WebGL轻量化BIM引擎如何加载大体量BIM模型

WebGL轻量化BIM引擎如何突破大体量BIM模型加载瓶颈当前，国内的BIM应用如火如荼！在前几年住建部、交通部、铁总及各个省市住建厅推出各类鼓励BIM应用的政策后，湖南省强制推进的BIM审图更是为BIM应用添加了一把火！不论BIM当前在国内推进的过程中是否存在很多误区或不足，但不可否认，在不断推进智慧建筑，智慧建造，智慧城市的当下，BIM无疑是一个正确的选项之一。在项目中应用BIM技术，在今天已经不能算是标新立异或算是创新了，而是成为了一种标配。随着BIM建模技术的不断发展和成本的逐步降低，BIM模型的精细度越来越高，体量越来越大，1G，几个G，甚至几十个G的模型越来越多。笔者所在公司的客户有些单个项目的BIM模型已经超过了100G。面对这些越来越大的BIM模型，当前市场上主流技术路线的WebGL轻量化BIM引擎能否处理，如何处理，已经成为当下BIM应用能否持续发展的关键点。在得出结论之前，我们首先来分析一下常规WebGL轻量化BIM引擎的技术原理。WebGL轻量化BIM引擎技术原理分析WebGL轻量化BIM引擎要在确保BIM模型的数据不损失的情况下，实现BIM模型的轻量化，让BIM模型能够在Web浏览器或App上更快的加载和使用。WebGL轻量化BIM引擎对BIM模型的轻量化处理实现，一般可以分为以下几步，如图2.1所示：图2.1数模分离BIM模型包含三维几何数据和模型结构属性等非几何数据两部分。首先，WebGL轻量化BIM引擎需要将几何数据和非几何数据进行拆分。通过这样的处理，原始BIM模型文件中约20%-50%的非几何数据会被剥离出去，输出为数据文件供BIM应用开发使用。三维几何数据轻量化处理剥离非几何数据后剩下的三维几何数据，我们还需要进一步轻量化处理优化，以降低三维几何数据数据量，节约客户端电脑的渲染计算量，从而提高BIM模型下载、渲染和功能处理的速度。三维几何数据优化这块，一般采取的方案包括：参数化或三角化几何描述通过采用参数化或三角化的描述手段来降低三维几何数据的数据文件大小，让模型数据变得更小。相似性算法减少构件存储量；在一个工程BIM模型中很多构件长得一模一样，只是所处位置或角度不同，这时就可以采用相似性算法进行数据合并，即：只保留一个构件的数据，其他相似构件只记录一个引用+空间坐标即可。通过这种方式可以有效减少构件存储量，达到轻量化的目的。构建符合场景远近原则的多级构件组织体系；大的BIM模型构件数量会非常多，在WEB浏览器中全部下载和加载这些构件是不现实的。同时，观察BIM模型的视野范围或场景又是相对有限的。所以利用这个特点，就可以创建一个符合场景远近原则的多级构件体系，使得用户在观察BIM模型时，在远处可以看到全景，但不用看到细节，在近处可以看到细节，但无需看到BIM模型的全部。这样可以大大提高BIM模型在WEB浏览器加载速度和用户体验，解决大体量BIM模型的轻量化问题。WEB浏览器或App端实时渲染及管理WebGL轻量化BIM引擎要实现对三维几何数据的实时渲染（注意：这是实时渲染，跟很炫目的后期专业渲染制作动画的技术要求完全不同），需要进行以下两个步骤的动作。三维几何数据从服务器端下载到客户端电脑或移动端设备内存。调用客户端电脑或移动端设备内存和GPU（显卡）高效的实时渲染三维几何数据，还原三维BIM模型。通过API接口调用形式，实现对三维BIM模型及其构件的操作、管理和对外功能实现。为了达到流畅、实时的显示，本地电脑的绘制需要达到25-35帧/秒。如果BIM模型的三维几何数据比较大，如果全部渲染则内存的开销会在30-50G以上，这是任何浏览器都无法支撑的，会造成WEB浏览器的崩溃。网上曾经有一篇文章提到，一款优秀的WebGL轻量化BIM引擎产品必须满足的指标中包含：WEB端BIM模型的加载速度、渲染流畅度和稳定性在网络环境、客户端硬件配置确定的情况下，轻量化处理后的BIM模型通过BIM轻量化引擎在Web端的加载速度、渲染流畅度、操作稳定性是引擎最核心的指标。没有一个用户能够忍受较长的BIM模型加载时间、卡顿的操作和性能的不稳定。对大体型BIM模型的支持能力BIM模型精度越来越高、大型公路工程的BIM模型文件往往超过10G以上，如此大体量的模型就要求BIM轻量化引擎有对应的支持能力。是否支持10G以上的BIM模型是判断一个BIM轻量化引擎是否可用的标准！如何实现WebGL轻量化BIM引擎能否支撑大体量BIM模型加载通过以上章节分析，我们可看出，WebGL轻量化BIM引擎能否支撑大体量BIM模型加载的关键，就在于是否可构建一个符合场景远近原则的多级构件组织体系，以及在WEB端按照此机制进行BIM模型动态的加载和动态渲染！能否有效的构建BIM模型的多级构件组织体系和渲染机制，是考验BIM轻量化引擎厂商技术能力的关键。通过笔者的调研发现，在国内为数不多的BIM轻量化引擎厂商中，BIM引擎老厂商葛兰岱尔（这家的私有化BIM引擎销售客户数接近100家了，其中不乏中国建科院、中国铁科院，华为这样的巨头）的产品基本较好的实现了这个机制。这家产品通过自动构建多级金字塔结构的数据存储方案与前端内存管理、渲染方案，大大提升了在WEB端及移动端加载大体量BIM模型数据的高效和流畅用户体验。葛兰岱尔还自主开发了BIM模型的轮廓模型生成算法和断面填充算法，通过在WEB端综合使用Add/Remove，Replace策略，从根本上解决了大体量的BIM模型三维几何模型渲染问题。技术原理参考以下图片所示：通过笔者更深入一步的研究发现，葛兰岱尔公司的产品其实是基于cesium开发的，但cesium的原生开源版本对bim模型的加载能力非常有限，而且要受到cesium官方商业授权的限制。这家的产品能做到这一点，应该是他们在cesium上做了大量的自主开发，这其中涉及很多技术难点。在原来诸多独立bim引擎厂商已经逐渐消亡（bimviz被收购，模袋被收购，大象云一直不在状态，剩下几家也是客户稀少）的市场大环境下，葛兰岱尔坚持bim引擎自主研发近4年时间，难能可贵！在技术交流沟通的过程中，葛兰岱尔还展示了加载4G多的某高铁站RevitBIM模型，14公里长的Bentley建的路桥模型，还有加起来十几个G的轨道交通模型。同时发现，因为是基于Cesium开发的bim轻量化引擎，他们的引擎天生就具有GIS能力，能够实现gis+bim的融合，这不就是大家