语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法

GIS与BIM集成是铁路隧道工程信息化的关键技术，越来越多的长隧道构件级BIM模型，几十公里长的铁路隧道BIM模型如何在GIS中实现高性能可视化分析成为挑战性难题。目前，高精度复杂铁路隧道BIM模型多以参数化形式表达，转换为GIS模型后几何数据量急剧增大，同时GIS通用标准中针对隧道BIM模型的构件尺度层级划分存在不一致等情况，难以实现铁路隧道工程场景精细化管理与高效可视化分析。为此本文提出了一种语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法，首先建立铁路隧道BIM模型多细节层次描述规则，然后利用构件语义信息提取并简化构件几何信息，获取多细节层次模型数据，并对多细节层次模型进一步优化组织管理。本文方法在某铁路隧道BIM模型数据中得到验证，结果表明能有效提升铁路隧道BIM模型在GIS环境中的表达效率。

引言

面向铁路隧道施工的深化设计BIM模型是由铁路设计单位生产的正向设计BIM模型发展而来，在铁路隧道正向设计BIM模型基础上增加了能够指导现场施工的更精细构件的几何信息及属性信息，在实现铁路隧道施工全生命周期信息化方面具有重要价值。面向铁路隧道施工的深化BIM模型具有空间跨度大、几何结构复杂、建模参考标准细节层级单一的特点，如《铁路工程信息模型交付精度标准（1.0版）中铁路隧道明洞结构图类别建模标准层级划分，主要偏重于单体信息模型及构造单元的精细模型。同时铁路隧道是带状工程，受沿途地理环境、地质条件、经济因素、城市规划等多方面影响，独立分散的BIM模型仅能反映单点工程信息，在三维信息模型的多尺度表达、一致性分析和管理方面存在明显不足，只有集成的BIM模型才能反映全面真实的工程。GIS技术以空间分析和空间数据库及三维可视化为核心，可以满足铁路建设工程的完整性、全局性、宏观性的表达要求，因此铁路隧道BIM数据在GIS环境中集成融合是满足多样化铁路隧道工程应用的有效途径。

铁路隧道BIM模型与GIS模型组织方式存在显著区别，主要体现在几何信息与非几何信息两个层面。

1）铁路隧道BIM模型中的几何信息多采用参数化几何描述，参数化模型用少量参数表达复杂的几何结构（如倒角结构等），而GIS则采用三角化几何描述，用顶点、法线等信息进行描述。铁路隧道BIM模型向GIS 模型转换时，为保证GIS模型的几何信息描述精度，需密集的三角网对复杂几何结构进行拟合，特别是高精度复杂参数化模型在转化为GIS模型后数据量激增，成为 GIS环境中铁路隧道BIM模型的管理、渲染及多样化应用效率的重要影响因素。

2）铁路隧道BIM模型语义描述存在族库、隧道构件等概念下的多层次语义关系，空间划分的思路有效适用于BIM数据在GIS环境中的空间表达，但是难以适应实际铁路隧道工程BIM多样化应用中构件精细化层级管理和高效表达的要求。

目前，工程建筑领域在GIS环境中轻量化集成BIM 模型，主要集中在数据融合与集成应用两方面。一方面 BIM与GIS数据融合研究主要聚焦在模型转换层面，如将BIM国际通用数据标准(如IFC)转换为GIS国际通用数据标准(如CityGML)。其中部分研究通过分析IFC与 CityGML模型中所有建筑构件类型及关联的语义信息，建立IFC到CityGML各层级的映射模型；也有研究聚焦在IFC与CityGML相互映射的方法，如El-Mekawy提出一种UBM数据模型，该模型实现两种模型双向转换。针对CityGML部分特定应用领域多细节层次划分标准缺失的情况，一些学者利用CityGML的ADE扩展接口进行针对性扩展，如基础设施InfraADE 、城市内涝CTWLADE ，也有一部分学者针对现有GIS平台进行二次开发，设计 GIS与BIM数据的集成框架满足融合需要。另一方面 BIM与GIS集成应用研究主要聚焦于BIM数据在GIS环境中的管理、可视化及全生命周期应用层面，如面向导航应用的IFC建筑模型室内空间信息提取方法，对IFC 建筑模型进行一体化提取；面向城市基础设施规划，实现了城市能源系统的三维可视化；基于BIM+GIS技术的区域数字水库管理平台，建立多层次数据融合、共享与研判系统，实现水库BIM信息三维可视化展示。

上述转换方法主要是通过数据标准IFC和CityGML 之间的空间和语义转换，由于应用领域、空间特点及构件分类的差异，同一类方法面向不同应用转换时存在信息错误和丢失、几何语义信息耦合度低及应用扩展性差的情况，尤其是针对空间跨度大、构件几何结构复杂、细节层级单一的铁路隧道工程BIM，亟需发展一种适用于铁路隧道工程BIM的转换方法，以支撑铁路隧道工程BIM模型在GIS环境中高性能可视化分析。除此之外目前隧道工程领域BIM与GIS的通用数据格式转换存在数据标准缺失问题，IFC中未有专门的铁路隧道建模模块，CityGML2.0中对隧道的描述只是基于空间语义进行划分，将其表述为几个抽象的基类，如隧道HollowSpace 内部空间基类下分TunnelFurniture空间可移动部分与 IntTunnelInstallation不可移动的附着构件，没有更细节的层级划分，不符合实际施工单位划分类别和管理尺度。

本文研究顾及语义的铁路隧道多细节层级设计方法，通过对铁路隧道BIM模型进行分层、提取和简化处理，得到了隧道各层级轻量化模型文件，并对其进行优化组织，以某铁路隧道BIM模型为例详细阐述轻量化方法流程，结果证明该方法可有效提高空间跨度大、构件几何结构复杂、细节层级单一的铁路隧道深化设计 BIM模型在WebGIS环境下的可视化效率，支撑铁路隧道 BIM 模型在三维GIS环境中的高效轻量化表达。

1 顾及构件语义的铁路隧道轻量化模型LOD层级划分

细节层次（LOD）是指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置及重要程度，决定模型几何精度等级及客户端图形渲染进行资源分配。铁路隧道BIM模型直接进行GIS三角网格化转换时三角面片大量冗余，直接将其读入内存交给GPU进行图形绘制的方式在效率上是一大瓶颈，本文根据铁路场景展示应用需求及隧道实体构件的重要程度，对隧道BIM模型数据从宏观到微观进行多细节层次划分，建立符号模型、概略模型、简化模型和精细模型 4级空间结构层次，参考CRBIM1003— 2017《铁路工程信息模型表达标准 (1.0版 )》模型单元表达细节规范，在保留重要特征的同时减少不必要的数据冗余，以符合人们对模型认知过程的层次性，概述的铁路隧道LOD层级划分见表1。

表1 铁路隧道轻量化模型多细节层次划分

1）LOD1。以三维矢量线状形式表达，是铁路隧道设计走向的中心线。该层次主要考虑满足铁路全线位置与走向的认知需求，是符号化表达，仅限于概括性层面，基本不涉及专业性知识和术语，服务于高级别的决策层，如面向总体指挥部。

2）LOD2。是隧道模型的包围盒，由隧道中心线与隧道横截面直径拉伸而成的圆柱体，满足空间占位等粗略识别的需求，服务于高一层的认知需求，面向初步的专业领域应用。

3）LOD3。是对隧道主体轮廓的提取，表达材质纹理信息，满足真实外观等识别需求，以定性分析需求为主，面向勘察设计部门等。

4）LOD4。是基于最小功能单元构件来划分的深化设计后的隧道模型，注重钢筋网片、锚杆与钢架等施工细节的表达，满足定量分析需求，该尺度下工程都已基本具备量测的条件，用于给施工单位提供详尽、明细和直观的铁路隧道三维实体表达。

2 铁路隧道BIM模型多细节层次构建方法

铁路隧道BIM模型与GIS模型在几何表达上存在较大差异，BIM模型采用参数化几何描述，包含B-Rep（边界描述）、CSG（构造实体）和扫描体表达形式，而GIS 场景采用的是三角面片边界描述B-Rep。由于参数化描述没有多细节层次几何信息，因此参数化几何描述的 BIM模型向三角化几何描述时为了保证几何细节和精度，使得GIS边界描述模型数据量较大。为了在GIS场景中高效管理与可视化分析铁路隧道BIM模型，当BIM参数化表达转为GIS的B-rep表面模型表达时必须进行简化与几何重构（图1）。

图1 铁路隧道BIM模型多细节层次提取流程

铁路隧道的LOD1-LOD3转换是基于最精细的LOD4 模型进行提取、简化、拟合等操作层层降级完成的。首先将铁路隧道BIM进行三角网格化处理，从而得到最精细层次LOD4；然后根据场景及用户需求进行语义过滤，移除不必要的隧道实体构件至LOD3层级，参照表1可知此层级以定性分析为主，保留隧道主体喷射混凝土构件，利用QEM折叠三角网方法简化隧道管壁，同时附加混凝土纹理材质信息。在LOD4与LOD3之间可灵活调配多个过渡层级，利用构件语义信息过滤出用户突出关注的部件。在LOD3层级的基础上对隧道形体进一步抽象化，以隧道BIM设计中心线为基准，以隧道掌子面最大宽度为直径拉伸块体圆柱LOD2。最后对LOD1层级进行符号化表达，采用三维矢量线条进行符号化表达。

3 铁路隧道多细节层次模型数据优化组织方法

在语义约束下对铁路隧道BIM模型进行分层、提取和简化处理，针对处理后的铁路隧道各层级模型文件设计分层数据结构树，依据铁路隧道BIM模型构件的空间分布特征构建模型层级索引结构（图2）。

图2 铁路隧道多细节层次模型加载示意图

每个模型文件由两部分构成，一是头文件tileset.json，用于存储模型位置与精细层级信息；二是content内容文件，用于存储瓦片中包含的模型几何信息。refine参数表示模型进一步细化的方式，REPLACE表示用子层级数据替代父层级，ADD表示保留父层级已加载的模型部分。LOD1 细化到LOD2、LOD2细化到LOD3时采用REPLACE方式，从LOD3至LOD4采用 ADD 方式，在LOD3隧道主体混凝土的基础上，对语义过滤出场景所需构件进行叠加。为每层级设定一个几何误差 geometricError ，存储在tileset索引文件中，一般取模型包围体的对角线。同时计算屏幕误差 SSE ，屏幕误差是场景模型加载判断是否需要进一步精细化的判断依据。屏幕误差 SSE 计算公式如下：

式中， geometricError 为几何误差； screenHeight 为渲染屏幕的高度（以像素为单位 )； d 为瓦片最小包围体到屏幕相机之间的最近距离； fovy 为屏幕相机在垂直方向上的倾斜角度。

加载模型瓦片时首先从索引文件中读取模型几何误差值，然后计算瓦片到屏幕相机的屏幕空间误差，判断是否达到设定的阈值。关于阈值的设定因为不同隧道的总长度不同，相同场景下不同的隧道适合可视化的屏幕空间误差阈值可能会有出入，具体阈值可由实际可视化效果进行调整。如果已经小于阈值标准则无需继续加载子瓦片，否则检查模型是否存在子瓦片，如果存在则继续加载，重复步骤直至屏幕误差小于或等于设定的最大屏幕误差。为了遵循空间一致性，父节点必须将子节点包含在内，即父节点屏幕误差大于子节点。

4 总结

本文对数据量大几何结构复杂的铁路隧道深化设计 BIM模型提出了多尺度表达的可视化策略，以及语义约束的多细节层次几何模型轻量化处理方法，实现BIM模型与GIS的高效集成应用，并搭建基于WebGIS的可视化平台，利用某隧道BIM模型数据验证方法有效性。结果表明本文方法可以实现铁路隧道工程BIM模型轻量化转换，提高了铁路隧道BIM模型在3DGIS中存储管理与可视化应用的效率。后续将考虑发展适用于铁路长线性带状的空间索引结构与Morping模糊算法，配合虚拟内存管理进行模型的批次调用绘制，使空间加载效果平滑过渡，进一步提高铁路隧道视觉效果。