考慮幾何特征的BIM模型輕量化方法研究

陳科　張力　管林杰　嚴(yán)亞敏　李偉哲

摘要：針對現(xiàn)有BIM模型幾何圖形化簡的不足，設(shè)計了一種考慮BIM模型幾何特征的輕量化化簡方法。首先獲取BIM模型體的表面幾何數(shù)據(jù)，然后根據(jù)BIM模型某一格網(wǎng)的頂點個數(shù)判斷其是否為三角面片。當(dāng)多邊形為三角面時，對其進(jìn)行三角面片合并化簡，接著對合并后的多邊形采用三點法進(jìn)行邊界線化簡。根據(jù)短邊原則，將多邊形邊界線化簡后刪除的點移至相鄰邊中短邊的另一頂點處。最后，根據(jù)獲取的材質(zhì)信息，對化簡后的模型賦予對應(yīng)的材質(zhì)屬性。針對一建筑實例的應(yīng)用表明：該化簡方法能夠快速實現(xiàn)對BIM模型幾何數(shù)據(jù)的三角面片和邊界的化簡，并通過對合并后面形狀的判斷，保留BIM模型原有幾何圖形特征。

關(guān)鍵詞：BIM; 三角面片; 幾何特征; BIM模型; 輕量化

中圖法分類號： TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.035

0引 言

BIM模型一般較為精細(xì)、體量大、構(gòu)件多，在可視化和信息管理過程中存在BIM模型加載速度慢、渲染效率低、體驗差、系統(tǒng)易崩潰等問題，嚴(yán)重影響用戶體驗，有時甚至難以滿足實際應(yīng)用的需求，因此，需要對BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理。輕量化已經(jīng)是BIM業(yè)界人所共知的一個概念，雖然至今沒有任何嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)或者理論定義，但是這個概念已經(jīng)幾乎成為了行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。BIM模型輕量化簡單來說就是對BIM模型中三維幾何數(shù)據(jù)和過程屬性信息的數(shù)據(jù)壓縮，涉及包括紋理圖片、材質(zhì)信息、二維圖形信息以及軟件特有的附加信息等其他非三維幾何數(shù)據(jù)和過程屬性信息[3-4]。

目前主要從2個方面考慮BIM模型的輕量化：① BIM模型冗余屬性信息的剔除[5-7]。采用面分類法等將工程相關(guān)內(nèi)容分解為多個維度，使數(shù)據(jù)覆蓋空間結(jié)構(gòu)、時間、成本和運維（后期監(jiān)測及管理等）等信息。再在各維度內(nèi)采用線分類法按層次分解，設(shè)計制定BIM過程信息數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)。如根據(jù)工程的全生命期各階段進(jìn)行劃分：在規(guī)劃階段的人員、空間、時間規(guī)劃等，在設(shè)計階段基于規(guī)劃成果的人員、空間、時間以及設(shè)施清單等，在施工階段人員、空間、時間、設(shè)施、設(shè)備資料等，在施工交付后運維階段的人員、設(shè)備測試、序列號、安裝日期、操作和維護(hù)手冊等，以及在工程退役階段的設(shè)備安裝日期、使用年限、維修記錄等，并添加階段標(biāo)識屬性項。根據(jù)BIM模型應(yīng)用目的和應(yīng)用階段，以及BIM屬性信息的階段標(biāo)識，對不屬于相應(yīng)應(yīng)用階段的屬性信息進(jìn)行剔除，從而減少BIM屬性信息數(shù)據(jù)量。② BIM模型幾何圖形的化簡[8-11]。在幾何圖形化簡過程中，一般首先對BIM模型進(jìn)行三角面片化，越多的三角面片會使三維體模型看上去更加精細(xì)，反之則越粗糙。因此，會采用多個細(xì)節(jié)層次LOD（Levels of Details，層次細(xì)節(jié)模型）對三角面片化后的BIM模型進(jìn)行分級壓縮。隨著化簡層級的加深，現(xiàn)有大多數(shù)方法在幾何化簡過程中僅考慮對三角格網(wǎng)點的刪減，未考慮刪減格網(wǎng)點后重構(gòu)的三角面片是否存在破面，以及在保持原有幾何圖形特征的前提下如何刪減三角格網(wǎng)點的問題。因此，為了滿足BIM模型實際應(yīng)用的需要，亟需設(shè)計一種既可以保留BIM模型幾何特征與必要的屬性信息，又能夠?qū)IM模型三角化后的格網(wǎng)點進(jìn)行刪減，以減少三角面片數(shù)量的BIM模型幾何圖形化簡方法，從而實現(xiàn)對大體量BIM模型數(shù)據(jù)的順暢瀏覽和管理。

3BIM模型幾何形狀化簡方法

本文設(shè)計的考慮BIM模型幾何特征的化簡方法，僅是指對BIM模型中三維幾何數(shù)據(jù)的壓縮，不涉及紋理圖片、材質(zhì)信息、二維圖形信息、軟件特有的附加信息以及過程屬性信息等其他非三維幾何數(shù)據(jù)。在對符合化簡要求的三角面片進(jìn)行刪減時，不是直接對構(gòu)建三角面片的格網(wǎng)點進(jìn)行刪除，而是對符合化簡要求的三角面片先進(jìn)行合并處理。合并為同一平面后，對合并后的面片進(jìn)行邊界線化簡，基于化簡后邊界線的點進(jìn)行三角網(wǎng)重構(gòu)。首先利用BIM軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，將BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為IFC格式數(shù)據(jù)，獲取BIM模型的材質(zhì)信息和表面幾何數(shù)據(jù)。然后根據(jù)BIM模型幾何數(shù)據(jù)中多邊形的頂點個數(shù)判斷其是否由三角面構(gòu)成，若是，則對其進(jìn)行三角面片合并化簡，然后對合并后的多邊形采用三點法進(jìn)行邊界線化簡;若不是由三角面構(gòu)成，則直接對該表面進(jìn)行邊界線化簡。最后根據(jù)獲取的材質(zhì)信息，對化簡后的模型賦予對應(yīng)的材質(zhì)屬性，具體流程如圖1所示。

在BIM三維幾何數(shù)據(jù)化簡過程中，基于三點法的邊界線化簡具體實施步驟如下：

（1） 選擇多邊形的任意頂點為起始點，按照順時針對各頂點進(jìn)行標(biāo)識。

（2） 從起始點開始，依次選擇多邊形邊界線上的鄰近3點作為一個分析單元，計算它們所組成的2條直線的夾角。

（3） 判斷夾角大小與設(shè)定的閾值的關(guān)系。若夾角小于或等于設(shè)定的閾值，則判斷該三點共線，刪除中間點，加入下一個點構(gòu)成新的分析單元;若夾角大于閾值，則保留中心點，繼續(xù)遍歷，直至所有頂點判斷完畢。

三角面片的合并化簡具體步驟如下（見圖2）：

（1） 將所有三角面片標(biāo)記為0。

（2） 統(tǒng)計標(biāo)記為0的三角面片個數(shù)為N0。若N0=0，則三角面片合并化簡結(jié)束;若N0>0，任意選擇某一標(biāo)記為0的三角面片作為種子面片A，標(biāo)記為1。

（3） 順時針標(biāo)識種子面片的三個頂點。

（4） 獲取與種子面片A相鄰且標(biāo)記為0的面片Aii=1，2，…，n，其中，n為面片個數(shù)。

（5） 計算種子面片A與相鄰三角面片Ai的夾角θi。

（6） 判斷夾角θi（見圖3）與面合并閾值的關(guān)系。若θi≤閾值，則判斷三角面片Ai與種子面片A共面，執(zhí)行步驟（7）～（9）;若θi>閾值，判斷三角面片Ai與種子面片A不共面，則判斷下一個三角面片，跳轉(zhuǎn)至步驟（5）。若相鄰面片都判斷完畢，則統(tǒng)計標(biāo)記為1的三角面片的個數(shù)為N，若N=1，將種子面片A重新標(biāo)記為2，跳轉(zhuǎn)至步驟（2）;若N>1，執(zhí)行步驟（10）～（13）。

（7） 將Ai標(biāo)記為1，獲取三角面片Ai與A相鄰邊的兩端點標(biāo)識。

（8） 若端點的標(biāo)識是相連的，則將三角面片Ai的另一個頂點插入相鄰邊的兩端點之間;若不相連，則將Ai的另一個頂點標(biāo)識為相鄰邊兩端點標(biāo)識的大值+1。

（9） 跳轉(zhuǎn)至步驟（2）。

（10） 將所有標(biāo)記為1的三角面片頂點投影至種子面片A所在的平面。

（11） 將所有投影點按照原頂點標(biāo)識進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識。

（12） 按照投影點標(biāo)識順序依次連接，構(gòu)建合并后多邊形。

（13） 將重構(gòu)的多邊形標(biāo)記為2，跳轉(zhuǎn)至步驟（2）。

4實驗分析

目前，各大設(shè)計單位都在大力推進(jìn)三維設(shè)計，BIM成果越來越多，大量高精度的BIM模型可以作為驗證本文方法有效性的重要數(shù)據(jù)來源。本實驗數(shù)據(jù)來自由Revit軟件生產(chǎn)的一棟大樓的LOD300數(shù)據(jù)。

將Revit軟件生產(chǎn)的BIM模型轉(zhuǎn)換為IFC格式。在Revit軟件中打開BIM模型文件，選擇導(dǎo)出IFC功能，將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IFC格式，將轉(zhuǎn)換得到的IFC數(shù)據(jù)進(jìn)行三角格網(wǎng)面片合并。設(shè)置面片合并閾值為10°，通過對相鄰共邊三角面片之間夾角大小的判斷相鄰共邊三角面片是否共面，當(dāng)夾角小于或等于10°時，則認(rèn)為兩三角面片共面，將該相鄰共邊的兩三角面片進(jìn)行標(biāo)識。然后繼續(xù)對已標(biāo)識的相鄰三角面片進(jìn)行判斷和標(biāo)識，通過選擇基準(zhǔn)投影面將標(biāo)識為共面的三角面片進(jìn)行合并，并連接合并后的面頂點構(gòu)成一個面。遍歷所有三角面片，直至所有三角面片判斷完畢，對遍歷后未標(biāo)識的三角面片不進(jìn)行處理。對三角面片合并后的IFC數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界線化簡。設(shè)置相鄰3點共線的夾角閾值為160°，選擇邊界線的任意頂點為起始點，按照順時針對各頂點進(jìn)行標(biāo)識：從起始點開始，依次選擇多邊形邊界線上的鄰近3點作為一個分析單元，計算它們所組成的2條直線的夾角。當(dāng)夾角大于或等于160°時，認(rèn)為3點共線，刪除中間點，仍然從起始點開始，依次選擇多邊形邊界線上的鄰近3點作為一個分析單元進(jìn)行判斷;當(dāng)夾角小于160°時，不做處理，從第2點開始選擇多邊形邊界線上的鄰近3點作為一個分析單元繼續(xù)進(jìn)行判斷。

經(jīng)過邊界線和三角面片合并化簡后，該建筑物原始數(shù)據(jù)量從1 948 kB減少到253 kB，模型可視化效果對比如圖4所示。可以看出：在顯示效果上化簡后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)差別不大，完全可以滿足實際可視化要求，但是數(shù)據(jù)量壓縮至原始數(shù)據(jù)量的1/8左右。

同時，針對現(xiàn)有未考慮BIM模型幾何特征的三角化+LOD的方法，將本文的幾何化簡方法與之對比，化簡后的BIM模型線劃圖和可視化效果對比如圖5和圖6所示。由圖可以明顯看出，現(xiàn)有方法由于在幾何化簡過程中未考慮幾何圖形特征，造成化簡后構(gòu)成門窗的三角面片存在破面，而本文方法在幾何圖形化簡后能有效保持BIM模型的幾何特征。

5結(jié) 論

（1） 本文利用三點法和面投影合并法，能夠快速實現(xiàn)對BIM模型幾何數(shù)據(jù)的三角面片和邊界的化簡;通過對合并后面形狀的判斷，能夠保留BIM模型原有幾何圖形特征;有效避免現(xiàn)有技術(shù)對BIM模型幾何數(shù)據(jù)化簡后，未能保持原有幾何圖形特征，存在破面的問題。

（2） 本文利用三點法和三角面片合并化簡實現(xiàn)了BIM模型幾何數(shù)據(jù)的邊界線和組成面的化簡，在保留BIM模型幾何特征與必要的屬性信息的同時，能夠順暢瀏覽和管理大體量模型數(shù)據(jù)。

（3） 結(jié)合相鄰三點法和三角面片合并法，本文對三角面和其他多邊形面進(jìn)行了區(qū)別化簡，兼顧了BIM模型幾何圖形的邊界線和三角面化簡。在化簡過程中，保留了BIM模型原有幾何圖形特征。

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（編輯：鄭 毅）