基于Web流式加載的BIM輕量化技術(shù)研究與應(yīng)用

饒平平 趙思凡 張學亮

(1.上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093； 2.同納檢測認證集團有限公司，上海 200331)

引言

當前，國內(nèi)外工程應(yīng)用各階段對BIM的需求呈現(xiàn)出從靜態(tài)的、交互性差的模型展示轉(zhuǎn)向共享化、網(wǎng)絡(luò)化的趨勢[1]。BIM技術(shù)雖然早已應(yīng)用于建筑行業(yè)，但在初期很多工程交付過程中，仍以BIM本地文件的形式進行數(shù)據(jù)傳遞，再通過安裝特定的客戶端軟件查看模型。這些模型數(shù)據(jù)量大且傳遞方式不實時，從而大大降低了BIM技術(shù)在工程應(yīng)用中的便捷性[2]。

在BIM模型輕量化方面，Autodesk Revit 軟件系列的模型存儲為rvt 格式； 晁陽等[3]通過將BIM模型導出為fbx格式文件實現(xiàn)Web端可視化，但輕量化程度遠遠不夠且瀏覽器渲染效果一般；薛建英等[4]將Revit模型轉(zhuǎn)化為json格式文件，進行瀏覽器的渲染，但輕量化強度仍達不到工程廣泛使用的要求； 楊李東等[5]研究了3D Tiles 相關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復雜，輕量化效果不理想； 呂婧等[6]通過將Revit模型轉(zhuǎn)化為gltf格式文件，實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的輕量化，但卻未深入考慮各專業(yè)模型轉(zhuǎn)化的適用性問題。

近年來，眾多BIM工作團隊為提高模型查看效率開展了一系列研究。例如，BIMFACE[7]嘗試網(wǎng)絡(luò)端BIM顯示，同時需要用戶將模型上傳至其服務(wù)器，再通過模型在線轉(zhuǎn)換調(diào)取文件API接口進行網(wǎng)頁開發(fā)，才能實現(xiàn)客戶端對BIM模型的瀏覽； 魯班等團隊[8]研發(fā)的平臺需要同樣的邏輯操作，這些操作雖然初步實現(xiàn)了模型輕量化Web端展示，但用戶使用仍受制于特定的客戶端及平臺。除此之外，直接將工程信息上傳到第三方平臺會對重大工程的信息保護構(gòu)成很大威脅。

基于此，本文使用BIM模型輕量化轉(zhuǎn)換方案，搭載Web流式加載技術(shù)，結(jié)合工程實際應(yīng)用需求，統(tǒng)一了文件格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了模型渲染技術(shù)，設(shè)計了工程數(shù)據(jù)篩選思路，實現(xiàn)了基于Web端輕量化平臺展示流暢的渲染效果，對BIM輕量化方案作出了一定的優(yōu)化，提高了BIM模型查看效率和平臺使用流暢度，使其更加滿足實際工程應(yīng)用需要。

1 BIM輕量化理論研究

未來的BIM應(yīng)用會趨于輕量化，這一趨勢最明顯的變化就是由厚重的客戶端向Web端轉(zhuǎn)變的過程。由于Web端無法直接處理rvt文件，Revit模型需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能在Web端顯示。而Web端支持的模型格式較為廣泛，如xml、obj、3ds、json、dae、gltf等格式。其中，gltf能用于許多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，也滿足服務(wù)器與客戶端之間的數(shù)據(jù)交換格式，并且相對來說數(shù)據(jù)量很小，是BIM數(shù)據(jù)從客戶端向Web端轉(zhuǎn)型的重要形式之一。

本文輕量化技術(shù)選擇“gltf格式數(shù)據(jù)+流式加載”的輕量化模式，在實現(xiàn)BIM應(yīng)用模塊整體輕量化的同時，還保證了數(shù)據(jù)的完整性、平臺的流暢性及穩(wěn)定性。

1.1 BIM模型數(shù)據(jù)輕量化

gltf(GL Transmission Format)是由 Microsoft與Khron os 3D 公司共同推出的應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜S模型文件格式，且被大多數(shù)瀏覽器渲染引擎所支持，可以加載gltf格式模型文件，例如Three.JS、Cesium.JS等。在3D內(nèi)容的傳輸和加載過程中，gltf通過提供高效、可協(xié)作和易擴展的格式填補了3D 建模工具和現(xiàn)代Web應(yīng)用程序之間的空白。使用gltf的用戶可以使用現(xiàn)有工具來處理模型并減少模型中的數(shù)據(jù)量，無需經(jīng)過多余的客戶端或平臺進行模型展示。

gltf的本質(zhì)是一種易于Web端解析的 json文件+數(shù)據(jù)，該文件描述了3D場景的結(jié)構(gòu)和組成，其中包含模型的節(jié)點層次、材質(zhì)、相機、網(wǎng)格、著色器及動畫等相關(guān)邏輯結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序通過讀取這些信息對模型的環(huán)境和場景參數(shù)進行設(shè)置。

圖1 gltf數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

gltf的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)存占比較小。如圖1所示，gltf數(shù)據(jù)主要分為三大模塊：幾何模塊、數(shù)據(jù)模塊和表層模塊。幾何模塊中json文件主要描述模型完整的場景，包括節(jié)點、材質(zhì)、相機和網(wǎng)格等； 數(shù)據(jù)模塊中bin文件主要包含幾何和動畫數(shù)據(jù)； 表層模塊由圖像文件組成，用于圖片紋理的顯示。

1.2 流式輕量化加載方式

瀏覽器有兩種方式加載gltf模型：對于簡單模型，將Model視作幾何體直接加載，方法簡單，效果單一且適用性差； 對于復雜建筑群、大型場地等，采用多樣化屬性加載方式。瀏覽器加載文件過程中，Model有四種狀態(tài)：加載模型、解析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)反饋及繪圖。

圖2所示為流式加載過程：首先解析中間數(shù)據(jù)json文件，進行初步的模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建； 其次解析gltf具體數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)(紋理、頂點、材質(zhì)屬性等)賦值給模型各個結(jié)構(gòu)； 再者瀏覽器進行數(shù)據(jù)解析并反饋數(shù)據(jù)至渲染隊列； 最終由繪圖指令(Drawconnand)繪制Web端3D圖形。

圖2 瀏覽器加載GLTF流程

對于密集建筑群與大型場地，如果一次性加載所有建筑，會造成內(nèi)存緊張甚至崩潰，正如很多BIM客戶端軟件在大型工程中會出現(xiàn)加載卡頓、死機的情況。針對這一問題，傳統(tǒng)的處理方式是LOD[9](Levels of Detail，細節(jié)層次法)處理技術(shù)，它認為當模型覆蓋面積很小時，可以使用較粗的物體來描述模型，對被遮擋的物體使用簡模展示，并給出了算法判定幾何層次，從而讓計算機快速繪制出復雜場景模型。但是，由于視角一直在建筑中來回切換，不同LOD模型也會隨之切換，造成占用相對較大的內(nèi)存。而瀏覽器的流式加載相比于傳統(tǒng)客戶端直接加載模型方式，其優(yōu)勢在于它可以在保證快速加載出靜態(tài)模型的前提下，流暢地進行動態(tài)模型加載； 同時可以根據(jù)視角的時空位置，只加載當前一定范圍內(nèi)的場景，并且利用多余的內(nèi)存提前加載后續(xù)一定空間的場景，在視角切換到下一空間時，繼續(xù)循環(huán)進行之前的加載操作。

1.3 模型數(shù)據(jù)篩選思路

對于BIM模型的Web端可視化過程，可以根據(jù)BIM應(yīng)用的需求，篩選轉(zhuǎn)換后的各類模型數(shù)據(jù)，進一步輕量化模型數(shù)據(jù)。對于一般BIM應(yīng)用的開發(fā)需求，在模型轉(zhuǎn)換時，可以僅選取最基本的模型空間、紋理等形態(tài)數(shù)據(jù)； 對于重大項目或?qū)Π踩?、保密性有特殊要求的項目，可以只提?D場景及工程應(yīng)用所需的基本數(shù)據(jù)，篩除工程隱私數(shù)據(jù)，保障BIM模型共享數(shù)據(jù)的安全性； 對于復雜應(yīng)用環(huán)境的工程項目，可以同時開發(fā)兩種不同的模型平臺，從BIM數(shù)據(jù)源頭保證數(shù)據(jù)的安全性。

2 glTf-BIM模型輕量化開發(fā)流程

2.1 BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式分析

BIM模型數(shù)據(jù)格式種類繁多，但考慮到模型文件需要在Web端良好顯示，目前主流的格式轉(zhuǎn)換方案是將模型導出為obj、3Dtiles、gltf等格式。

表1 各格式3D模型性能對比表

基于上海理工大學優(yōu)秀歷史建筑群的案例，本文以別墅群中的小洋樓205為例，圖3所示為在格式轉(zhuǎn)換后導出rvt、obj和gltf格式文件的數(shù)據(jù)大小對比，其數(shù)據(jù)特點如表1所示。

通過小洋樓205不同格式的數(shù)據(jù)大小對比和3D模型性能對比，得出以下判斷：rvt文件數(shù)據(jù)量大，兼容性差，在BIM產(chǎn)品應(yīng)用過程中包袱厚重，限制較多； 而gltf文件的數(shù)據(jù)量最小，205模型的gltf數(shù)據(jù)大小僅為初始rvt數(shù)據(jù)的9.47%，rvt-gltf方案的模型轉(zhuǎn)化效率明顯高于其他方案； 且相比于obj文件，gltf文件具有數(shù)據(jù)量更小，數(shù)據(jù)信息更完整的特點，gltf文件更適用于Web端模型顯示。

圖3 小洋樓205各數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)量

2.2 BIM-gltf模型生成方法

前文基礎(chǔ)確定了本文的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案為rvt-gltf，在之前的研究中，有許多轉(zhuǎn)換出gltf格式文件的方案。例如徐敬海[10]等通過已有開源工具ifcConvert將IFC文件轉(zhuǎn)化為obj格式文件，再通過obj2gltf開源庫實現(xiàn)obj向gltf格式文件的轉(zhuǎn)化。邊根慶[11]等通過調(diào)用Revit API，使用Revit2gltf實現(xiàn)gltf格式文件輸出。本文通過較為成熟的Revit2gltf開源庫，實現(xiàn)rvt-gltf轉(zhuǎn)換方案。

2.3 開發(fā)流程

研究思路：建立Revit模型，Revit二次開發(fā)導出gltf+bin，在Three.js引擎渲染W(wǎng)eb端模型，最后進行平臺功能設(shè)計。

由Revit二次開發(fā)導出gltf+bin文件集：首先搭建Revit二次開發(fā)環(huán)境，安裝Revit 2018+Visual Studio Code 2019，下載Revit SDK 2019，配置AddinManager及Revit Lookup二次開發(fā)插件。提取數(shù)據(jù)需要依賴Revit的sdk、c#引用鏈接庫RevitAPI.dll、RevitDBAPI.dll，實現(xiàn)IExportContext接口。

在Three.js引擎渲染W(wǎng)eb端模型：Three.js是基于WebGL發(fā)展起來的一套Web3D引擎，它對WebGL進行了封裝，開發(fā)者不需要了解圖形渲染的細節(jié)，只需要調(diào)用其接口二次開發(fā)就可實現(xiàn)基礎(chǔ)的3D展示。本文選擇開發(fā)環(huán)境為2019版vscode。具體開發(fā)流程圖如圖4所示：

圖4 平臺開發(fā)流程圖

3 glTf-BIM輕量化效果展示

3.1 基于WebGL 技術(shù)的三維渲染效果

模型同樣選擇上海理工大學小洋樓205為例，根據(jù)已經(jīng)獲得的小洋樓205的rvt、obj、gltf數(shù)據(jù)格式，利用WebGL技術(shù)，搭載Three.js框架，基于Visual Studio 2019開發(fā)環(huán)境，進行初步的模型Web端顯示，并對比分析三種模型顯示效果如圖5所示。

(a)rvt格式模型顯示效果

三種顯示效果均在同一設(shè)備、同一初始狀態(tài)下進行，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一致且正常，圖5(a)是rvt文件在Revit軟件中的顯示效果，模型加載耗時7.36s，構(gòu)件顯示較為清晰，但交互操作嚴重卡頓； 圖5(b)是obj文件在Web端展示效果，加載耗時0.28，交互操作流暢，但缺乏內(nèi)部細節(jié)與紋理等關(guān)鍵信息，與原模型外觀差別較大；圖5(c)是gltf文件在Web端顯示結(jié)果，加載耗時0.17s，交互操作流暢，與原模型外觀一致。

3.2 三維模型的交互操作

平臺在開發(fā)時，功能設(shè)計上需要實現(xiàn)三維場景的交互操作。為了使用鼠標操作三維場景，本平臺借助Three.js眾多控件，并引入控件OrbitControls.js，通過相關(guān)代碼的編寫，實現(xiàn)模型的Web端縮放、旋轉(zhuǎn)與平移等操作。三維模型交互操作如圖6所示，表2為具體鼠標操作方法。

基于Web流式加載方式，在鼠標操作場景變換過程中，總是能夠保持流暢的場景切換和順滑的操作過程，相比于笨重的客戶端全模加載經(jīng)?？D死機的情況，模型流式加載方式能夠提高用戶體驗，提高BIM工作效率。

(a)原圖

表2 鼠標操作方式及效果

3.3 BIM輕量化平臺設(shè)計

基于BIM輕量化手段與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本文將厚重的客戶端BIM應(yīng)用進行了網(wǎng)頁端的開發(fā)，并初步設(shè)計了一套智慧園區(qū)工程管理平臺。平臺分為項目總覽、BIM模型、實時監(jiān)控、現(xiàn)場監(jiān)測、人員管理、車輛管理、技術(shù)管理、質(zhì)量管理、安全管理、進度管理、成本管理、大型設(shè)備及材料管理等十三個功能模塊。

在BIM輕量化平臺的設(shè)計上，選擇BIM模型作為界面主要元素，周邊搭載工程信息、監(jiān)測信息、預測信息及管理信息等功能窗口。

基于Web端的輕量化BIM應(yīng)用平臺，可以隨時隨地將工程信息分享給工程相關(guān)人員，并且支持在線瀏覽模型、查看工程基本信息等操作，協(xié)助工程人員及時了解工程施工進度、安全等關(guān)鍵信息。

圖7 智慧園區(qū)項目總覽模塊

4 結(jié)論與展望

初步研究分析表明，在BIM模型Web端展示過程中，gltf模型效果最佳，具有數(shù)據(jù)量小、顯示效果好與兼容性強等特點。Web端的流式加載方式適用于復雜的工程建筑模型，在模型靜態(tài)顯示和動態(tài)操作方面表現(xiàn)優(yōu)異。

在新時代BIM發(fā)展中，單一的可視化不足以滿足實際使用的需求，輕量化是目前BIM發(fā)展的趨勢之一，在當前注重時效性和信息傳遞量的工程背景下具有重要意義。

本輕量化平臺功能的落實還需要依靠后續(xù)的項目推進，在功能設(shè)計上還有優(yōu)化的空間。后續(xù)可以繼續(xù)挖掘BIM數(shù)據(jù)的價值，實現(xiàn)Web端自動建模，一鍵工程算量等應(yīng)用功能，充分發(fā)揮BIM數(shù)形結(jié)合的價值。