BIM模型轻量化技术研究与实现

孙源 王国光 赵杏英 汪洋 董大銮

摘要：目前，国内对建筑信息模型（BIM）在项目中的应用需求越发迫切，数据冗杂的BIM大体量模型严重制约着BIM技术在实际应用中的使用。大体量BIM模型在展示过程中会遇到加载缓慢、显示卡顿的问题。为此，提出搭建BIM轻量化体系，通过自主研发的BIM仿真系统平台，为大体量BIM模型提供审阅浏览平台。采用几何简化算法、渲染优化算法、文件格式优化及数据结构设计4种方法对BIM轻量化体系进行搭建。对BIM模型三角面使用边折叠算法进行优化，根据多源异构数据的模型设计相应的文件格式和数据结构，在渲染层面上，自主研究并实现使用PagedLOD技术与几何简化模型结合、剔除与绘制双线程方法、批次绘制渲染优化技术，完成BIM轻量化体系的初步搭建工作并于平台中验证。实例验证效果显示：轻量化方法体系的应用使平台达到了快速加载大体量BIM模型并流畅展示的目标，拥有多源异构数据模型在同一平台展示的能力。

关 键 词：BIM; 模型轻量化; PagedLOD; 多线程

中图法分类号： TP391.41

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.036

0 引 言

在不断推广的大平台框架下，各种工程项目的数字交付后，庞大的BIM模型数据需要流畅地在仿真平台上进行模拟和展示。在实际应用中，三维模型浏览时大体量模型无法加载或经常加载缓慢会造成应用性欠佳的问题。若要实现在大平台下浏览往往动辄体量巨大的BIM模型，无论是从设计层面还是从应用层面，加载和显示的延迟卡顿问题都阻碍了BIM在设计、施工、运维等方面发挥其优势。IFC格式作为BIM领域普遍采用的标准格式，具有完整的参数信息，由于其是基于文本的非压缩文件格式，致使IFC文件加载时间较长。另外，未经轻量化处理的BIM模型使用时会遇到许多与性能相关的问题，如文件庞大导致储存和传递成本高、数据难以在轻量级渲染平台中审阅。特别是庞大的三角网数量和繁复的纹理样式，都导致了其在实际使用过程中难以方便快捷地进行浏览和传输。设备在加载和渲染BIM模型时往往对设备本身有较高的要求，也阻碍了BIM模型便捷化发展的使用初衷。因此，BIM数据轻量化是BIM技术应用中的关键环节。

目前已有众多研究人员在BIM模型轻量化上做了不少的工作，涉及了轻量化方法中的文件設计、数据结构、几何优化及渲染方面，以及对专业模型的处理工作。例如，陈庆财等[2]对BIM模型数据设计了轻量化的文件格式（LBSF），并设计了轻量化的数据格式;操锋等[3]对文件数据进行组织及数据压缩优化;陈龙等[4]使用细节层次（LOD）技术和三角面简化技术，逐级降低模型顶点和三角面数量;王云龙[5]、刘晓利[6]、张必强[7]、李现民[8]、冯翔[9]、杜晓晖[10]等通过研究边折叠算法提出了相应的简化算法，对BIM模型轻量化在几何模型简化上做了进一步优化研究;金广龙[11]、马金忠[12]、白雪[13]等对BIM轻量化中BIM模型加载与渲染中的技术方法进行了研究，对渲染剔除及批次合并进行优化，研究了渲染处理和数据处理轻量化技术方法;赵维等[14]提出了自适应多线程渲染技术，为渲染轻量化技术的开发提供了参考和借鉴;张萍[15]在BIM专业模型的处理标准基础上探讨了渲染及几何轻量化方法;毛旭阳[16]、余芳强[17]、郭思怡[18]、刘北胜[19]等分别对城市、古建筑、建筑运维、云渲染多种场景下的轻量化技术进行了探讨。尽管已经有大量研究人员在BIM轻量化方法中做出了许多工作，但如何在其研究基础上搭建起更加完备成熟的BIM轻量化体系尚未研究透彻。

本文使用BIM仿真系统平台，通过设计文件格式、数据结构、几何简化、渲染优化4种轻量化方法，研究4种方法在BIM模型加载与浏览中的局限性及其优势，取长补短，以搭建BIM轻量化体系。从平台需求出发，对BIM模型三角化几何描述使用边折叠算法进行优化，同时在文件数据层上从多源异构数据的模型要求出发设计了相应的文件格式和数据结构;在渲染层面上自主研究并实现使用分页细节层次模型（PagedLOD）技术与几何简化模型结合、剔除与绘制双线程方法、批次绘制等渲染优化技术，实现平台展示流畅的渲染效果，对BIM轻量化体系中所用到的方法进行研究优化，使其更加契合实际应用。

1 研究思路

随着BIM轻量化技术的不断进步，处理方法逐渐成熟，综合来看主要分为几何算法优化、文件格式优化、数据优化、渲染优化4种优化方向。

（1） 几何算法优化主要有边折叠算法及其变种方法，通过优化三角面片数与顶点数，减小数据体量的同时减轻渲染压力，达到轻量化的目的。

（2） 文件格式优化包括数据剔重、数据分组、空间索引等，数据剔重即将重复出现在文件格式中的数据进行分类处理，结合数据分组操作，方便数据在各个组内的压缩和解压缩。

（3） 数据优化常见的方法有数据压缩、数据分解等。数据压缩需要有相应的压缩及解压缩算法支撑，部分厂商在压缩过程中还会对数据进行加密操作。数据分解关键在于对数据进行细节层次（LOD）处理。

（4） 渲染优化主要思路即为遮挡剔除和批次绘制，当视图中一些构件物体距离视点较远，其像素投射在屏幕上的数量小于一个阈值时，将其从内存中剔除，同时视野外的物体数据也不会出现在内存中，以确保流畅的渲染。此外，在BIM模型中，并非每个参数都参与到项目当前需求之中，可以根据项目需求剔除系统不需要的参数，只加载项目需要的数据，使BIM模型缩减到流畅渲染的程度。

目前BIM专业模型轻量化的方法多种多样，如何快捷有效地将大规模的BIM模型数据可视化地导入与展示仍有待深入研究，在现有的研究上转化为可以推动BIM实际应用的成果是本次研究的主要目的。具体的成果方案设计思路如图1所示。

2 方法与设计

2.1 关键方法

方法的选择需要从多源异构的数据汇聚与模型整合的项目需求出发，将多种来源的不同格式模型数据、不同专业的工程模型通过IFC解析整合到统一格式文件中;同时将岩土、钢结构、混凝土等工程相關计算模型经过解析重构，整合至平台文件中。因此，在轻量化方法的选择中，需要有多方面的考量。

根据平台需求，对模型文件格式进行设计，使其适用于多源异构的模型数据汇聚。将海量的数据整合至文件中后对文件轻量化，而文件的轻量化方法虽然实现了文件大小及文件内数据的轻量化，使模型文件加载速度更快、传输及存储效率更高，但并不能解决大体量模型在审阅时遇到的显示帧数较低的问题。此时图形相关算法设计尤为重要，将大体量模型加入至平台中进行操作时，渲染优化可以使平台操作时保持较高的帧数，有更好的操作体验。

渲染中，剔除操作对于减少渲染绘制图元数量有很大作用，同时BIM模型十分适用于批次绘制方法，原因在于BIM模型往往有大量渲染信息相同的图元，能够同时提交用于渲染。一般两个步骤并不能同时进行，正常的流程必须为先进行剔除，后将剔除后的图元提交至绘制操作，在实际应用中该流程对显示帧率有较大影响。因此本文从实际出发，考虑到BIM模型对实时动态渲染最新数据的需求不高，针对性地设计了剔除与绘制双线程方法，显著优化了显示帧数。

BIM模型通过几何简化的轻量化方法，可得到一个三角面片数量远小于原始模型的新模型，面片数据量得到极大的缩减，渲染速度得到很大的提升，但新模型比原始模型精细程度有所降低，有时会出现几何特征发生改变的情况。

分页细节层次（PagedLOD）用于将场景中的物体创建为多个显示层次，可根据观察视点与物体的距离选择应显示的图像节点或根据模型节点占据像素大小控制节点显示，达到减少渲染压力提高显示帧率的效果。其优点在于不显示的节点小于一定像素后对模型的审阅造成的影响并不明显，相比于对渲染效率的提升，PagedLOD技术可以视为一个轻量化方法中一个很好的选择。分页细节层次（PagedLOD）方法与几何简化方法各有优劣。本文根据使用条件设计了两者结合的轻量化方法。思路为：当视点距离模型较远时，使用几何简化后的新模型，视觉上与原始模型并无差距;当模型构件占据的像素增多时，使用未经几何简化的原模型，使模型原有细节全面展现，此时因视口范围内面片数较少，渲染效率依然能得到保证。

2.2 针对几何数据的算法设计

几何数据转换的方法一般基于参数化几何描述和三角化几何描述两种处理方法。前者使用多个数学参数描述一个几何体，如圆柱体可以使用底面坐标、底面半径加上圆柱高度3个参数，能够将单个物体做到最优简化;后者则是使用多个三角面片描述一个几何体，平面与曲面均可以被有限个三角面片拟合，模型的精度随着三角面片的数量增多而增加，随着三角面片数量增加模型的体量也会有明显增加。根据数据结构设计，文件中不保存参数化信息，因此几何优化算法主要针对于三角化几何描述的情形进行优化。

三角化几何描述可以通过尽量不改变模型外观的情况下尽量减少三角面片数的思路进行优化。常使用的方法有边折叠算法，每次简化可以减少模型的两个面片和一条边，可以生成连续的细节层次，并且有着相应的处理纹理数据的算法。具体的算法设计为对模型的每一条边计算得出一个固定的损失值，在算法流程中通过不断地迭代，每一次将模型中损失值最小的边移除并折叠后，重新计算现有各个边新的损失值，迭代至达到给定的简化程度为止。几何简化算法设计需满足如下要求：

（1） BIM模型数据经过优化后，不影响模型信息的审阅。

（2） BIM模型在经过简化后不会丢失重要的几何特征。

（3） 平台可根据模型大小及渲染效率判断是否需要对几何数据进行优化。

基于该平台对BIM模型数据的要求，通过对采样率和最大误差等参数进行调试，对不同体量和精细程度的模型采用不同程度的简化，优化误差算法，使用改进的边折叠算法（见图2），尽量避免简化过程中的几何特征丢失情况。

2.3 文件格式数据结构及设计

根据该平台需要，文件格式设计应满足以下需求：

（1） 文件数据应尽量不冗余，删除重复的几何及属性数据。

（2） 文件具有可扩展性，允许增加新的异构数据来源。

（3） 文件的索引管理清晰，便于查询多源异构数据的文件信息。

（4） 文件格式的读取与写入性能应考虑可视化性能，方便导入、打开与保存。

文件格式的设计依托于数据库机制，使用数据库作为数据的存储方式，能够实现多源异构模型文件的节点、模型、属性及材质等数据信息的索引管理，并且能兼容json文件，存储项目信息、工程配置、过程记录等信息。利用数据库机制，文件具有很强的可扩展性，方便多源异构数据的导入与导出。数据结构的设计依托于不同的模型数据要求，多源异构的数据信息要求数据结构支持多样化。

数据结构的设计分为以下3点：

（1） 逻辑结构设计。继承BIM模型数据的逻辑结构设计，以树结构为主要逻辑结构，建立以构件id为索引的多个数据表，包含空间位置数据表、纹理信息数据表、属性数据表等，从而清晰存储管理多源异构模型数据。纹理数据以哈希值为索引，相同的纹理只存储一次，将纹理数据量显著压缩，实现了文件数据量的缩小。

（2） 物理结构设计。物理数据结构设计主要利用已确定的逻辑数据结构，以及在实际使用中对数据的使用要求选择合适的存储方式。BIM数据文件作为可传输的集中存储方式，便于对BIM数据在软件中的读取，选择的存储结构为顺序存储结构，方便对数据进行检索遍历。

（3） 数据结构与程序关联设计。根据软件需求，设定各类信息对应增删改查功能权限，从而保护数据安全性。

平台设计的数据结构具备存储管理“时间+空间+属性+符号”信息，继承BIM数据的体系结构、几何、参数、材质、颜色、编码及属性信息，支持存储多个虚拟维度的空间属性数据，支持自定义调整属性层级、多个属性组织维度。

2.4 渲染优化设计

渲染优化的目标是能够流畅地实时绘制BIM模型，使之能达到绘制帧率不低于30帧/s，但由于BIM数据体量一般都较大，模型三角面片数量动辄上千万，若不对渲染方式进行优化，解决渲染过程中的内存开销过大问题，则正常电脑很难满足实时绘制要求。本文采用PagedLOD技术完成对渲染优化设计。

LOD其算法步骤如下：

（1） 设定的像素模式（计算包围球在屏幕上占有的像素大小）。

（2） 比较范围列表（保存所有子节点的范围）的尺寸与子节点数量，如果小于子节点数量就让子节点数量与范围列表的数量相等。

（3） 遍历所有子节点，在范围内的就显示，不显示的节点将不会被渲染。

PagedLOD继承了LOD，其遍历器比LOD复杂得多，其算法步骤如下（见图3）：

（1） 如果遍历器类型是剔除遍历，则把该遍历器上一帧遍历完成后的帧数记录下来。

（2） 对于每一个子节点计算其像素，跟LOD的相同。

（3） 循环范围列表（该列表保存了所有子节点的范围），判断刚才计算到的像素是否在某个范围列表里面，如果范围链的尺寸没有超过当前子节点的数量就显示。

（4） 加载之前消失的节点。

此外，当模型数据体量巨大，如果所有的构件都被绘制会浪费大量的系统资源，例如建筑物内部的机电设备等，运用遮挡剔除和批次绘制技术，可以大幅度提升整体渲染效率。遮挡剔除技术可以剔除场景当前视口中被遮挡的物体，用八叉树算法对所绘制的图元进行空间索引，计算当前视口下所要剔除的图元，以此做到只绘制最外层的物体，从而提升渲染效率。

批量绘制技术即当一个物体绘制到屏幕上时便需要发起一次绘制命令，需要耗费大量的CPU资源来调用渲染管线。通过将模型物体合并到一次的绘制中，可以减少大量的绘制命令调用次数，能够节省CPU资源，从而提升渲染流畅度。批量绘制技术往往会涉及到静态批量合并或者动态批量合并两种策略，前者是通过预先的处理以达到合并目的，后者则是在每一帧的过程中进行动态合并，两者可以分开单独使用，也可以两种方法结合使用。

2.4.1 几何简化与分页细节层次结合的渲染优化

结合几何简化后模型的LOD设计，根据BIM模型，设置PagedLOD中显示像素大小，在渲染时，依据场景图元在视口中占据像素大小，动态选择相应显示的渲染数据，实现可视场景信息完整的情况下达到最好的渲染效率。

LOD的设计同时依赖于几何简化算法设计。鉴于两者的优缺点，设计了两者结合的LOD设计。两者结合时，场景有两种情况：

（1） 视口较远时，场景图元在视口中小于一定像素，因PagedLOD技术不会在场景中显示，场景中将会显示经过简化后的模型的相应图元来代替原模型。因在视口中占据的像素很小，此时虽然简化后的模型精细程度较低，但在视觉上与原模型几乎没有差异。

（2） 视口较近时，因场景图元占据像素增多，此时显示的模型则会更换为原模型，模型细节在审阅时不会受到任何影响。

两种情况均能在不影响审阅情况下得到更好的轻量化效果。至此，通过对LOD的设计，消除了LOD和几何简化算法带来的负面影响的同时，显著提升了渲染效率。

2.4.2 基于双线程的剔除与渲染

根据渲染的需求，提出并设计了双线程剔除绘制渲染方法（见图4）。在渲染一帧的步骤中，将剔除操作与绘制操作分别在不同线程中完成，剔除操作完成后，会将剔除后的绘制数据存放在后缓存中，绘制操作线程则会从前缓存中提取数据进行绘制。在下一次剔除操作完成后，将新的剔除后绘制数据存放在后缓存中，后缓存中的数据则会转移至前缓存中供绘制线程调用。至此，剔除操作与绘制操作分开，剔除操作所耗费的时间在渲染一帧的过程中为零，渲染效率只依赖于绘制操作线程所耗费的时间。

2.4.3 动态预处理后续批次渲染数据设计

在剔除操作完成后，需要将渲染数据提交給渲染管线进行绘制操作，数据未经处理时，每一个物体均需要进行一次绘制操作，场景完成一帧的显示需要重复每一个物体的绘制操作。

因此剔除操作完成后的数据可以进行批次合并操作，将数据中拥有相同渲染状态的物体进行合并，处理后的数据会存入缓存中供绘制操作线程调用。该操作通过减少绘制命令调用次数，显著减少了渲染一帧时绘制操作线程所耗费的时间，以此提升渲染效率。该方法根据BIM模型中信息，对场景图元中渲染状态数据相同的图元三角网格数据进行批量合并并传递给显卡。

2.5 程序组件设计

（1） 以各类文件类型为基础的插件扩展，将文件类型写为osgDB所兼容格式并加载文件到自定义工程文件中。① 工程文件通过实现osgDB：：Archive接口，将平台自主设计的工程文件信息写为osgDB所兼容格式，并能够读写原文件材质、节点、高程、贴图、渲染、描述等多种信息。② 多源异构文件类型通过实现osgDB：：ReadWiriter接口，实现对各种类型文件的读取至场景中的功能。

（2） 自定义插件。自主设计BaseFilePlugin文件读取插件基类，各类文件读取通过实现该基类完成对多源异构数据文件的读取支持。

3 验 证

验证数据来源于龙开口水电站，位于云南省大理州鹤庆县境内，是金沙江中游河段规划的第六级电站。龙开口水电站上游与金安桥水电站衔接，下游与鲁地拉水电站衔接，距昆明直线距离280 km，距鹤庆县城公路里程约60 km。龙开口水电站的开发任务是以发电为主，兼顾灌溉和供水。水库正常蓄水位1 298.00 m，相应库容为5.07亿m3，其中调节库容1.13亿m3，具有日调节性能;水库校核洪水位为1 301.30 m，总库容5.58亿m3。BIM总装模型包括了地质、坝工、厂房、引水、建筑、施工、金结、水机、电一、电二、暖通、给排水、观测等20多个专业模型。

本文在自主研发的BIM仿真系统平台上完成对多种专业的BIM模型进行测试，使用多种不同施工专业的BIM模型于平台中进行轻量化展示，并与同个模型不进行轻量化处理的结果进行对比验证。案例中所用于验证的模型分别涉及地质专业、机电专业、土建专业及电气专业，测试结果如表1所列。

（1） 地质模型轻量化前后对比验证（见图5）。地质专业使用龙开口水电站勘测模型，该模型体量较小，模型的三角面片数经过几何简化后至原有面片数1/3左右，帧率显示与加载速度优化不明显，原因在于原模型数据量较小，渲染与加载效率主要受限于硬件。

（2） 机电专业与土建专业模型轻量化前后对比验证（见图6～7）。机电专业使用龙开口水电站机电总装模型，土建专业使用龙开口水电站水工总装模型，两者数据体量类似，轻量化后显示效率效果相近，三角面片优化至1/3左右时，加载速度均有4倍以上提升，模型展示帧率提升幅度较大。

（3） 电气专业模型轻量化前后对比验证（见图8）。电气专业使用110 kV强民变电站模型，数据体量远远大于其余模型，经优化后的显示帧率与机电专业、土建专业模型显示帧率差距较小，因电气专业模型中拥有更多相同渲染属性的模型构件，动态预处理过程中将相同渲染属性数据合并提交，提高了显示帧率;加载速度较之于机电专业、土建专业模型加载速度更快，因为其文件数据在保存时，纹理数据存在大量相同数据，相同的纹理只存储一次，文件加载数据量压缩，加载时资源传输量减少。

通过对各专业模型轻量化前后测试结果分析，可以总结得到：

（1） 几何简化的轻量化方法在各模型的应用中优化稳定，不会因模型专业、数据量大小不同改变优化效率;

（2） 渲染优化的轻量化方法对不同模型在平台上的显示效果均有提升，其中不同专业模型中相同渲染属性的构件数量越多，渲染优化提升效率越高;

（3） 文件格式及数据结构设计支持打开多源异构的不同专业模型，大体量模型内相同纹理数据的压缩，实现了减少资源传输量，提高了模型加载效率。

4 结 语

本文依托BIM仿真系统平台需求，提出了一种BIM模型轻量化技术的应用方法，用以解决在多源异构模型数据汇集时遇到的性能相关问题，对于BIM的实际应用十分必要。基于开发的BIM仿真系统，通过多个样本和指标验证了所提出的方法在BIM应用中的有效性。

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（编辑：刘 媛）

Research and implementation of lightweight technology of BIM model

SUN Yuan1，3，WANG Guoguang1，2，3，ZHAO Xingying1，2，3，WANG Yang1，3，DONG Daluan4

（1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China; 2.Zhejiang Engineering Digital Research Center，Hangzhou 311122，China; 3.Zhejiang Huadong Engineering Digital Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China; 4.Zhejiang Huadong Construction Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China）

Abstract：

At present，the application of building information model （BIM） in projects is becoming more urgent in China，however the massive model of BIM with jumbled data seriously restricts the use of BIM technology in practical applications.Large BIM models have the problems of slow loading and stuck display in the display process.Therefore，it was proposed to build a BIM lightweight system，and provided a review and browsing platform for a large number of BIM models by self-developed BIM simulation system platform.Four methods were used to build BIM lightweight system，geometric simplification algorithm，rendering optimization algorithm，file format optimization and data structure design.The triangular surface of BIM model was optimized by edge folding algorithm.According to the model of multi-source heterogeneous data，the file format and data structure were designed.At the rendering level，the combination of PagedLOD technology and geometric simplified model，the double-thread method of rejection and rendering，and the rendering optimization technology of batch rendering were researched and implemented independently to complete the preliminary construction of BIM lightweight system and verified it in the platform.The results showed that the application of lightweight method system made the platform quickly load a large number of BIM models and smoothly display them，and had ability to display multi-source heterogeneous data models on the same platform

Key words：

BIM;model lightweight technology;PagedLOD;double-thread method