WebGL輕量化BIM引擎如何加載大體量BIM模型

WebGL輕量化BIM引擎如何突破大體量BIM模型加載瓶頸當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的BIM應(yīng)用如火如荼！在前幾年住建部、交通部、鐵總及各個(gè)省市住建廳推出各類鼓勵(lì)BIM應(yīng)用的政策后，湖南省強(qiáng)制推進(jìn)的BIM審圖更是為BIM應(yīng)用添加了一把火！不論BIM當(dāng)前在國(guó)內(nèi)推進(jìn)的過(guò)程中是否存在很多誤區(qū)或不足，但不可否認(rèn)，在不斷推進(jìn)智慧建筑，智慧建造，智慧城市的當(dāng)下，BIM無(wú)疑是一個(gè)正確的選項(xiàng)之一。在項(xiàng)目中應(yīng)用BIM技術(shù)，在今天已經(jīng)不能算是標(biāo)新立異或算是創(chuàng)新了，而是成為了一種標(biāo)配。隨著B(niǎo)IM建模技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的逐步降低，BIM模型的精細(xì)度越來(lái)越高，體量越來(lái)越大，1G，幾個(gè)G，甚至幾十個(gè)G的模型越來(lái)越多。筆者所在公司的客戶有些單個(gè)項(xiàng)目的BIM模型已經(jīng)超過(guò)了100G。面對(duì)這些越來(lái)越大的BIM模型，當(dāng)前市場(chǎng)上主流技術(shù)路線的WebGL輕量化BIM引擎能否處理，如何處理，已經(jīng)成為當(dāng)下BIM應(yīng)用能否持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。在得出結(jié)論之前，我們首先來(lái)分析一下常規(guī)WebGL輕量化BIM引擎的技術(shù)原理。WebGL輕量化BIM引擎技術(shù)原理分析WebGL輕量化BIM引擎要在確保BIM模型的數(shù)據(jù)不損失的情況下，實(shí)現(xiàn)BIM模型的輕量化，讓BIM模型能夠在Web瀏覽器或App上更快的加載和使用。WebGL輕量化BIM引擎對(duì)BIM模型的輕量化處理實(shí)現(xiàn)，一般可以分為以下幾步，如圖2.1所示：圖2.1數(shù)模分離BIM模型包含三維幾何數(shù)據(jù)和模型結(jié)構(gòu)屬性等非幾何數(shù)據(jù)兩部分。首先，WebGL輕量化BIM引擎需要將幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分。通過(guò)這樣的處理，原始BIM模型文件中約20%-50%的非幾何數(shù)據(jù)會(huì)被剝離出去，輸出為數(shù)據(jù)文件供BIM應(yīng)用開(kāi)發(fā)使用。三維幾何數(shù)據(jù)輕量化處理剝離非幾何數(shù)據(jù)后剩下的三維幾何數(shù)據(jù)，我們還需要進(jìn)一步輕量化處理優(yōu)化，以降低三維幾何數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量，節(jié)約客戶端電腦的渲染計(jì)算量，從而提高BIM模型下載、渲染和功能處理的速度。三維幾何數(shù)據(jù)優(yōu)化這塊，一般采取的方案包括：參數(shù)化或三角化幾何描述通過(guò)采用參數(shù)化或三角化的描述手段來(lái)降低三維幾何數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件大小，讓模型數(shù)據(jù)變得更小。相似性算法減少構(gòu)件存儲(chǔ)量；在一個(gè)工程BIM模型中很多構(gòu)件長(zhǎng)得一模一樣，只是所處位置或角度不同，這時(shí)就可以采用相似性算法進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，即：只保留一個(gè)構(gòu)件的數(shù)據(jù)，其他相似構(gòu)件只記錄一個(gè)引用+空間坐標(biāo)即可。通過(guò)這種方式可以有效減少構(gòu)件存儲(chǔ)量，達(dá)到輕量化的目的。構(gòu)建符合場(chǎng)景遠(yuǎn)近原則的多級(jí)構(gòu)件組織體系；大的BIM模型構(gòu)件數(shù)量會(huì)非常多，在WEB瀏覽器中全部下載和加載這些構(gòu)件是不現(xiàn)實(shí)的。同時(shí)，觀察BIM模型的視野范圍或場(chǎng)景又是相對(duì)有限的。所以利用這個(gè)特點(diǎn)，就可以創(chuàng)建一個(gè)符合場(chǎng)景遠(yuǎn)近原則的多級(jí)構(gòu)件體系，使得用戶在觀察BIM模型時(shí)，在遠(yuǎn)處可以看到全景，但不用看到細(xì)節(jié)，在近處可以看到細(xì)節(jié)，但無(wú)需看到BIM模型的全部。這樣可以大大提高BIM模型在WEB瀏覽器加載速度和用戶體驗(yàn)，解決大體量BIM模型的輕量化問(wèn)題。WEB瀏覽器或App端實(shí)時(shí)渲染及管理WebGL輕量化BIM引擎要實(shí)現(xiàn)對(duì)三維幾何數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染（注意：這是實(shí)時(shí)渲染，跟很炫目的后期專業(yè)渲染制作動(dòng)畫(huà)的技術(shù)要求完全不同），需要進(jìn)行以下兩個(gè)步驟的動(dòng)作。三維幾何數(shù)據(jù)從服務(wù)器端下載到客戶端電腦或移動(dòng)端設(shè)備內(nèi)存。調(diào)用客戶端電腦或移動(dòng)端設(shè)備內(nèi)存和GPU（顯卡）高效的實(shí)時(shí)渲染三維幾何數(shù)據(jù)，還原三維BIM模型。通過(guò)API接口調(diào)用形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維BIM模型及其構(gòu)件的操作、管理和對(duì)外功能實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到流暢、實(shí)時(shí)的顯示，本地電腦的繪制需要達(dá)到25-35幀/秒。如果BIM模型的三維幾何數(shù)據(jù)比較大，如果全部渲染則內(nèi)存的開(kāi)銷會(huì)在30-50G以上，這是任何瀏覽器都無(wú)法支撐的，會(huì)造成WEB瀏覽器的崩潰。網(wǎng)上曾經(jīng)有一篇文章提到，一款優(yōu)秀的WebGL輕量化BIM引擎產(chǎn)品必須滿足的指標(biāo)中包含：WEB端BIM模型的加載速度、渲染流暢度和穩(wěn)定性在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、客戶端硬件配置確定的情況下，輕量化處理后的BIM模型通過(guò)BIM輕量化引擎在Web端的加載速度、渲染流暢度、操作穩(wěn)定性是引擎最核心的指標(biāo)。沒(méi)有一個(gè)用戶能夠忍受較長(zhǎng)的BIM模型加載時(shí)間、卡頓的操作和性能的不穩(wěn)定。對(duì)大體型BIM模型的支持能力BIM模型精度越來(lái)越高、大型公路工程的BIM模型文件往往超過(guò)10G以上，如此大體量的模型就要求BIM輕量化引擎有對(duì)應(yīng)的支持能力。是否支持10G以上的BIM模型是判斷一個(gè)BIM輕量化引擎是否可用的標(biāo)準(zhǔn)！如何實(shí)現(xiàn)WebGL輕量化BIM引擎能否支撐大體量BIM模型加載通過(guò)以上章節(jié)分析，我們可看出，WebGL輕量化BIM引擎能否支撐大體量BIM模型加載的關(guān)鍵，就在于是否可構(gòu)建一個(gè)符合場(chǎng)景遠(yuǎn)近原則的多級(jí)構(gòu)件組織體系，以及在WEB端按照此機(jī)制進(jìn)行BIM模型動(dòng)態(tài)的加載和動(dòng)態(tài)渲染！能否有效的構(gòu)建BIM模型的多級(jí)構(gòu)件組織體系和渲染機(jī)制，是考驗(yàn)BIM輕量化引擎廠商技術(shù)能力的關(guān)鍵。通過(guò)筆者的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的BIM輕量化引擎廠商中，BIM引擎老廠商葛蘭岱爾（這家的私有化BIM引擎銷售客戶數(shù)接近100家了，其中不乏中國(guó)建科院、中國(guó)鐵科院，華為這樣的巨頭）的產(chǎn)品基本較好的實(shí)現(xiàn)了這個(gè)機(jī)制。這家產(chǎn)品通過(guò)自動(dòng)構(gòu)建多級(jí)金字塔結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案與前端內(nèi)存管理、渲染方案，大大提升了在WEB端及移動(dòng)端加載大體量BIM模型數(shù)據(jù)的高效和流暢用戶體驗(yàn)。葛蘭岱爾還自主開(kāi)發(fā)了BIM模型的輪廓模型生成算法和斷面填充算法，通過(guò)在WEB端綜合使用Add/Remove，Replace策略，從根本上解決了大體量的BIM模型三維幾何模型渲染問(wèn)題。技術(shù)原理參考以下圖片所示：通過(guò)筆者更深入一步的研究發(fā)現(xiàn)，葛蘭岱爾公司的產(chǎn)品其實(shí)是基于cesium開(kāi)發(fā)的，但cesium的原生開(kāi)源版本對(duì)bim模型的加載能力非常有限，而且要受到cesium官方商業(yè)授權(quán)的限制。這家的產(chǎn)品能做到這一點(diǎn)，應(yīng)該是他們?cè)赾esium上做了大量的自主開(kāi)發(fā)，這其中涉及很多技術(shù)難點(diǎn)。在原來(lái)諸多獨(dú)立bim引擎廠商已經(jīng)逐漸消亡（bimviz被收購(gòu)，模袋被收購(gòu)，大象云一直不在狀態(tài)，剩下幾家也是客戶稀少）的市場(chǎng)大環(huán)境下，葛蘭岱爾堅(jiān)持bim引擎自主研發(fā)近4年時(shí)間，難能可貴！在技術(shù)交流溝通的過(guò)程中，葛蘭岱爾還展示了加載4G多的某高鐵站RevitBIM模型，14公里長(zhǎng)的Bentley建的路橋模型，還有加起來(lái)十幾個(gè)G的軌道交通模型。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槭腔贑esium開(kāi)發(fā)的bim輕量化引擎，他們的引擎天生就具有GIS能力，能夠?qū)崿F(xiàn)gis+bim的融合，這不就是大家