，主要是检查BIM模型数据的完整性，是否存在格式未定义、坐标体系未设置、材质资源未绑定等问题；数据修复阶段主要针对数据检查的问题，完成对应的数据修复；模型导出阶段分批次导出BIM模型的属性、结构、几何及材质信息；结束导出阶段主要是完成日志、清单等记录文件的存储。

由于设计软件与应用软件对几何模型的定义有差异，包含对模型几何面、网格顶点、材质等的定义不同，需重点关注。以Revit软件设计的BIM模型为例，其几何面可能存在多种形式：如三角形、四边形、六边形等，需进行统一的转换；其顶点的定义也可能存在法线方向不一致、顶点冗余等情况；其材质会带有颜色或纹理信息，从Revit中直接导出通用模型格式（如FBX格式）会丢失纹理信息［4］，因此，需根据BIM模型导出规范，检查并修复。

BIM模型属性及结构导出方面，需区分好模型属性与构件属性之间的关系，属性可通过数据库来存储。常用的数据库有MySql、PostgreSql、MongoDB、SQLite等，MySql、PostgreSql等为大型关系数据库，功能强、效率高，MongoDB为分布式文件数据库，大数据应用优势明显，SQLite为单文件关系数据库，在保障功能和性能的前提下，其灵活性最高，根据不同的需求可采用不同的数据库存储。

对复杂构件组成的BIM模型，其导出需统一的坐标体系，各构件需保证以统一的坐标体系存储顶点坐标，从而保证各构件之间的相对位置关系在导出时不变。

2.3轻量化处理与自适应转换

一般模型轻量化处理方案有2种：① 通过顶点、三角形的简化，降低模型的精度，从而实现轻量化；② 通过对模型构建分层分级的空间索引，通过模型调度算法实现模型的高效应用。模型简化一般包含顶点简化、网格简化、纹理简化3个方面，由于各阶段水利水电工程数字孪生应用对模型精度要求不同，因此，无法统一运用降低模型精度的方案，轻量化处理需根据实际业务需求，确定模型简化的方案。针对第二种轻量化方案，可基于3DTiles规范，重新组织BIM模型，3DTiles是OGC标准委员会推荐使用的三维空间数据组织规范和数据结构，用于存储、传输和可视化展示三维空间数据［8］，针对包含大量构件的BIM模型的轻量化，具备良好的适配性。3DTiles规范通过构建分层分级的空间索引，在保留模型精度的同时，大大优化了模型数据的加载效率和渲染性能，同时3DTiles规范支持几何模型与属性的映射，保证在数据优化流转过程中，模型数据的完整性和一致性。

本文提出的轻量化处理与格式转换采用GLTF+LOD的策略，具体转换过程如图5所示。

（1） 模型减面优化：将三维模型拆分成关键数据，根据关键数据及三维模型的曲率值对三维模型进行缩减优化，删除不必要的细节、合并重复元素并简化复杂的几何结构，得到优化后三维模型，存储优化后的关键数据，减少模型的复杂程度和文件大小。

（2） 模型纹理压缩：分析优化后的关键数据中材质和UV纹理关系，建立与导出模型文件相对应的纹理数据模型，将优化三维模型的几何特征、空间拓扑、纹理数据写入瓦片格式文件。

（3） 属性转存与结构存储：利用GLTF的逻辑层规范，通过FeatureTable和BatchTable结构存储BIM模型的属性信息和构件关系，保证BIM模型数据的一致性。

（4） 模型坐标变换：BIM模型的坐标并不统一，因此在轻量化导出时，需将BIM模型统一转换为CGCS2000国家标准坐标体系，实现模型坐标与地理坐标的融合统一。

（5） 细节层次（LOD）构建：在三维模型重构方法中加入LOD的技术，根据程序设定的不同范围生成不同的LOD模型，减轻系统渲染的压力，满足不同情况下对三维模型的实时浏览与顺畅操作需求。最终将BIM模型转换为3DTiles格式并生成相应的数据文件保存。

自适应流转包含2个方面涵义：① 模型属性与结构的自适应流转；② 模型几何精度的自适应流转。通过构建结构描述表，为BIM模型存储多套结构信息，用户可根据需求动态调用对应的模型结构，其难点在于结构自适应变化后如何与几何保持一致性。几何精度的自适应流转基于分层细节层次（HLOD）技术实现，通过计算模型的几何误差随距离的变化，构建多层级的模型之间的简化参数，实现不同层级之间的模型的自适应优化，而模型层级深度通过应用需求可自定义设置，其结構如图6所示。

3应用实例

本文基于Revit-API、SQLite数据库等开发工具，开展上述技术方案的验证和实践，研制基于Revit的BIM模型导出插件，实现BIM模型数据的元信息、属性、结构、几何、材质等数据的规范化导出。以此为基础，研制BIM数据自适应流转工具，实现BIM模型可自定义参数的轻量化与结构重组，从而支持BIM模型在水利水电全生命周期的流转应用。以某水利水电工程的机电水泵房BIM模型为例，模型如图7所示。

获取打开的模型数据，使用FilteredElementCollector等API获取所有的模型元素。通过遍历每个元素来获取其元信息、属性信息、结构信息、几何信息、材质信息等数据，并将属性、结构等数据以标准格式保存到SQLite数据库中。该模型的部分导出结果如图8所示。

模型数据轻量化处理时，根据传入的轻量化参数，对模型几何数据简化、材质纹理压缩及空间坐标转换。针对顶点和网格的简化，可根据模型物理空间与屏幕空间的透视投影模型计算简化率，从而构建模型的动态LOD结构。针对模型精度要求不高的应用，可通过一种纹理存储格式KTX（Khronos Texture）进行纹理压缩，KTX对纹理图片的压缩率可达50%，可有效降低运行时的显存占用，提高业务

应用的效率和系统稳定性。示例数据优化导出后的展示效果如图9～10所示。

质等不丢失，保留模型几何与材质特征的同时，模型压缩效果较好，大大提升模型传输速度和渲染效率，实现了BIM模型的自适应流转与高效果应用的需求。

4结语

本文提出的BIM模型自适应流转的方法为目前水利水电工程的数字孪生应用提供了基础，方案设计充分考虑了跨设计软件平台的需求，基于该方法，开发Micro-Station、3DExperience等设计软件导出插件，即可完成跨设计软件支持。

随着工程数字化、智能化应用的深入开展，工程BIM模型的需求也将更加深化，BIM模型如何与高精度GIS数据无缝融合，如何实现与实时监测数据的联动互馈，如何实现水利模型的联合计算并承载计算分析结果，都对BIM提出更高的要求。同时，人工智能技术的广泛应用也为BIM应用拓展出更广阔道路。今后，还需基于人工智能技术，不断完善BIM流转智能化水平和应用效率。

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（编辑：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