基于GIS的抽壳技术在BIM模型轻量化中的应用

张业星 张成涛

摘要：基于GIS软件的分析技术，提出了一种BIM模型抽壳轻量化方法。基于可视域分析的抽壳方法和缓冲区分析的抽壳方法，运用简单规则的BIM模型和复杂不规则的BIM模型，比较了2种方法处理的BIM模型构件的精细程度和处理时长。结果表明：① 可视域分析的抽壳方法只适用于简单规则的BIM模型，处理时间快，精度高;② 缓冲区分析的抽壳方法可适用于复杂但不规则的BIM模型，构件精度高，然而抽壳时间较慢。对比抽壳前后的数据发现：BIM模型在进行抽壳后得到的数据，无论是内存大小还是WebGL上显示的平均帧率，都得到了较大程度的优化，使得大数据量的BIM模型能被较好地交互浏览。

关 键 词：抽壳方法; 模型轻量化; BIM模型; GIS

中图法分类号： TP391.41

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.035

0 引 言

GIS（地理信息系统）是对地理空间信息进行描述、采集、处理、存储、管理、分析和应用[1]。

建筑信息模型（Building Information Modeling）是基于三维数字技术，在计算机中建立集成建筑工程在生命周期中的各种工程相关信息的数字化信息模型，是数字技术在建筑业中的直接应用[2]。

轻量化是指在保证模型数据的安全性及效果的同时，对相关数据进行压缩以减少模型体量的一种方式[3]。BIM 轻量化是BIM 技术发展的关键技术之一，国内外对于BIM轻量化已有相关的研究。Song等[4]设计了一种通过识别模型特征而得到细节层次模型的算法;李建军等[5]根据模型特征生成了细节层次模型，并且对该模型进行了边折叠操作;罗年猛等[6]基于顶点删除法，提出了一种新的、能够较好地获取模型平面的算法，该算法可以填补简化后的部分顶点;Seo等[7]提出了一种利用 Wrap-around 的简化算法，该算法根据细节层次可抑制特征的删除序列，生成所需要的细节层次模型;Lee [8]提出的算法，无论特征重排正或负，都能生成合理的、形状外观相同的LOD 模型;王启富等[9]提出了一种适合于工程应用的轻量化算法，能够对原始模型进行简化，保证一定精度条件下模型具有较高的压缩比;张小兵[10]将模型分为细微结构替换、表面特征处理、装配间隙缝合和模型抽壳等4个过程，实现了模型的轻量化;殷明强[11]提出了一种简化算法，这种算法能够保证模型在外观不变的情况下，达到较好的简化效果;Song等[12]提出了一种能够直接得到基于边界表示模型的一系列细节层次模型的Wraparound方法;Hoppe[13]通过搜索特征边和平面区域，利用边折叠来实现简化功能;Schroeder等[14]提出了移去顶点的网格算法;薛辉[15]则提出一种降维的实体模型简化方法，该方法对于复杂模型的简化具有一定的优势。

与上述方法不同，本文基于GIS软件的分析技术，提出了2种获取BIM模型外壳的方法，并分析了这2种研究方法的优缺点，再取其中最优的方法来阐述其在BIM模型中的应用。

1 研究方法

1.1 可视域分析

可视域分析基于一个或多个目视点，在给定长度范围和方向范围内来观察所能看到的区域。基于GIS技术的可视域分析方法，可对BIM模型的4个方向进行可视域分析（见图1）。

从图1可以看出：绿色部分为可见，红色部分为不可见。根据可视域分析，可以从BIM模型的4个方向将BIM模型分為可见部分和不可见的部分。可见的部分即为外壳，不可见的部分即为内部结构，以此达到 BIM模型抽壳的结果。技术路线如图2所示。

从图2的技术路线可以看出：该方法首先通过GIS技术的可视域分析，分别从BIM模型的4个方向提取外壳;根据提取外壳后所生成的是否可见的属性，将可见部分属性提取出来，生成BIM模型外壳。然后，再利用GIS切片技术将BIM模型的外壳进行切片，在WebGL上进行可视化及交互。

1.2 缓冲区分析

缓冲区分析是指以点、线、面实体为基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形图层，然后建立该图层与目标图层的叠加，进行分析后得到所需要的结果。技术路线如图3所示。

从图3可以看出：

（1） 该方法基于“BIM+GIS”，对BIM模型根据楼层属性提取每层的楼板和构件。

（2） 将提取的每层楼板设置投影面（见图4），便BIM模型数据转换为二维面数据。

（3） 将每层楼板的投影面向房屋内部缓冲0.2 m，以此生成的缓冲区多边形图层在楼板投影面的基础上往内缩减0.2 m的范围（见图5）。

（4） 将生成的缓冲区多边形图层与提取的每层构件进行缓冲区分析，基于分析结果，建立该图层与BIM模型构件的空间关系。其中，与楼板缓冲区相交的归为内部构件，与楼板缓冲区不相交的归为外部构件。

（5） 利用GIS切片技术将BIM模型的外壳进行切片，在WebGL上进行可视化及交互。

1.3 两种抽壳方法的比较

以一种简单规则的BIM模型（见图6）和复杂不规则的BIM模型（见图7）为例，分别运用可视域分析的抽壳方法和缓冲区分析的抽壳方法，对简单规则模型和复杂不规则的BIM模型进行处理。

1.3.1 简单规则模型

对于简单规则模型，将经过可视域分析方法和缓冲区分析方法处理后的模型效果图和处理时长进行对比。

从图8和图9可以看出：对于简单规则模型来说，可视域分析的抽壳方法精度高，与未进行抽壳的 BIM模型构件精细化程度相比，肉眼差异不大;而且基于可视域分析的抽壳方法的处理时长要优于缓冲区分析的抽壳方法，其中可视域分析可瞬时处理，缓冲区分析需7 s。

1.3.2 复杂不规则模型

对于复杂不规则的BIM模型，将经过可视域分析的抽壳方法和缓冲区分析的抽壳方法处理后的模型效果图和处理时长进行对比分析。

从图10和图11可以看出：对于复杂不规则的 BIM模型来说，即 BIM模型表面有凹陷的情况，可视域分析的抽壳方法在处理时长上要优于缓冲区分析的抽壳方法，其中可视域分析可瞬时处理，缓冲区分析需要3 min 57 s。但是根据图10和图11的对比可以看出，可视域分析的抽壳方法处理结果的模型精细度要大大低于缓冲区分析的抽壳方法。

可视域分析的抽壳方法对于简单规则的BIM模型而言，处理时间快、精度高;对于外形复杂不规则的BIM模型而言，处理时间快、精度低。缓冲区分析的抽壳方法对于简单规则的BIM模型而言，处理时间快、精度较高;对于复杂不规则模型的BIM而言，处理时间慢、精度高。因此，可视域分析的抽壳方法只适用于简单规则的BIM模型，而缓冲区分析的抽壳方法则适用于复杂不规则的BIM模型。

由于实际项目中外形复杂不规则的BIM模型应用居多，因此大部分需要采用基于缓冲区分析的抽壳方法。所以后续介绍的 BIM模型轻量化的应用，也是基于缓冲区分析的方法。

2 抽壳技术的应用

2.1 数据浏览

体量较大的BIM模型在没有采用抽壳技术进行轻量化以前，模型加载时易出现延迟、卡顿、闪面以及懶加载的现象，从而导致加载效率低、模型显示不完整等问题。在采用抽壳技术后，模型浏览时的延迟、卡顿、闪面以及懒加载的问题得到了很好的解决，使模型在大场景下可以完全、很好地展示出来，加载效率得到了很大的提升。同时，在采用大场景查看BIM模型时，只显示外部构件（即外壳），视角拉近时才显示内部构件，这样大大改善了数据浏览初始化及加载过程中的一系列卡顿问题。

以上述复杂不规则的BIM模型为例，对模型抽壳前后的内存大小及其平均帧率大小进行对比分析（见表1）。

从表1可以看出：原始数据直接切片缓存后所得到的缓存数据内存大小有了大幅下降;原始数据抽壳后再进行切片缓存，所得到的缓存数据内存大小较原始数据直接生成缓存的数据还有所下降，说明抽壳方法对于模型内存的降低具有重要作用。

帧率是对显示帧数的度量。平均帧率越低，表明数据浏览越卡顿;平均帧率越高，表明数据浏览越流畅。从表1可以看出：原始数据的平均帧率最低，即数据浏览最卡顿;原始数据抽壳后进行切片缓存的平均帧率最高，即数据浏览最流畅;原始数据抽壳后进行切片缓存的平均帧率，比原始数据直接切片缓存的平均帧率要高，说明抽壳后数据的流畅度提高了。

2.2 辅助决策

大量复杂的BIM模型不仅影响数据浏览的显示效果，而且BIM模型的懒加载现象还会影响工程项目的辅助决策。BIM模型的懒加载经常会导致决策人降低对于前后模型的关联，会出现观看了前面模型而遗忘后面未显示的模型，观看了后面模型而遗忘前面未显示的模型。而BIM模型轻量化技术改善了模型懒加载现象，对于工程项目的辅助决策具有重要意义。

2.3 降低电脑配置要求

大量复杂的BIM模型对于电脑的配置要求比较高，在进行模型轻量化之后不但降低了内存，而且对电脑的配置要求比较低。从表1可以看出，抽壳后的数据内存大小有比较明显的减小。由此，抽壳方法对于大量复杂的BIM模型来说，将大幅减小对内存的占用，从而降低了对电脑配置的要求。

3 结 论

本文利用GIS技术和BIM技术各自的特点与优势，在利用切片技术的基础上，提出了更深层次的BIM模型轻量化方法。介绍了可视域分析方法的抽壳方法和缓冲区分析方法的抽壳方法，并且利用简单规则的BIM模型和复杂不规则的BIM模型，比较了2种方法处理的精细度和处理时长，得出：

（1） 可视域分析只适用于简单规则的BIM模型，处理时间快，精度高。

（2） 缓冲区分析的抽壳方法精度高，可适用于复杂不规则的BIM模型，但抽壳时间较长。

应用缓冲区分析的抽壳方法对复杂不规则的BIM模型进行轻量化处理，经对抽壳前后的数据进行对比，可以得出：

（1） 抽壳的数据无论是内存大小和帧率部分都有显著的优化。

（2） 抽壳还对BIM模型的数据浏览、辅助决策和降低电脑配置方面具有积极意义。

参考文献：

[1] 刘晨辰，翟晓莉.BIM-GIS技术在城市建设中的运用分析[J].中国标准化，2016（17）：155-156.

[2] 李敏辉，谭辉煌，邱杰，等.基于WebGL的BIM可视化方案研究[J].施工技术，2018，47（A3）：26-30.

[3] 刘清华，刘云华，万立.支持协同的三维轻量化模型与圈阅工具的研究[J].计算机集成制造系统，2006（9）：1385-1390.

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[13] HOPPE H.Progressive meshes[C]∥Proceedings of the 24th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques，New York，1996.

[14] SCHROEDER W J，ZARGE J A，LORENSEN W E.Decimation of triangle meshes[C]∥Proceedings of the 19th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques，New York，1992，26（2）.

[15] 薛辉.面向协同装配设计的实体模型简化研究[D].杭州：浙江大学，2006.

（编辑：赵秋云）

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