考虑几何特征的BIM模型轻量化方法研究

陈科　张力　管林杰　严亚敏　李伟哲

摘要：针对现有BIM模型几何图形化简的不足，设计了一种考虑BIM模型几何特征的轻量化化简方法。首先获取BIM模型体的表面几何数据，然后根据BIM模型某一格网的顶点个数判断其是否为三角面片。当多边形为三角面时，对其进行三角面片合并化简，接着对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简。根据短边原则，将多边形边界线化简后删除的点移至相邻边中短边的另一顶点处。最后，根据获取的材质信息，对化简后的模型赋予对应的材质属性。针对一建筑实例的应用表明：该化简方法能够快速实现对BIM模型几何数据的三角面片和边界的化简，并通过对合并后面形状的判断，保留BIM模型原有几何图形特征。

关键词：BIM; 三角面片; 几何特征; BIM模型; 轻量化

中图法分类号： TP391

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.035

0引 言

BIM模型一般较为精细、体量大、构件多，在可视化和信息管理过程中存在BIM模型加载速度慢、渲染效率低、体验差、系统易崩溃等问题，严重影响用户体验，有时甚至难以满足实际应用的需求，因此，需要对BIM模型数据进行轻量化处理。轻量化已经是BIM业界人所共知的一个概念，虽然至今没有任何严谨的学术或者理论定义，但是这个概念已经几乎成为了行业的标准[1-2]。BIM模型轻量化简单来说就是对BIM模型中三维几何数据和过程属性信息的数据压缩，涉及包括纹理图片、材质信息、二维图形信息以及软件特有的附加信息等其他非三维几何数据和过程属性信息[3-4]。

目前主要从2个方面考虑BIM模型的轻量化：① BIM模型冗余属性信息的剔除[5-7]。采用面分类法等将工程相关内容分解为多个维度，使数据覆盖空间结构、时间、成本和运维（后期监测及管理等）等信息。再在各维度内采用线分类法按层次分解，设计制定BIM过程信息数据库表结构。如根据工程的全生命期各阶段进行划分：在规划阶段的人员、空间、时间规划等，在设计阶段基于规划成果的人员、空间、时间以及设施清单等，在施工阶段人员、空间、时间、设施、设备资料等，在施工交付后运维阶段的人员、设备测试、序列号、安装日期、操作和维护手册等，以及在工程退役阶段的设备安装日期、使用年限、维修记录等，并添加阶段标识属性项。根据BIM模型应用目的和应用阶段，以及BIM属性信息的阶段标识，对不属于相应应用阶段的属性信息进行剔除，从而减少BIM属性信息数据量。② BIM模型几何图形的化简[8-11]。在几何图形化简过程中，一般首先对BIM模型进行三角面片化，越多的三角面片会使三维体模型看上去更加精细，反之则越粗糙。因此，会采用多个细节层次LOD（Levels of Details，层次细节模型）对三角面片化后的BIM模型进行分级压缩。随着化简层级的加深，现有大多数方法在几何化简过程中仅考虑对三角格网点的删减，未考虑删减格网点后重构的三角面片是否存在破面，以及在保持原有几何图形特征的前提下如何删减三角格网点的问题。因此，为了满足BIM模型实际应用的需要，亟需设计一种既可以保留BIM模型几何特征与必要的属性信息，又能够对BIM模型三角化后的格网点进行删减，以减少三角面片数量的BIM模型几何图形化简方法，从而实现对大体量BIM模型数据的顺畅浏览和管理。

3BIM模型几何形状化简方法

本文设计的考虑BIM模型几何特征的化简方法，仅是指对BIM模型中三维几何数据的压缩，不涉及纹理图片、材质信息、二维图形信息、软件特有的附加信息以及过程属性信息等其他非三维几何数据。在对符合化简要求的三角面片进行删减时，不是直接对构建三角面片的格网点进行删除，而是对符合化简要求的三角面片先进行合并处理。合并为同一平面后，对合并后的面片进行边界线化简，基于化简后边界线的点进行三角网重构。首先利用BIM软件的数据导出功能，将BIM模型数据导出为IFC格式数据，获取BIM模型的材质信息和表面几何数据。然后根据BIM模型几何数据中多边形的顶点个数判断其是否由三角面构成，若是，则对其进行三角面片合并化简，然后对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简;若不是由三角面构成，则直接对该表面进行边界线化简。最后根据获取的材质信息，对化简后的模型赋予对应的材质属性，具体流程如图1所示。

在BIM三维几何数据化简过程中，基于三点法的边界线化简具体实施步骤如下：

（1） 选择多边形的任意顶点为起始点，按照顺时针对各顶点进行标识。

（2） 从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近3点作为一个分析单元，计算它们所组成的2条直线的夹角。

（3） 判断夹角大小与设定的阈值的关系。若夹角小于或等于设定的阈值，则判断该三点共线，删除中间点，加入下一个点构成新的分析单元;若夹角大于阈值，则保留中心点，继续遍历，直至所有顶点判断完毕。

三角面片的合并化简具体步骤如下（见图2）：

（1） 将所有三角面片标记为0。

（2） 统计标记为0的三角面片个数为N0。若N0=0，则三角面片合并化简结束;若N0>0，任意选择某一标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1。

（3） 顺时针标识种子面片的三个顶点。

（4） 获取与种子面片A相邻且标记为0的面片Aii=1，2，…，n，其中，n为面片个数。

（5） 计算种子面片A与相邻三角面片Ai的夹角θi。

（6） 判断夹角θi（见图3）与面合并阈值的关系。若θi≤阈值，则判断三角面片Ai与种子面片A共面，执行步骤（7）～（9）;若θi>阈值，判断三角面片Ai与种子面片A不共面，则判断下一个三角面片，跳转至步骤（5）。若相邻面片都判断完毕，则统计标记为1的三角面片的个数为N，若N=1，将种子面片A重新标记为2，跳轉至步骤（2）;若N>1，执行步骤（10）～（13）。

（7） 将Ai标记为1，获取三角面片Ai与A相邻边的两端点标识。

（8） 若端点的标识是相连的，则将三角面片Ai的另一个顶点插入相邻边的两端点之间;若不相连，则将Ai的另一个顶点标识为相邻边两端点标识的大值+1。

（9） 跳转至步骤（2）。

（10） 将所有标记为1的三角面片顶点投影至种子面片A所在的平面。

（11） 将所有投影点按照原顶点标识进行相应的标识。

（12） 按照投影点标识顺序依次连接，构建合并后多边形。

（13） 将重构的多边形标记为2，跳转至步骤（2）。

4实验分析

目前，各大设计单位都在大力推进三维设计，BIM成果越来越多，大量高精度的BIM模型可以作为验证本文方法有效性的重要数据来源。本实验数据来自由Revit软件生产的一棟大楼的LOD300数据。

将Revit软件生产的BIM模型转换为IFC格式。在Revit软件中打开BIM模型文件，选择导出IFC功能，将BIM数据转换为IFC格式，将转换得到的IFC数据进行三角格网面片合并。设置面片合并阈值为10°，通过对相邻共边三角面片之间夹角大小的判断相邻共边三角面片是否共面，当夹角小于或等于10°时，则认为两三角面片共面，将该相邻共边的两三角面片进行标识。然后继续对已标识的相邻三角面片进行判断和标识，通过选择基准投影面将标识为共面的三角面片进行合并，并连接合并后的面顶点构成一个面。遍历所有三角面片，直至所有三角面片判断完毕，对遍历后未标识的三角面片不进行处理。对三角面片合并后的IFC数据进行边界线化简。设置相邻3点共线的夹角阈值为160°，选择边界线的任意顶点为起始点，按照顺时针对各顶点进行标识：从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近3点作为一个分析单元，计算它们所组成的2条直线的夹角。当夹角大于或等于160°时，认为3点共线，删除中间点，仍然从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近3点作为一个分析单元进行判断;当夹角小于160°时，不做处理，从第2点开始选择多边形边界线上的邻近3点作为一个分析单元继续进行判断。

经过边界线和三角面片合并化简后，该建筑物原始数据量从1 948 kB减少到253 kB，模型可视化效果对比如图4所示。可以看出：在显示效果上化简后数据与原始数据差别不大，完全可以满足实际可视化要求，但是数据量压缩至原始数据量的1/8左右。

同时，针对现有未考虑BIM模型几何特征的三角化+LOD的方法，将本文的几何化简方法与之对比，化简后的BIM模型线划图和可视化效果对比如图5和图6所示。由图可以明显看出，现有方法由于在几何化简过程中未考虑几何图形特征，造成化简后构成门窗的三角面片存在破面，而本文方法在几何图形化简后能有效保持BIM模型的几何特征。

5结 论

（1） 本文利用三点法和面投影合并法，能够快速实现对BIM模型几何数据的三角面片和边界的化简;通过对合并后面形状的判断，能够保留BIM模型原有几何图形特征;有效避免现有技术对BIM模型几何数据化简后，未能保持原有几何图形特征，存在破面的问题。

（2） 本文利用三点法和三角面片合并化简实现了BIM模型几何数据的边界线和组成面的化简，在保留BIM模型几何特征与必要的属性信息的同时，能够顺畅浏览和管理大体量模型数据。

（3） 结合相邻三点法和三角面片合并法，本文对三角面和其他多边形面进行了区别化简，兼顾了BIM模型几何图形的边界线和三角面化简。在化简过程中，保留了BIM模型原有几何图形特征。

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（编辑：郑 毅）