數字化交付模型輕量化技術研究

研究背景

隨著BIM應用 的越來越深入，無論是在民建領域還是在基建領域，BIM模型越來越精細、越來越大已經成為一種現實與趨勢，而建筑業全面推行數字化交付，模型輕量化技術與數據存儲技術必將成為其中的關鍵。

模型輕量化解析

BIM輕量化引擎主要是實現了BIM模型與除建模軟件以外的軟件系統的對接，補足了傳統軟件（項目管理系統、OA等）在BIM這塊的弱項，實現了BIM模型在Web端，移動端的“輕量化”應用，讓大量用戶無需安裝諸如Revit、Navisworks、Bentley等專業建模軟件既可使用BIM模型開展各類應用。

BIM輕量化引擎從技術方案上可以分為傳統的C/S客戶端方案和純Web方案兩種。傳統的C/S客戶端的輕量化引擎因為技術太過老舊，已經不適應當下的BIM應用發展需要。目前采用WebGL技術的純Web輕量化引擎代表了最先進的技術和方向，不僅能應用于Web端，也能應用于移動APP。

艾三維技術BIM中心采用最新WebGL輕量化技術引擎，實現多種工程文件格式在云端自動發起轉換，完整保留原始信息，達成模型的輕量化顯示，可直接在瀏覽器、手機APP上打開模型；最大限度壓縮模型大小，降低CPU/內存/GPU開銷；同時采取進行漸進式加載，極大程度提高了模型三維幾何數據渲染速度；并支持本地結構化儲存，統一RESTful標準數據接口，實現調取多種編程語言，快捷獲取數據。

BIM模型輕量化常規流程

（1）數據拆分

BIM模型包含幾何數據和非幾何數據兩部分。幾何數據是指二維、三維模型數據，非幾何數據通常是指BIM模型所包含的分部分項結構數據、構件屬性數據等相關業務數據。

首先，WebGL輕量化BIM引擎將幾何數據和非幾何數據進行拆分，通過拆分處理，BIM模型文件中約20%-50%的非幾何數據被剝離，導出為DB文件或JSON數據，供BIM應用開發使用。

（2）幾何數據輕量化處理

將剝離非幾何數據后的三維幾何數據，進行進一步優化，以降低幾何數據的體量和后期客戶端電腦的渲染計算量，從而提高BIM模型下載和渲染速度。其優化方案一般包括參數化或三角化幾何描述及相似性算法減少圖元數量。

（3）三維幾何數據實時渲染

通常而言，WebGL輕量化BIM引擎要實現三維幾何數據的實時渲染，需要進行兩個步驟：1、將三維幾何數據下載至本地電腦；2、利用本地電腦的內存和GPU實時渲染BIM模型文件。

由此可以看出，影響模型輕量化加載速度的因素主要可分為三個方面：1、模型自身體量大小及模型攜帶數據量；2、三維幾何數據優化方式；3、本地服務器網速及硬件配置。針對這幾類問題湖南建工BIM中心采取以下措施進行技術優化，有效的提升了模型加載速度及平臺使用流暢度。

BIM輕量化常規流程

數模分離技術優化

一般情況下，是將數字化交付信息直接寫入模型，通過輕量化后將數據與模型拆分，在不同的應用場景中調取不同信息，但此類方法往往會照成模型輕量化速度慢，數據拆分過程復雜，讀取速度慢等問題。

為此，艾三維技術BIM中心采用數模分離技術，建立阿里云數據庫，將構件非幾何數據、技術參數、運維保養數據導入數據庫，大幅度減少BIM模型數據量，加快BIM模型加載速度。數據庫中構件非幾何數據、技術參數、運維保養數據中加入相應的主數據編碼，通過構件主數據編碼將BIM模型與其數據信息進行關聯，需要查詢設備信息時，只需檢索到相應BIM模型構件，即可提取設備信息數據。

Web+C/S本地儲存技術優化

Web技術較C/S而言，有適用性強、共享性強、業務拓展方便及維護簡單等優勢，但對于調用體量較大的三維幾何數據來說，也存在服務器壓力大，訪問速度慢等問題，相對C/S來說卻不受網速影響。

綜合考慮Web及C/S技術的優缺點，艾三維技術BIM中心研發的數字化交付與智能運維平臺采取Web+C/S的技術措施，將模型輕量化后生成離線數據包，并將數據包部署在本地服務器中，在Web上加載模型時直接從本地服務器上提取數據，大幅度解決了從廣域網中提取信息受網速限制的問題。

后臺加載、按需調用技術優化

目前絕大部分BIM平臺均是采取后臺一次全部加載數據，前端按需顯示的模式，此種方式的弊端在于打開Web端后需要將所有數據加載完畢后方可進行各類應用場景操作，對于體量較大的項目而言，打開Web端首頁就是需要耗費較長的時間。

因此，對于此類問題，除本地儲存外，數字化與智能運維平臺同時也采取了針對不用業務場景，采取數據分批次、漸進式后臺自動加載，前端按需顯示的手段，以此減少數據加載延時，提升平臺使用流暢感。

如，在進去Web端首頁時只需加載完成項目建筑及結構三維幾何數據后即可顯示首頁內容，在用戶瀏覽首頁時，同時在后臺繼續加載其他數據，以便用戶進行其他應用場景操作，即可保障快速打開首頁。同時針對大模型進行LOD方案處理，在三維幾何數據輕量化處理階段，依據空間位置計算，將構件進行空間位置的排序來確定模型的輪廓，保證用戶初始加載模型就能看到模型的整體輪廓。 通過多重LOD計算方案，為同一個構件分別生成輪廓模型與精細實體材質模型。在三維幾何數據的實時渲染階段，通過實時計算視點與模型的距離，進行動態的輪廓模型與精細實體模型的內存加載與渲染。從而在不影響視覺效果的前提下提高本地電腦實時渲染BIM模型的效率。

BIM輕量化技術優化流程

研究結論

BIM輕量化的關鍵一方面在于三維幾何圖形的處理，一方面在于非幾何數據的處理，目前WebGL技術在三維幾何圖形優化方面已相對成熟；針大體量，高精度的項目模型，艾三維技術BIM中心采取本地儲存、后臺加載及按需調用等技術手段，最大限度的提升了模型加載速度及應用場景流暢度，而針對非幾何數據，則采用數模分離技術+云數據庫，保障了數字化交付中龐大數據的安全儲存及快速調用。

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