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隨著BIM應(yīng)用的越來越深入，不論是在民建領(lǐng)域還是在基建領(lǐng)域，BIM模型越來越精細(xì)、越來越大已經(jīng)成為一種現(xiàn)實(shí)與趨勢。作為BIM應(yīng)用軟件技術(shù)核心的輕量化BIM引擎到底能不能支撐BIM模型的大型化趨勢呢？
BIM輕量化引擎主要是實(shí)現(xiàn)了BIM模型與除建模軟件以外的軟件系統(tǒng)的對接，補(bǔ)足了傳統(tǒng)軟件（項(xiàng)目管理系統(tǒng)、OA等）在BIM這塊的弱項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)了BIM模型在WEB端，移動端的“輕量化”應(yīng)用模式，讓大量用戶無需安裝諸如Revit、Navisworks、Bentley等專業(yè)建模軟件即可使用BIM模型開展各類應(yīng)用。
BIM輕量化引擎從技術(shù)方案上，可以分為傳統(tǒng)的C/S客戶端方案和純WEB方案兩種。傳統(tǒng)的C/S客戶端的輕量化引擎因?yàn)榧夹g(shù)太過老舊，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)下的BIM應(yīng)用發(fā)展需要，不在本文討論范圍之內(nèi)。目前，采用WebGL技術(shù)的純WEB輕量化引擎代表了最先進(jìn)的技術(shù)和方向，不僅能應(yīng)用于WEB端（即直接瀏覽器打開應(yīng)用），也能應(yīng)用于移動App，是BIM應(yīng)用市場的主流選擇。 (一)WebGL輕量化BIM引擎工作機(jī)理
WebGL輕量化BIM引擎需要在確保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模型能夠更快的加載和使用。
WebGL輕量化BIM引擎處理BIM模型，一般可以分為以下幾步： 1.數(shù)模分離
BIM模型包含幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù)兩部分。幾何數(shù)據(jù)就是我們能看到的二維、三維模型數(shù)據(jù)，非幾何數(shù)據(jù)通常指BIM模型所包含的分部分項(xiàng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
首先，WebGL輕量化BIM引擎會將幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分。通過這樣的處理，BIM模型文件中約20%-50%的非幾何數(shù)據(jù)被剝離出去，導(dǎo)出為DB文件或JSON數(shù)據(jù)，供BIM應(yīng)用開發(fā)使用。 2.幾何數(shù)據(jù)輕量化處理
剝離了非幾何數(shù)據(jù)后剩下的三維幾何數(shù)據(jù)，我們還需要進(jìn)一步的進(jìn)行優(yōu)化，以降低幾何數(shù)據(jù)的體量和后期客戶端電腦的渲染計(jì)算量，從而提高BIM模型下載和渲染的速度。
在幾何數(shù)據(jù)優(yōu)化這塊，一般采取的方案包括：
a)參數(shù)化或三角化幾何描述；
通過采用參數(shù)化或三角化的描述手段來降低三維幾何數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)文件大小，讓模型數(shù)據(jù)變得更小。
一般來說采用參數(shù)化的描述，幾何數(shù)據(jù)文件肯定是要小于三角化描述的，但模型的輕量化不僅僅是簡單考慮模型幾何數(shù)據(jù)的小，還需要考慮在三維渲染時(shí)，客戶端電腦GPU計(jì)算所需的時(shí)間，這塊需要WebGL引擎廠商來綜合考慮。
陜西葛蘭岱爾的GL WebGL BIM Engine產(chǎn)品則側(cè)重于三角化描述，在犧牲一點(diǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)大小的基礎(chǔ)上，大大降低客戶端渲染時(shí)的GPU計(jì)算時(shí)間，提高渲染速率。
b)相似性算法減少圖元數(shù)量；
在一個(gè)工程中，有很多圖元長得一模一樣，比如很多樁的形狀一模一樣，只是位置不一樣，這個(gè)時(shí)候我們可以做圖元合并，即：只保留一個(gè)樁的數(shù)據(jù)，其他樁我們記錄一個(gè)引用 + 空間坐標(biāo)即可。通過這種方式可以有效減少圖元數(shù)量，達(dá)到輕量化的目的。 3.三維幾何數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染
WebGL輕量化BIM引擎要實(shí)現(xiàn)對三維幾何數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染（注意：這是實(shí)時(shí)渲染，有別于很多看起來很漂亮炫目的后期專業(yè)渲染制作的動畫，技術(shù)要求完全不同），需要進(jìn)行以下兩個(gè)步驟的動作。 a)把三維幾何數(shù)據(jù)下載到本地電腦；
三維幾何數(shù)據(jù)的下載，主要跟本地電腦連接服務(wù)器的網(wǎng)速相關(guān)。目前葛蘭岱爾的引擎采用的是邊下載邊渲染的流式渲染機(jī)制，大大提升了客戶體驗(yàn)。
如果BIM模型輕量化后的三維幾何數(shù)據(jù)文件很大，比如依然有幾百兆或者超過1個(gè)G，則全部下載完數(shù)據(jù)依然要花費(fèi)比較長的時(shí)間，一般下載時(shí)間超過30秒，則很多時(shí)候用戶是不能忍受的。
葛蘭岱爾的大模型LOD技術(shù)方案很好的解決了上述問題，稍后會詳述。
b)利用本地電腦的內(nèi)存和GPU（顯卡）實(shí)時(shí)渲染BIM模型文件；
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，尤其是基建模型，諸如長達(dá)幾十甚至上百公里的道路，橋梁模型，如果全部渲染則內(nèi)存的開銷會在30-50G以上，這是任何瀏覽器都無法支撐的，會造成WEB瀏覽器的崩潰。
葛蘭岱爾的大模型LOD技術(shù)方案對此提供了可行的解決方案。 (二)葛蘭岱爾大模型LOD方案解析
通過對WebGL輕量化BIM引擎工作機(jī)理的解析，我們可以看得出，輕量化引擎處理BIM大模型的關(guān)鍵就在于如何實(shí)現(xiàn)對模型幾何數(shù)據(jù)的有效規(guī)劃、進(jìn)而解決本地電腦從三維幾何數(shù)據(jù)的下載、到本地的內(nèi)存管理和高效的渲染。
大模型處理機(jī)制的核心是LOD技術(shù)和內(nèi)存管理。LOD技術(shù)的基本原理類似人眼去觀察世界。
當(dāng)場景中的一些物體距離視點(diǎn)較遠(yuǎn)、或者物體本身比較小時(shí)，我們?nèi)搜垡彩强床磺宄摹Ｋ?，對于這些幾何構(gòu)件，我們無需加載到內(nèi)存并進(jìn)行渲染。當(dāng)我們移動到這些物體的跟前或近處時(shí)，系統(tǒng)才需要將這些構(gòu)件加載內(nèi)存并進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。與此同時(shí)，系統(tǒng)又需要將視野范圍外的構(gòu)件數(shù)據(jù)從內(nèi)存中清除掉，從而控制內(nèi)存的總量，確保流暢的渲染。
葛蘭岱爾WebGL輕量化引擎對大模型LOD的處理方案，從最根本的內(nèi)存管理入手，在三維幾何數(shù)據(jù)輕量化處理階段，依據(jù)空間位置計(jì)算，將構(gòu)件進(jìn)行空間位置的排序來確定模型的輪廓，保證用戶初始加載模型就能看到模型的整體輪廓。
同時(shí)，通過多重LOD計(jì)算，為同一個(gè)構(gòu)件分別生成輪廓模型與精細(xì)實(shí)體模型。在三維幾何數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染階段，通過實(shí)時(shí)計(jì)算視點(diǎn)與模型的距離，進(jìn)行動態(tài)的輪廓模型與精細(xì)實(shí)體模型的內(nèi)存加載與渲染。從而在不影響視覺效果的前提下提高本地電腦實(shí)時(shí)渲染BIM模型的效率，并始終保持瀏覽器內(nèi)存在可控的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)類似人眼觀察世界的效果。
說到這里，就該來點(diǎn)干貨了，我們以一棟樓宇的BIM模型來舉例，這棟樓宇BIM模型采用Revit建模，四大專業(yè)（機(jī)電專業(yè)、建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、精裝專業(yè)），共計(jì)96個(gè)RVT文件，合計(jì)RVT文件大小為：2.67G。
經(jīng)過葛蘭岱爾WebGL輕量化引擎的輕量化處理程序的預(yù)處理，依據(jù)空間位置計(jì)算，在渲染階段，引擎優(yōu)先渲染建筑輪廓模型。這樣的輪廓模型在普通配置的客戶端電腦和網(wǎng)絡(luò)情況下，下載及渲染只需要不到20秒的時(shí)間，即可完成，如下圖所示： 在上圖中，我們能夠看到很多淺藍(lán)色的框線，這些藍(lán)色的框線就是模型構(gòu)件的輪廓模型。隨著視點(diǎn)的移動，引擎會自動計(jì)算視點(diǎn)與構(gòu)件的距離，依據(jù)一定的算法，加載視點(diǎn)范圍內(nèi)的構(gòu)件，如下圖所示： 隨著視點(diǎn)的靠近，淺藍(lán)色的框線代表的BIM模型構(gòu)件輪廓模型會自動被精細(xì)實(shí)體模型進(jìn)行替代。
視點(diǎn)移開之后，剛加載的精細(xì)實(shí)體模型會自動從內(nèi)存中檫除，并替代為藍(lán)色框線的輪廓模型。同時(shí)，其他區(qū)域視點(diǎn)范圍內(nèi)的BIM模型構(gòu)件輪廓模型又會自動被精細(xì)實(shí)體模型進(jìn)行替代并加載渲染。
同時(shí)，葛蘭岱爾WebGL輕量化BIM引擎在采用LOD技術(shù)進(jìn)行大模型處理的同時(shí)，還采用了批量繪制技術(shù)來進(jìn)一步提升渲染流暢度。
為了將一個(gè)物體繪制到屏幕上，需要發(fā)起一次圖形API繪制調(diào)用。繪制調(diào)用非常耗費(fèi)CPU、并且通常會造成GPU時(shí)間閑置。為了優(yōu)化性能、平衡CPU和GPU負(fù)載，可以將具有相同狀態(tài)（例如相同材質(zhì)）的物體合并到一次繪制調(diào)用中，這叫做批次繪制技術(shù)。
葛蘭岱爾WebGL輕量化BIM引擎的批次繪制技術(shù)通過合并物體來減少繪制調(diào)用，從而帶來性能的優(yōu)化。批次繪制可以預(yù)先處理，形成靜態(tài)的批次，或者繪制每幀時(shí)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，結(jié)合動態(tài)和靜態(tài)的批次合并策略，達(dá)到渲染流暢度的提升。
陜西葛蘭岱爾公司作為國內(nèi)WebGL輕量化BIM引擎產(chǎn)品的核心供應(yīng)商，專注于研發(fā)中國自主知識產(chǎn)權(quán)，用戶本地化部署的高質(zhì)量WebGL輕量化BIM引擎產(chǎn)品和相關(guān)BIM應(yīng)用軟件系統(tǒng)。
葛蘭岱爾通過持續(xù)不斷的迭代研發(fā)，已經(jīng)在國內(nèi)積累了大量的用戶，這些用戶包括國內(nèi)一流的大型設(shè)計(jì)院、施工企業(yè)與軟件公司。相比于其他品牌普遍采用的遮擋剔除，減少渲染圖元數(shù)量的處理技術(shù)（只能一定程度減輕瀏覽器GPU實(shí)時(shí)渲染壓力，并不能解決大模型處理的內(nèi)存問題），葛蘭岱爾是國內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)大模型LOD方案的WebGL輕量化引擎產(chǎn)品，從根本上解決了幾個(gè)G，十幾個(gè)G，幾十個(gè)G的大BIM模型的加載及渲染問題。
葛蘭岱爾將不斷努力，為中國BIM產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更好更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)產(chǎn)品。
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