面向多元化需求的建筑信息模型轻量化方法研究

陈建华 黄利民 许 剑 安晓亚 郭建忠

随着现代建筑行业的蓬勃发展，建筑信息模型（BIM）技术作为一项革命性的工具已经逐渐为各行业所了解。BIM 不仅具有可视化、模拟性、可出图性和信息丰富等多重优点[1]，而且还为项目参与者提供了协作和数据交流的便利。然而，随着BIM 的广泛应用，BIM 文件越来越精细化、越来越庞大，但是这些文件需要特定的专业软件才能进行浏览和管理，这对BIM 技术在不同领域的应用造成了巨大障碍。

为了应对这一挑战，BIM 轻量化技术应运而生[2]，这一技术的应用使得BIM 文件不再庞大且笨重，而是变得紧凑且高效。更为重要的是，经过轻量化处理的BIM 可以直接在Web端进行浏览，这为各行业提供了更为便捷和快速的数据共享方式。然而，尽管BIM 轻量化技术已经取得了长足的发展，随着建筑和工程项目的不断增多和复杂化，BIM 技术的应用依然面临着一系列挑战，如模型文件庞大、数据交换复杂及协作瓶颈[3]等，因此，迫切需要一种切实可行的BIM 轻量化方法。

回顾BIM 轻量化的研究历程，发现前人的研究主要集中在几何模型简化和优化数据结构方面。他们提出了各种算法和方法，不仅降低了模型的复杂性，而且提高了模型的可视化性能。然而，较少有研究者从用户角度出发，考虑多元化用户需求问题。

针对上述问题，本文在BIM 轻量化技术中引入多元用户需求，提出了一种面向多元化需求的BIM 轻量化方法。在该过程中，选择3D Tiles 格式[4]作为规范格式，选择Cesium 作为可视化平台[5]。3D Tiles 格式支持灵活的空间数据结构，提供了更大的自定义和可移植性。Cesium 平台作为强大的可视化工具，为BIM 在Web 上的呈现提供了高效且出色的解决方案。

该方法的独特之处在于，它可以根据不同用户的需求展示特定的几何信息和属性信息，同时，对于不需要的信息，仍然储存在数据库中，不会进行加载。此外，该方法不仅能满足不同用户的需求，而且能在保证BIM数据完整性的同时，显著提升BIM 的加载速度和渲染效率。本研究的目标是实现大体量建筑信息模型的高效可视化，使得BIM 技术能有效满足实际应用需求。

1 BIM 轻量化技术在国内的研究现状

BIM 轻量化是指在保证BIM 数据丰富的同时精简模型数据构建逻辑，以减小模型体量，使其更加适合在Web 端使用[6]。随着BIM 建模趋于精细化，模型的数据量不断增加，庞大的数据体量成为BIM 技术在实际工程中应用的一个制约因素。

目前，BIM 轻量化技术正处于蓬勃发展阶段，国内许多学者和研究团队提出各种算法和方法，以降低BIM的复杂性，提高处理效率，并解决实际工程项目中的问题。

提出的算法和方法主要分为两种：第一种主要从几何模型简化出发，例如，张业星等[7]基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）软件分析技术提出了一种BIM抽壳轻量化方法，通过提取建筑物外部数据实现BIM 简化；王云龙[8]、刘晓利等[9]通过研究边折叠算法对BIM几何模型轻量化；陈科等[10]通过研究现有几何简化方法，设计了一种考虑几何特征的轻量化化简方法。第二种主要从提高模型加载渲染效率出发，例如，李珂等[11]提出基于兴趣度的多粒度传输调度算法，显著提升了与边页协同的WebBIM 场景的初始加载速度；孙源等[12]将PagedLOD 技术与批次绘制渲染优化技术结合；史瑞昌等[13]提出面向需求的BIM 动态加载方法，为BIM 大场景在Web 端的快速加载提供了技术支持；刘小军等[14]从构件实例冗余、构件及空间混合索引、多粒度数据动态、装卸载策略3 方面出发，对BIM 进行了优化。

总之，现有研究主要侧重于从整体角度对BIM 进行轻量化，这些方法在处理体积较小的建筑信息模型时表现出较好的效率和可视化效果。然而，随着BIM 体积的增加，这些方法在实际应用中面临新的挑战。

2 主要方法

2.1 用户需求分析

在设计面向多元化需求的BIM 轻量化方法时，首要任务是深入了解和分析不同用户群体的需求。不同用户在使用BIM 时，关注的信息、交互操作和可视化需求可能存在显著差异。因此，为了满足多元化的需求，应根据用户的具体需求来定制和设计相应的BIM 应用。

在应急救援领域，救援人员需要迅速获取关键信息，以有效规划救援路径和行动。因此，BIM 需要提供相关重要信息，如墙体、楼梯、门窗、消防管道和消火栓的位置和状态。这些信息对于救援行动至关重要，可以帮助救援人员快速识别逃生通道和应急出口，确保救援工作的高效性。对于救援人员而言，机电管线、梁、装修等构件的详细信息属于冗余信息，不需要在紧急情况下浪费时间查看。

在社区管理方面，社区管理人员需要维护和管理建筑物及其相关设施。在这种情况下，BIM 应该提供更广泛的信息，包括电梯、消火栓、路灯等的维护信息，每层楼的住户信息，楼层的整体布局信息等。这些信息对于社区管理和维护工作的开展十分重要，可以帮助管理人员有效计划和执行维护任务，管理住户信息及优化社区内的资源分配。此外，对于社区地下管网维护工作，BIM 还应提供社区内部地下管网的详细信息，以支持管网的维护和修复。这些信息应包括管道位置、管道类型、维护历史等关键数据。

设计BIM 时也要考虑不同领域的需求。对建筑设计师而言，BIM 应用需要重点展现建筑元素的细节，如结构、材料和装饰，以支持其在外观、布局和材料选择方面的决策。对于建筑施工团队，模型应强调施工可行性和进度，包括施工顺序和物料需求。运维阶段，设施管理人员需要关注设备性能和维护，因此BIM 需要集成设备相关数据。城市规划者需要关注土地利用、交通和绿化，所以模型应提供相应的规划支持。轻量化BIM 的关键在于平衡信息详细度与性能，通过数据压缩和优化，确保其在不同环境下高效运行。同时，BIM 的协同性不可忽视，需要采用开放标准和协议，促进不同用户间的共享和协作。综合而言，面向多元化需求的BIM 轻量化方法要深入了解不同用户群体的特定需求，并根据这些需求进行个性化设计。从应急救援到社区管理，再到建筑设计和运维，BIM 的应用领域广泛，因此轻量化方法应适用于不同的使用场景。通过平衡详细信息和性能优化，以及促进协同工作和数据共享，可以实现BIM 在各个领域都发挥出最大效益的目标。同时，这种个性化和综合性的方法将有助于推动BIM 技术在建筑和城市管理领域的广泛应用。

2.2 分页细节层次思想

分页细节层次（PagedLOD ）技术是一种用于管理3D 模型数据的技术，旨在提高渲染效率和内存利用效率[15]。它基于LOD 概念，根据用户视点和距离来选择不同细节层次的模型，以提高渲染效率。然而，传统的LOD 方法可能导致内存负担过重，因为所有模型层次的数据都要加载，而PagedLOD通过采用分页存储方法解决了这一问题，如图1 所示。PagedLOD节点不直接加载数据，而是根据用户需求和视点，通过后台线程进行动态加载。当某个PagedLOD 的子节点长时间未被使用时，系统会自动卸载相关资源，以释放内存。

图1 分页细节层次技术（来源：作者自绘）

PagedLOD 技术最开始是用于解决海量OSG（Open Scene Graph）数据加载和渲染的问题，不能直接应用于其他格式文件，但可以将该思想推广到3D Tiles 格式文件中去。根据上述思想，分别将经过轻量化处理的建筑、结构、暖通、电气、给排水、消防、喷淋、市政和园林等各专业数据分别存放在不同的PagedLOD 节点中。

2.3 BIM轻量化处理

对原始的BIM 进行轻量化处理，首先要将BIM 转换为IFC 标准格式，然后将IFC 标准文件作为数据源，对IFC 文件格式进行详细分析，以建立IFC 文件与3D Tiles 文件之间的映射关系。该映射关系的建立是为了确保在数据转换过程中，不仅能保留建筑构件的几何信息，还能够传递语义信息。而后将IFC 模型中的各种建筑构件与其几何信息和语义信息相关联，并将它们表示为JSON 文件。该步骤确保了建筑构件信息能在接下来的数据转换过程中被保留下来。将IFC 文件转换为OBJ 格式，通过坐标转换[16]、空间索引[17]的构建及LOD的层次划分，将其转化为glTF 格式，将glTF 文件用Draco 编码器压缩，以进一步降低文件大小。最后将glTF 和JSON 文件进行封装，生成3D Tiles（b3dm）格式的切片数据文件，从而在Cesium 平台上实现数据的高效显示。BIM 转3D Tiles 格式流程如图2 所示。

图2 BIM 转3D Tiles 格式流程图（来源：网络）

2.4 Cesium平台调度策略

Cesium 采用分层细节级别（Hierarchical Level of Detail，HLOD）机制来有效控制三维瓦片数据的加载。Cesium 具有多个调度参数，这些参数会直接影响3D Tiles 的渲染效果。根据3D Tiles 标准，每个三维瓦片集和其中的三维瓦片都必须附加几何误差（Geometric Error，GE），以表示其尺寸。

在运行时， 结合几何误差（geometric Error）、相机的视场角（Field of View）计算出屏幕空间误差(Screen Space Error，SSE)，如式（1）所示：

式中：ESSE为屏幕空间误差；Ggeo-err为几何误差；Cdra-buff-hei 为WebGL 底层的参数drawingBuffererHeight；Ddis为相机的距离；Ffov为相机的视场角。

Cesium 借用了最大屏幕空间误差（Maximum Screen Space Error，MSSE）的概念来控制模型的展示精度。在加载3D Tiles 三维场景时，Cesium通过设置最大屏幕空间误差参数值来直接改变模型的展示精度。根据相机距离和视场角的变化，Cesium 会根据瓦片的几何误差、相机距离、视场角等因素计算出屏幕空间误差，然后将其与最大屏幕空间误差的设置值进行比较。如果屏幕空间误差小于设置值，模型以适当的精度渲染；如果屏幕空间误差大于设置值，Cesium 将继续加载更高分辨率的瓦片，直到满足精度要求为止。

这种基于最大屏幕空间误差的控制方式允许根据不同计算机性能和观察场景的需求来动态调整模型的展示精度，以实现更流畅的浏览和减少性能消耗。因此，合理设置最大屏幕空间误差参数对于优化前端加载和渲染三维场景具有重要作用。

3 试验与结果

为了测试本算法的性能，在64位Windows10 操作系统上进行测试，具体计算机配置如表1 所示。

表1 计算机配置表

本试验分为两个部分：第1，测试本算法（设置为Method A）的计算性能和渲染性能，试验源数据是三栋由Autodesk Revit 软件建模的实际项目，即住宅楼、办公楼和大型商业综合体，这些模型均包含建筑、结构、暖通、给排水、消防、喷淋、强电和弱电等全专业建筑信息模型，模型如表2 所示。第2，与优化数据结构或数据组织（设置为Method B）的方法做比较。

表2 试验数据

从计算性能和渲染性能两方面出发，对面向多元化需求的BIM 轻量化方法的性能进行测试。计算性能为从软件打开到初始BIM 完成加载所需的时间；渲染性能为BIM 完成初始加载后在Cesium平台上的显示帧数（FPS）。

三栋项目模型的计算性能如图3所示。由图3 可知，随着模型文件大小的增加，两种方法的初始加载时间也都在增加。其中，采用Method A 处理后，住宅楼初始加载时间从8 s 缩短为5 s，商业综合体初始加载时间也从48 s 缩短到7 s。结果表明，Method A在计算性能上优于Method B，而且模型体量越大优化效果越明显。

图3 计算性能（来源：作者自绘）

两种方法处理后的模型在Cesium平台上的渲染性能如图4 所示。从中看出，Method A 的渲染性能明显优于Method B。经过Method A 处理后，模型的显示帧率均在60 FPS，相较于Method B 有很大提升，且体量越大的模型优化效果越明显。

图4 渲染性能（来源：作者自绘）

4 结语

本文针对建筑信息模型（BIM）技术的多元化需求提出一种BIM 轻量化方法。该方法在保证原始模型数据完整的前提下，通过分析不同用户的多元需求，采用PagedLOD 思想将各专业模型分块存储，实现根据多元用户需求动态加载所需专业模型的目的。

结果表明，本方法在提高复杂BIM 可视化性能和用户体验方面具有较好表现，经过本方法优化的BIM 在计算性能和渲染性能方面都有大幅提高，而且体量越大的模型优化效果越明显。综上所述，该方法能在Cesium平台上实现大数据量的BIM 的高效可视化。这种以用户为中心的方法有望改变BIM 的传统处理方式，使其更灵活和高效。