考慮幾何特征的BIM模型輕量化方法研究

陳科　張力　管林杰　嚴亞敏　李偉哲

摘要：針對現有BIM模型幾何圖形化簡的不足，設計了一種考慮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據，然后根據BIM模型某一格網的頂點個數判斷其是否為三角面片。當多邊形為三角面時，對其進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行邊界線化簡。根據短邊原則，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，根據獲取的材質信息，對化簡后的模型賦予對應的材質屬性。針對一建筑實例的應用表明：該化簡方法能夠快速實現對BIM模型幾何數據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

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.035

0引 言

BIM模型一般較為精細、體量大、構件多，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、系統易崩潰等問題，嚴重影響用戶體驗，有時甚至難以滿足實際應用的需求，因此，需要對BIM模型數據進行輕量化處理。輕量化已經是BIM業界人所共知的一個概念，雖然至今沒有任何嚴謹的學術或者理論定義，但是這個概念已經幾乎成為了行業的標準[1-2]。BIM模型輕量化簡單來說就是對BIM模型中三維幾何數據和過程屬性信息的數據壓縮，涉及包括紋理圖片、材質信息、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據和過程屬性信息[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內容分解為多個維度，使數據覆蓋空間結構、時間、成本和運維（后期監測及管理等）等信息。再在各維度內采用線分類法按層次分解，設計制定BIM過程信息數據庫表結構。如根據工程的全生命期各階段進行劃分：在規劃階段的人員、空間、時間規劃等，在設計階段基于規劃成果的人員、空間、時間以及設施清單等，在施工階段人員、空間、時間、設施、設備資料等，在施工交付后運維階段的人員、設備測試、序列號、安裝日期、操作和維護手冊等，以及在工程退役階段的設備安裝日期、使用年限、維修記錄等，并添加階段標識屬性項。根據BIM模型應用目的和應用階段，以及BIM屬性信息的階段標識，對不屬于相應應用階段的屬性信息進行剔除，從而減少BIM屬性信息數據量。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，反之則越粗糙。因此，會采用多個細節層次LOD（Levels of Details，層次細節模型）對三角面片化后的BIM模型進行分級壓縮。隨著化簡層級的加深，現有大多數方法在幾何化簡過程中僅考慮對三角格網點的刪減，未考慮刪減格網點后重構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點的問題。因此，為了滿足BIM模型實際應用的需要，亟需設計一種既可以保留BIM模型幾何特征與必要的屬性信息，又能夠對BIM模型三角化后的格網點進行刪減，以減少三角面片數量的BIM模型幾何圖形化簡方法，從而實現對大體量BIM模型數據的順暢瀏覽和管理。

3BIM模型幾何形狀化簡方法

本文設計的考慮BIM模型幾何特征的化簡方法，僅是指對BIM模型中三維幾何數據的壓縮，不涉及紋理圖片、材質信息、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據。在對符合化簡要求的三角面片進行刪減時，不是直接對構建三角面片的格網點進行刪除，而是對符合化簡要求的三角面片先進行合并處理。合并為同一平面后，對合并后的面片進行邊界線化簡，基于化簡后邊界線的點進行三角網重構。首先利用BIM軟件的數據導出功能，將BIM模型數據導出為IFC格式數據，獲取BIM模型的材質信息和表面幾何數據。然后根據BIM模型幾何數據中多邊形的頂點個數判斷其是否由三角面構成，若是，則對其進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行邊界線化簡;若不是由三角面構成，則直接對該表面進行邊界線化簡。最后根據獲取的材質信息，對化簡后的模型賦予對應的材質屬性，具體流程如圖1所示。

在BIM三維幾何數據化簡過程中，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行標識。

（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） 判斷夾角大小與設定的閾值的關系。若夾角小于或等于設定的閾值，則判斷該三點共線，刪除中間點，加入下一個點構成新的分析單元;若夾角大于閾值，則保留中心點，繼續遍歷，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） 將所有三角面片標記為0。

（2） 統計標記為0的三角面片個數為N0。若N0=0，則三角面片合并化簡結束;若N0>0，任意選擇某一標記為0的三角面片作為種子面片A，標記為1。

（3） 順時針標識種子面片的三個頂點。

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

（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）與面合并閾值的關系。若θi≤閾值，則判斷三角面片Ai與種子面片A共面，執行步驟（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，跳轉至步驟（5）。若相鄰面片都判斷完畢，則統計標記為1的三角面片的個數為N，若N=1，將種子面片A重新標記為2，跳轉至步驟（2）;若N>1，執行步驟（10）～（13）。

（7） 將Ai標記為1，獲取三角面片Ai與A相鄰邊的兩端點標識。

（8） 若端點的標識是相連的，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的另一個頂點標識為相鄰邊兩端點標識的大值+1。

（9） 跳轉至步驟（2）。

（10） 將所有標記為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識進行相應的標識。

（12） 按照投影點標識順序依次連接，構建合并后多邊形。

（13） 將重構的多邊形標記為2，跳轉至步驟（2）。

4實驗分析

目前，各大設計單位都在大力推進三維設計，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據來源。本實驗數據來自由Revit軟件生產的一棟大樓的LOD300數據。

將Revit軟件生產的BIM模型轉換為IFC格式。在Revit軟件中打開BIM模型文件，選擇導出IFC功能，將BIM數據轉換為IFC格式，將轉換得到的IFC數據進行三角格網面片合并。設置面片合并閾值為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，當夾角小于或等于10°時，則認為兩三角面片共面，將該相鄰共邊的兩三角面片進行標識。然后繼續對已標識的相鄰三角面片進行判斷和標識，通過選擇基準投影面將標識為共面的三角面片進行合并，并連接合并后的面頂點構成一個面。遍歷所有三角面片，直至所有三角面片判斷完畢，對遍歷后未標識的三角面片不進行處理。對三角面片合并后的IFC數據進行邊界線化簡。設置相鄰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行標識：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。當夾角大于或等于160°時，認為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行判斷;當夾角小于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進行判斷。

經過邊界線和三角面片合并化簡后，該建筑物原始數據量從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據與原始數據差別不大，完全可以滿足實際可視化要求，但是數據量壓縮至原始數據量的1/8左右。

同時，針對現有未考慮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 論

（1） 本文利用三點法和面投影合并法，能夠快速實現對BIM模型幾何數據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;有效避免現有技術對BIM模型幾何數據化簡后，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了BIM模型幾何數據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據。

（3） 結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行了區別化簡，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）