第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
我国的铁路建设的飞速发展。截至 2019 年末，国家铁路运行里程近 14 万公里，其中高速铁路运营里程超过 3.5 万公里。铁路建设事业取得了突飞猛进的发展。随着铁路工程的里程数的增加和日益复杂，需要通过更加高效、便捷的信息化方式来管理、查看整个工程项目，提高工程信息利用效率。目前 CAD 系统正经历着由传统单元绘图工具向复杂大系统环境下的设计自动化的重要转变。设计集成、网络和智能化是现代建筑信息技术追求的目标。随着铁路构筑物结构信息日益复杂，三维模型变得越来越复杂，这些模型中包含的信息量日益增加，并且它们所占据的空间也在增加。尽管目前计算机处理能力呈指数级数增长网络传输速度也不断加快，但在很多情况下仍然无法满足用户对系统的实时性处理要求，需要更多的使用三维模型轻量化技术对模型进行深度处理[1]。且各种建设信息和数据无法在参与建设的各个部门之间共享，无法为工程项目实施提供令人满意的信息支持[2]。不同信息间及信息与图纸间没有统一的关联。从而导致了不同专业间信息沟通协调不通畅、信息更新不及时而造成的不可避免的损失。
近年来建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的大发展给整个土木建筑行业带来了一次史无前例的彻底变革[3]，既丰富了工程信息模型体量，也给铁路行业带来了新的发展契机。BIM 技术能够集成三维建筑模型，提供精确、全面的建筑信息和建筑物全寿命周期的数据共享[4]。但对于全专业的 BIM模型，由于 BIM 模型的信息数据量大，因此在离散化的应用过程中占据内存极大，特别是在 WebGIS 平台上叠加 BIM 模型[5]。为了加载 BIM 三维视图并缩短缓存时间，BIM 模型的轻量化是解决此问题的有效方法之一，BIM 模型的“瘦身”处理已成为许多应用程序设计中的必要过程。因此，在保证铁路构筑物信息完整的前提下，依据具体的适用阶段轻量化其体型至关重要。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 BIM 模型的轻量化研究现状
目前三维模型轻量化处理主要包括三个方面：模型轻量化显示、模型文件转换和模型简化。由于受浏览器计算能力等方面的影响，即需要更多的使用三维模型轻量化技术对模型进行深度处理。针对 BIM 模型的轻量化，国内外许多研究人员对此进行了研究，并取得了一定成果。国外对于三维模型的轻量化表达进行了诸多研究。例如 Rodriguez 提出了一种使用多分辨率优化显卡渲染的方式，在渲染过程中每次只传输有差异的部分，改变模型不同部分的分辨率，提高了模型渲染效率[11]。Bue B 等人结合多种绘画手段对模型进行轻量化处理，使模型能够在配置较低的设备上运行[12]。Jovanova B 通过压缩技术和 XML 将模型轻量化并传输到客户端[13]。Shikhare D 等通过判别三维单元的可重用度，对相关单元进行轻量化等[14]。
国内的学者也对模型的轻量化进行了深入研究。如铁路 BIM 联盟在《铁路工程信息模型表达标准》中详细规定了不同构筑物在不同阶段所需的几何表达等级。郭思怡[15]通过 Revit 二次开发消除冗余部件信息及通过对点的二次误差从新排序达到保留边界线的模型减面算法。柳伟[16]通过零部件抑制和模型抽壳等手段对复杂模型轻量化研究。杨荣[17]通过抽取简单曲面边间线简化曲面的方法，对于非简化曲面压缩效果不大。白金鹏[18]等提出了基于失真度判据的层级化管理方法，使在互联网中快速访问全机三维模型得以实现。刘清华[19]等定义了支持协同的三维轻量化数据结构，引入了轻量化装配模型和轻量化零件模型，提高了三维环境下的协同设计效率。这些学者们的研究推动着模型轻量化的不断深入发展。
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第二章 基于 REVIT 的铁路模型的轻量化方法研究
2.1 软件介绍
2.1.1 族环境与族参数
Autodesk Revit 是 BIM 软件之一，借助强大的参数化功能，可以根据长度，角度，半径，公式等在视图中更改每个参数。Revit 具有较强的参数化功能，并且具有不同的族库样板，可以针对不同的需要，建立包括公制常规模型、基于面的公制常规模型、基于线的公制常规模型、自适应公制常规模型、体量等几十种不同类型[35]。Revit 打破了传统的二维设计中平立剖视图各自独立、互不相关的协作模式，从而提高了准确度和工作效率。Revit 按功能分为三个模块：Revit Architecture 主要功能着重于建筑设计[36]。本章建立的桥梁、轨道系以及不同 LOD等级的扣件等族库模型主要由此模块建成；RevitStructure 专注于结构设计以分析和模拟结构性能；Revit 按建模环境分为两部分：项目环境和族环境。
(1)项目环境
项目环境集成了所有 BIM 相关数据信息。项目数据与“模型”相对应。使用项目模板环境时，可以根据专业标准为不同专业领域设置不同的项目模板。在项目模板中必须指定的参数包括标签样式和视图的显示样式。建立证明标准的项目构想，逐渐接受这些标准，从而提高工作人员的工作效率。
(2)族环境
族环境是建里模型最基本图元模板环境，建模时通过基于族的族样板和拉伸等模型工具创建基本模型单元，并根据其模型参数和特性属性将图元进行划分，如图 2-1 所示。
图 2-1 Revit 图元
2.2 模型族库轻量化处理方法
由于 Revit 等主流建模软件建模后生成的文件格式中包含许多非几何及模型的操作柄等信息，使得初始的族库模型文件过大，导致后期模型整合后的整体模型文件能到达几 GB 的存储量。不利于文件传输、后期的空间应用分析等场景。因此，需要对构件族库中的高精度模型进行轻量化处理。
2.2.1 轻量化概念
轻量化是指在建筑信息模型中，利用模型面片化、信息云端化、逻辑简化等技术手段，实现模型在几何实体、承载信息、构建逻辑等方面的精简、转换、缩减的过程。
为了实现快速在线传输，降低计算机、移动设备的资源消耗，在满足信息无损、模型精度、使用功能等要求的前提下，利用模型实体面片化技术、信息云端化技术、逻辑简化技术等手段，实现模型在几何实体、承载信息、构建逻辑等方面的精简、转换、缩减的过程，称之为轻量化。
在建筑信息模型 BIM 中，为了实现快速在线传输，降低计算机、移动设备的计算资源消耗等，应该在满足模型精度、使用功能等要求的前提下，需要对模型数据进行几何实体、承载信息、构建逻辑等方面的精简、转换、缩减。因此需要对建筑信息模型进行轻量化处理，以达到更好运用模型的目的。
2.2.2 轻量化处理方法介绍
BIM 轻量化要解决的核心问题就是：缩小 BIM 模型体量，让模型文件变小、渲染加快。从数据维度看，设计模型包含几何信息和非几何信息两部分。几何信息即所看到的二维、三维模型，非几何信息通常指一些属性数据、建模相关的其他数据等，非几何信息的轻量化技术难度较低，按需提取存储即可，几何信息的轻量化技术难度较高。目前三维模型轻量化方法主要包括三个方面：模型轻量化显示、模型文件转换和模型简化。具体轻量化方法如下：
（1）几何转换 ①参数化几何描述：单个构件的轻量化，比如一个圆柱体：通过参数化的方法做圆柱的轻量化。
②三角化几何描述：用多个三角形来描述一个几何体称之为三角化几何描述。三角形可以拼接成任意的平面或者曲面，多个面可以拼接成一个三维体，这是现代计算机图形处理的基础。一个三维模型，三角形越多，模型看上去越精细，反之则越粗糙，这也是 LOD（Levels of Detail）的基本原理。远距离查看全场景的模型，需要的精细度比较低，近距离查看单个图元，需要的精细度比较高。
③相似性算法减少图元数量：做图元合并，比如保留一个圆柱的数据，其他圆柱只记录一个引用+空间坐标即可。通过这种方式可以有效减少基本图元数量，达到轻量化的目的。
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第三章 基于 REVIT 的线路模型拼装研究 ............................... 24
3.1 模型拼装精度分析 .................................... 24
3.2 线路中线数据 ................................... 24
第四章 基于 WebGL 的线路 BIM 模型实现方法 ......................... 33
4.1 WebGL 介绍 ............................................ 33
4.1.1 Forge API 介绍 .................................... 34
4.1.2 Forge API 主要功能 ........................... 35
第五章 基于移动端的铁路模型应用研究 ..................................... 49
5.1 移动端三维引擎 ............................. 49
5.1.1 移动端三维引擎介绍 ................................... 50
5.1.2 移动端浏览器搭建 ........................... 50
第六章 工程实例验证
6.1 多精度 BIM 模型库建立
分析工程中的构筑物中所需要的 BIM 模型族。利用 Revit 参数化建模方法，通过输入图纸中的构件模型参数建立相关模型构件库。在模型构件库建立时，轨道板、连续梁块、钢轨等具有相同三维结构单尺寸、属性的模型族，通过建立族类型的方式降低数据模型的文件大小，在工程拼装时通过对族类型添加模型参数控制生成相应的族实例对象，从而减少.RVT 文件中存储的模型数据量。
针对复杂模型构件提取模型的关键截面、中线、边界等相关数据，对关键数据进行简化处理，在轨道系中的扣件部分进行模型轮廓的折减、中线等曲线化直线的方法能够有效降低模型构件的文件大小及模型生成时所需要的三角面片及顶点数量，在模型库建立时应尽量减少空间曲面的异形构件的产生。
通过原始桥梁图纸建立相关 BIM 模型单体库及复杂构件的多级精度模型库：多级模型库扣件如图 6-1、图 6-2 所示。
图 6-1 多精度等级 5 图 6-2 多精度等级 3
第七章 结论与展望
7.1 结论
虽然 BIM 技术已在铁路领域得到大力推广，但还尚未得到系统的全面开发以及应用。BIM 模型在铁路行业应用中，由于其数量庞大的三维构件及海量数据造成的数据冗余现象，一直制约着铁路模型的应用与发展。涉及铁路的模型轻量化处理以及轻量级应用的相关研究成果较少。并且由于不同工程阶段的负责单位不同造成了各阶段产生的信息不能进行有效且完整的信息传递，从而产生了数据断链等现象。模型的后续使用者在应用中会由于前期承接的数据信息缺、漏错等情况而导致错误决策，造成不可挽回的经济、效益浪费。通过建立轻量级的模型及信息整合平台能够很好的解决此类问题。
本文通过应用 BIM 技术，以 Revit 及 Autodesk Forge 为平台，建立了基于LOD 等级的铁路构筑物模型，在工程的不同应用阶段选用不同等级的模型构件进行模型拼装，能够在保证应用需要的同时从建模源头对原始文件进行轻量化。搭建了基于 WebGL 的铁路三维浏览系统，为支持在浏览器及移动端设备中为铁路工程的 BIM 应用提供新思路。本文的主要研究成果如下：
(1)根据实际铁路的线性工程特性分析得出桥梁梁块及轨道板等线性构筑物通过模型重用、LOD 模型拼装、构建参数化族库的方法在模型轻量化的有效性。
(2)根据完整的桥梁模型分析得出在模型中的扣件部分文件占比过大，通过建立不同 LOD 等级的扣件族库类型，可有效降低轨道系在整个铁路工程模型中的文件大小占比及三角面片数量。从而使完整的铁路模型体量降低。
(3)根据 BIM 模型的不同应用阶段，选择不同 LOD 等级的模型构件进行模型自动拼装，在保证模型信息需要的同时实现模型的轻量化处理。
(4)基于 WebGl 的铁路模型显示
研究铁路工程模型在支持 WebGl 的浏览器上的模型展示方法，通过转换原模型的.RVT 文件为支持浏览器解析的 JSON 数据格式。使其能够在网页浏览器页面展示，并可通过模型的 dbid 等索引进行外部多源数据的对接继承。最终搭建完整的铁路工程信息平台。
参考文献（略）