基于GIS的抽殼技術(shù)在BIM模型輕量化中的應(yīng)用

張業(yè)星 張成濤

摘要：基于GIS軟件的分析技術(shù)，提出了一種BIM模型抽殼輕量化方法?；诳梢曈蚍治龅某闅し椒ê途彌_區(qū)分析的抽殼方法，運(yùn)用簡單規(guī)則的BIM模型和復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型，比較了2種方法處理的BIM模型構(gòu)件的精細(xì)程度和處理時長。結(jié)果表明：① 可視域分析的抽殼方法只適用于簡單規(guī)則的BIM模型，處理時間快，精度高;② 緩沖區(qū)分析的抽殼方法可適用于復(fù)雜但不規(guī)則的BIM模型，構(gòu)件精度高，然而抽殼時間較慢。對比抽殼前后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：BIM模型在進(jìn)行抽殼后得到的數(shù)據(jù)，無論是內(nèi)存大小還是WebGL上顯示的平均幀率，都得到了較大程度的優(yōu)化，使得大數(shù)據(jù)量的BIM模型能被較好地交互瀏覽。

關(guān) 鍵 詞：抽殼方法; 模型輕量化; BIM模型; GIS

中圖法分類號： TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.035

0 引 言

GIS（地理信息系統(tǒng)）是對地理空間信息進(jìn)行描述、采集、處理、存儲、管理、分析和應(yīng)用[1]。

建筑信息模型（Building Information Modeling）是基于三維數(shù)字技術(shù)，在計算機(jī)中建立集成建筑工程在生命周期中的各種工程相關(guān)信息的數(shù)字化信息模型，是數(shù)字技術(shù)在建筑業(yè)中的直接應(yīng)用[2]。

輕量化是指在保證模型數(shù)據(jù)的安全性及效果的同時，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮以減少模型體量的一種方式[3]。BIM 輕量化是BIM 技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外對于BIM輕量化已有相關(guān)的研究。Song等[4]設(shè)計了一種通過識別模型特征而得到細(xì)節(jié)層次模型的算法;李建軍等[5]根據(jù)模型特征生成了細(xì)節(jié)層次模型，并且對該模型進(jìn)行了邊折疊操作;羅年猛等[6]基于頂點(diǎn)刪除法，提出了一種新的、能夠較好地獲取模型平面的算法，該算法可以填補(bǔ)簡化后的部分頂點(diǎn);Seo等[7]提出了一種利用 Wrap-around 的簡化算法，該算法根據(jù)細(xì)節(jié)層次可抑制特征的刪除序列，生成所需要的細(xì)節(jié)層次模型;Lee [8]提出的算法，無論特征重排正或負(fù)，都能生成合理的、形狀外觀相同的LOD 模型;王啟富等[9]提出了一種適合于工程應(yīng)用的輕量化算法，能夠?qū)υ寄Ｐ瓦M(jìn)行簡化，保證一定精度條件下模型具有較高的壓縮比;張小兵[10]將模型分為細(xì)微結(jié)構(gòu)替換、表面特征處理、裝配間隙縫合和模型抽殼等4個過程，實(shí)現(xiàn)了模型的輕量化;殷明強(qiáng)[11]提出了一種簡化算法，這種算法能夠保證模型在外觀不變的情況下，達(dá)到較好的簡化效果;Song等[12]提出了一種能夠直接得到基于邊界表示模型的一系列細(xì)節(jié)層次模型的Wraparound方法;Hoppe[13]通過搜索特征邊和平面區(qū)域，利用邊折疊來實(shí)現(xiàn)簡化功能;Schroeder等[14]提出了移去頂點(diǎn)的網(wǎng)格算法;薛輝[15]則提出一種降維的實(shí)體模型簡化方法，該方法對于復(fù)雜模型的簡化具有一定的優(yōu)勢。

與上述方法不同，本文基于GIS軟件的分析技術(shù)，提出了2種獲取BIM模型外殼的方法，并分析了這2種研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)，再取其中最優(yōu)的方法來闡述其在BIM模型中的應(yīng)用。

1 研究方法

1.1 可視域分析

可視域分析基于一個或多個目視點(diǎn)，在給定長度范圍和方向范圍內(nèi)來觀察所能看到的區(qū)域?；贕IS技術(shù)的可視域分析方法，可對BIM模型的4個方向進(jìn)行可視域分析（見圖1）。

從圖1可以看出：綠色部分為可見，紅色部分為不可見。根據(jù)可視域分析，可以從BIM模型的4個方向?qū)IM模型分為可見部分和不可見的部分?？梢姷牟糠旨礊橥鈿?，不可見的部分即為內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以此達(dá)到 BIM模型抽殼的結(jié)果。技術(shù)路線如圖2所示。

從圖2的技術(shù)路線可以看出：該方法首先通過GIS技術(shù)的可視域分析，分別從BIM模型的4個方向提取外殼;根據(jù)提取外殼后所生成的是否可見的屬性，將可見部分屬性提取出來，生成BIM模型外殼。然后，再利用GIS切片技術(shù)將BIM模型的外殼進(jìn)行切片，在WebGL上進(jìn)行可視化及交互。

1.2 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是指以點(diǎn)、線、面實(shí)體為基礎(chǔ)，自動建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的緩沖區(qū)多邊形圖層，然后建立該圖層與目標(biāo)圖層的疊加，進(jìn)行分析后得到所需要的結(jié)果。技術(shù)路線如圖3所示。

從圖3可以看出：

（1） 該方法基于“BIM+GIS”，對BIM模型根據(jù)樓層屬性提取每層的樓板和構(gòu)件。

（2） 將提取的每層樓板設(shè)置投影面（見圖4），便BIM模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維面數(shù)據(jù)。

（3） 將每層樓板的投影面向房屋內(nèi)部緩沖0.2 m，以此生成的緩沖區(qū)多邊形圖層在樓板投影面的基礎(chǔ)上往內(nèi)縮減0.2 m的范圍（見圖5）。

（4） 將生成的緩沖區(qū)多邊形圖層與提取的每層構(gòu)件進(jìn)行緩沖區(qū)分析，基于分析結(jié)果，建立該圖層與BIM模型構(gòu)件的空間關(guān)系。其中，與樓板緩沖區(qū)相交的歸為內(nèi)部構(gòu)件，與樓板緩沖區(qū)不相交的歸為外部構(gòu)件。

（5） 利用GIS切片技術(shù)將BIM模型的外殼進(jìn)行切片，在WebGL上進(jìn)行可視化及交互。

1.3 兩種抽殼方法的比較

以一種簡單規(guī)則的BIM模型（見圖6）和復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型（見圖7）為例，分別運(yùn)用可視域分析的抽殼方法和緩沖區(qū)分析的抽殼方法，對簡單規(guī)則模型和復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型進(jìn)行處理。

1.3.1 簡單規(guī)則模型

對于簡單規(guī)則模型，將經(jīng)過可視域分析方法和緩沖區(qū)分析方法處理后的模型效果圖和處理時長進(jìn)行對比。

從圖8和圖9可以看出：對于簡單規(guī)則模型來說，可視域分析的抽殼方法精度高，與未進(jìn)行抽殼的 BIM模型構(gòu)件精細(xì)化程度相比，肉眼差異不大;而且基于可視域分析的抽殼方法的處理時長要優(yōu)于緩沖區(qū)分析的抽殼方法，其中可視域分析可瞬時處理，緩沖區(qū)分析需7 s。

1.3.2 復(fù)雜不規(guī)則模型

對于復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型，將經(jīng)過可視域分析的抽殼方法和緩沖區(qū)分析的抽殼方法處理后的模型效果圖和處理時長進(jìn)行對比分析。

從圖10和圖11可以看出：對于復(fù)雜不規(guī)則的 BIM模型來說，即 BIM模型表面有凹陷的情況，可視域分析的抽殼方法在處理時長上要優(yōu)于緩沖區(qū)分析的抽殼方法，其中可視域分析可瞬時處理，緩沖區(qū)分析需要3 min 57 s。但是根據(jù)圖10和圖11的對比可以看出，可視域分析的抽殼方法處理結(jié)果的模型精細(xì)度要大大低于緩沖區(qū)分析的抽殼方法。

可視域分析的抽殼方法對于簡單規(guī)則的BIM模型而言，處理時間快、精度高;對于外形復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型而言，處理時間快、精度低。緩沖區(qū)分析的抽殼方法對于簡單規(guī)則的BIM模型而言，處理時間快、精度較高;對于復(fù)雜不規(guī)則模型的BIM而言，處理時間慢、精度高。因此，可視域分析的抽殼方法只適用于簡單規(guī)則的BIM模型，而緩沖區(qū)分析的抽殼方法則適用于復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型。

由于實(shí)際項(xiàng)目中外形復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型應(yīng)用居多，因此大部分需要采用基于緩沖區(qū)分析的抽殼方法。所以后續(xù)介紹的 BIM模型輕量化的應(yīng)用，也是基于緩沖區(qū)分析的方法。

2 抽殼技術(shù)的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)瀏覽

體量較大的BIM模型在沒有采用抽殼技術(shù)進(jìn)行輕量化以前，模型加載時易出現(xiàn)延遲、卡頓、閃面以及懶加載的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致加載效率低、模型顯示不完整等問題。在采用抽殼技術(shù)后，模型瀏覽時的延遲、卡頓、閃面以及懶加載的問題得到了很好的解決，使模型在大場景下可以完全、很好地展示出來，加載效率得到了很大的提升。同時，在采用大場景查看BIM模型時，只顯示外部構(gòu)件（即外殼），視角拉近時才顯示內(nèi)部構(gòu)件，這樣大大改善了數(shù)據(jù)瀏覽初始化及加載過程中的一系列卡頓問題。

以上述復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型為例，對模型抽殼前后的內(nèi)存大小及其平均幀率大小進(jìn)行對比分析（見表1）。

從表1可以看出：原始數(shù)據(jù)直接切片緩存后所得到的緩存數(shù)據(jù)內(nèi)存大小有了大幅下降;原始數(shù)據(jù)抽殼后再進(jìn)行切片緩存，所得到的緩存數(shù)據(jù)內(nèi)存大小較原始數(shù)據(jù)直接生成緩存的數(shù)據(jù)還有所下降，說明抽殼方法對于模型內(nèi)存的降低具有重要作用。

幀率是對顯示幀數(shù)的度量。平均幀率越低，表明數(shù)據(jù)瀏覽越卡頓;平均幀率越高，表明數(shù)據(jù)瀏覽越流暢。從表1可以看出：原始數(shù)據(jù)的平均幀率最低，即數(shù)據(jù)瀏覽最卡頓;原始數(shù)據(jù)抽殼后進(jìn)行切片緩存的平均幀率最高，即數(shù)據(jù)瀏覽最流暢;原始數(shù)據(jù)抽殼后進(jìn)行切片緩存的平均幀率，比原始數(shù)據(jù)直接切片緩存的平均幀率要高，說明抽殼后數(shù)據(jù)的流暢度提高了。

2.2 輔助決策

大量復(fù)雜的BIM模型不僅影響數(shù)據(jù)瀏覽的顯示效果，而且BIM模型的懶加載現(xiàn)象還會影響工程項(xiàng)目的輔助決策。BIM模型的懶加載經(jīng)常會導(dǎo)致決策人降低對于前后模型的關(guān)聯(lián)，會出現(xiàn)觀看了前面模型而遺忘后面未顯示的模型，觀看了后面模型而遺忘前面未顯示的模型。而BIM模型輕量化技術(shù)改善了模型懶加載現(xiàn)象，對于工程項(xiàng)目的輔助決策具有重要意義。

2.3 降低電腦配置要求

大量復(fù)雜的BIM模型對于電腦的配置要求比較高，在進(jìn)行模型輕量化之后不但降低了內(nèi)存，而且對電腦的配置要求比較低。從表1可以看出，抽殼后的數(shù)據(jù)內(nèi)存大小有比較明顯的減小。由此，抽殼方法對于大量復(fù)雜的BIM模型來說，將大幅減小對內(nèi)存的占用，從而降低了對電腦配置的要求。

3 結(jié) 論

本文利用GIS技術(shù)和BIM技術(shù)各自的特點(diǎn)與優(yōu)勢，在利用切片技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了更深層次的BIM模型輕量化方法。介紹了可視域分析方法的抽殼方法和緩沖區(qū)分析方法的抽殼方法，并且利用簡單規(guī)則的BIM模型和復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型，比較了2種方法處理的精細(xì)度和處理時長，得出：

（1） 可視域分析只適用于簡單規(guī)則的BIM模型，處理時間快，精度高。

（2） 緩沖區(qū)分析的抽殼方法精度高，可適用于復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型，但抽殼時間較長。

應(yīng)用緩沖區(qū)分析的抽殼方法對復(fù)雜不規(guī)則的BIM模型進(jìn)行輕量化處理，經(jīng)對抽殼前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以得出：

（1） 抽殼的數(shù)據(jù)無論是內(nèi)存大小和幀率部分都有顯著的優(yōu)化。

（2） 抽殼還對BIM模型的數(shù)據(jù)瀏覽、輔助決策和降低電腦配置方面具有積極意義。

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（編輯：趙秋云）

Application of GIS-based shell-extracting method in lightweight of BIM model

ZHANG Yexing，ZHANG Chengtao

（Powerchina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 310000，China）

Abstract：

In this paper，a BIM model lightweight method of shell-extraction was proposed based on GIS software.According to two shell-extraction methods of viewshed analysis and buffer zone analysis，we compared the refinement degree and processing time of BIM model lightweight by the two methods that are applied to the simple regular BIM model and the complex irregular BIM model.The results showed that：① the shell-extracting method of viewshed analysis was only applicable to the simple and regular BIM model，with fast processing time and high precision;② the shell-extracting method of buffer zone analysis could be applied to complex and irregular BIM models with high precision model components but long shell-extraction time.By comparing the data before and after shell extraction，it was concluded that the data obtained by BIM model after shell extraction was greatly optimized in terms of both memory size and average frame rate displayed on WebGL，which made the BIM model with large amount of data to be browsed interactively.

Key words：

shell-extracting method;model lightweight;BIM model;GIS