作者：廣聯(lián)達(dá)BIM建造技術(shù)總監(jiān)   劉曉棟

500+模型文件，2000+圖紙文件，每天超過100萬次的操作請(qǐng)求，超過2000個(gè)業(yè)務(wù)流程。

這樣的數(shù)據(jù)，您是覺得陌生還是熟悉？夸張還是真實(shí)？

一個(gè)真實(shí)的萬達(dá)廣場BIM模型，比你想象的可能還要多！

面對(duì)這樣眾多的數(shù)據(jù)模型，錯(cuò)綜復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程，需要投入多少時(shí)間？多少辦公設(shè)備？又需要投入多少人力？進(jìn)行多少變更？

像萬達(dá)這樣千億級(jí)的企業(yè)，能夠?qū)IM和大數(shù)據(jù)做到這樣的程度，是件非常了不起的事情。這樣一個(gè)具備行業(yè)影響力的公司，在BIM應(yīng)用落地上始終是走在行業(yè)前列的，同時(shí)，也呈現(xiàn)出了如今BIM模型逃不開的大趨勢：

? BIM模型太大，硬件要求苛刻

? 移動(dòng)辦公，模型加載困難

BIM的最大價(jià)值在協(xié)同，不同崗位間、不同專業(yè)間、多參與方間都需要協(xié)同，將多個(gè)專業(yè)的模型整合為一個(gè)全專業(yè)的模型是最基礎(chǔ)的工作。

原始設(shè)計(jì)模型保留很多設(shè)計(jì)過程中的信息，模型體量大，整合多個(gè)專業(yè)的模型后，體量會(huì)呈數(shù)量級(jí)的增大，對(duì)硬件的要求將會(huì)非?？量?。

隨著智能手機(jī)、平板電腦的全面普及，移動(dòng)辦公的基礎(chǔ)硬件條件已經(jīng)具備，BIM模型的體量卻尚未跟上，如果BIM模型動(dòng)輒幾百M(fèi)，幾個(gè)G，對(duì)移動(dòng)設(shè)備的處理能力和網(wǎng)絡(luò)流量都是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，輕量化是唯一出路。

建筑行業(yè)的輕裝上陣，從BIM輕量化開始。

一、輕量化原理及核心技術(shù)

簡單講，BIM輕量化要解決的核心問題就是：縮小BIM模型體量，讓它輕、顯示快。

從數(shù)據(jù)維度看，設(shè)計(jì)模型包含幾何信息和非幾何信息兩部分。幾何信息即我們能看到的二維、三維模型，非幾何信息通常指一些屬性數(shù)據(jù)、建模相關(guān)的其他數(shù)據(jù)等，非幾何信息的輕量化技術(shù)難度較低，按需提取存儲(chǔ)即可，幾何信息的輕量化技術(shù)難度較高，下面主要針對(duì)幾何信息的輕量化展開。

(一)BIM模型處理全流程

如上圖所示，從設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換到BIM模型，再到我們最終在電腦或者移動(dòng)終端看到的模型，中間經(jīng)歷了兩個(gè)處理過程，一個(gè)是幾何轉(zhuǎn)換，一個(gè)是渲染處理，這兩個(gè)處理過程的好壞直接影響到最終輕量化的效果，因此我們也稱其為BIM模型輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這兩個(gè)環(huán)節(jié)是真正考驗(yàn)各個(gè)BIM軟件廠商技術(shù)實(shí)力的關(guān)鍵點(diǎn)。

(一)BIM模型輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1、幾何轉(zhuǎn)換

幾何轉(zhuǎn)換過程就是將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換到BIM模型的過程，這個(gè)過程是整個(gè)輕量化的源頭，也是核心。我們從微觀和宏觀兩個(gè)方面來優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化。

微觀層面的優(yōu)化：從技術(shù)角度來看，業(yè)內(nèi)目前存在兩種處理方式，分別是參數(shù)化幾何描述和三角化幾何描述。

參數(shù)化幾何描述：

用多個(gè)參數(shù)來描述一個(gè)幾何體，我們稱之為參數(shù)化幾何描述。

例如：我們畫一個(gè)圓形柱子，可以使用3個(gè)參數(shù)：

參數(shù)1：底面原點(diǎn)坐標(biāo)（x、y、z，3個(gè)小數(shù)）

參數(shù)2：底面半徑（r，1個(gè)小數(shù)）

參數(shù)3：柱子高度（h，1個(gè)小數(shù)）

這樣，我們使用5個(gè)小數(shù)即可完成一個(gè)圓柱體的搭建，非常精簡，參數(shù)化幾何描述可以將單個(gè)圖元做到最極致的輕量化。

2、三角化幾何描述

用多個(gè)三角形來描述一個(gè)幾何體，我們稱之為三角化幾何描述。

三角形可以拼接成任意的平面或者曲面，多個(gè)面最終拼接成三維體，這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形處理的基礎(chǔ)。我們?cè)谄聊簧峡吹降娜魏我粋€(gè)三維模型，都是由一個(gè)一個(gè)的三角形拼接而成的。

一個(gè)三維模型，三角形越多，模型看上去越精細(xì)，反之則越粗糙，這也是LOD（Levels of Detail）的基本原理。

還是用圓形柱子舉例，我們可以使用n個(gè)三角形來拼接成圓柱的頂面、底面、圓形曲面，最終合成整個(gè)圓柱。n越大，柱子越光滑，否則圓柱的圓形曲面將會(huì)是有棱角的。

如下圖所示，隨著n的增大，模型的精細(xì)度越來越高：

那么，是不是n越大越好呢？聰明的你一定想到了，n越大，模型越精細(xì)，但是模型體量也越大，這和輕量化的初衷是背道而馳的。

那么n到底設(shè)置多少合適呢？這個(gè)問題沒有答案，不同的應(yīng)用場景對(duì)模型精細(xì)度的要求是不一樣的，遠(yuǎn)距離查看全場景的模型，需要的精細(xì)度比較低，近距離查看單個(gè)圖元，需要的精細(xì)度比較高，所以n設(shè)置多少都不合適，這也是三角化幾何描述的弊端。

因此，同樣畫一個(gè)圓柱，三角化的幾何描述需要至少數(shù)十個(gè)以上三角形來描述，比參數(shù)化描述方式大了很多，輕量化效果并不好。

3、兩種描述的對(duì)比

參數(shù)化幾何描述需要解析設(shè)計(jì)模型的原始幾何信息，然后轉(zhuǎn)換為自有的幾何描述，這個(gè)過程需要幾何算法庫的支撐，技術(shù)難度比較高，但是輕量化效果好，后期使用的靈活度很高，可以根據(jù)不同應(yīng)用場景的精度要求，生成對(duì)應(yīng)精度三角形數(shù)據(jù)來顯示，能很好解決三角化幾何描述的弊端。另外，參數(shù)化幾何描述還有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：在精確測量，布爾運(yùn)算（流水段切割圖元）等方面的良好支持。

三角化幾何描述只需要將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為三角形數(shù)據(jù)保存即可，主流的設(shè)計(jì)軟件一般都提供相關(guān)的二次開發(fā)接口或者SDK來獲取三角形數(shù)據(jù)，技術(shù)難度比較低，但是輕量化效果不佳，后期的某些應(yīng)用場景會(huì)受限。

宏觀層面的優(yōu)化：

前面我們了解到，使用參數(shù)化幾何描述方式，可以有效減少單個(gè)圖元的體量，但是如果是一個(gè)大規(guī)模甚至超大規(guī)模的工程，數(shù)據(jù)量還是很可觀的，這個(gè)時(shí)候的優(yōu)化策略必須從宏觀層面去考慮。

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。通過這種方式我們可以有效減少圖元數(shù)量，達(dá)到輕量化的目的。

如何判斷兩個(gè)圖元是一模一樣呢？相似性算法能有效判斷兩個(gè)圖元能否合并，用專業(yè)術(shù)語來說，就是判斷兩個(gè)圖元是否經(jīng)過剛體變換，包含平移變換、旋轉(zhuǎn)變換和鏡像變換三種情況。

相似行算法能有效減少圖元數(shù)量，尤其在基礎(chǔ)工程、結(jié)構(gòu)工程、鋼結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域，能大幅度減少圖元數(shù)量，輕量化效果非常明顯。

渲染處理

為了達(dá)到流暢、實(shí)時(shí)的顯示，通常繪制需要達(dá)到15-30幀/秒。如果模型數(shù)據(jù)量比較大，尤其是建筑模型，匯集了各專業(yè)的數(shù)據(jù)，模型的三角面片數(shù)會(huì)達(dá)到數(shù)千萬，內(nèi)存的開銷在20-30G以上。在常規(guī)的繪制流程下系統(tǒng)無法裝載整個(gè)數(shù)據(jù)，繪制也非?？D，這時(shí)需要通過各種手段加速場景的繪制，并精簡、控制內(nèi)存的開銷。

下面我們分別從微觀和宏觀兩個(gè)角度對(duì)渲染處理做優(yōu)化，由于篇幅所限，我們只介紹幾種核心優(yōu)化策略，而不是全部。

微觀層面的優(yōu)化

多重LOD（Levels of Detail），加速單圖元渲染速度

多重LOD基本上是3D GIS領(lǐng)域的必備技能，在BIM領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

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)，最終投射到屏幕上的像素并不多。如果用過多的幾何圖元來表示這些物體會(huì)浪費(fèi)存儲(chǔ)并影響性能。

多重LOD用不同級(jí)別的幾何體來表示物體，距離越遠(yuǎn)加載的模型越粗糙，距離越近加載的模型越精細(xì)，從而在不影響視覺效果的前提下提高顯示效率并降低存儲(chǔ)。

單次渲染體量 = 圖元數(shù)量 * 圖元精度。

視點(diǎn)距離遠(yuǎn)的情況下，圖元數(shù)量雖然多，但是圖元精度比較低，所以體量可控。

視點(diǎn)距離近的情況下，圖元精度雖然高，但是圖元數(shù)量比較少，體量依然可控。

因此，使用LOD技術(shù)可以確保在大場景和局部場景下的都能流暢的顯示模型。但是，LOD技術(shù)是一柄雙刃劍，其可以有效控制單次渲染體量，但是多重LOD會(huì)導(dǎo)致模型文件變大，因?yàn)橥粋€(gè)圖元可能會(huì)有多個(gè)幾何形體表示，因此需要根據(jù)實(shí)際情況靈活使用。

LOD技術(shù)的應(yīng)用有許多技巧，譬如按照室內(nèi)、室外區(qū)分模型數(shù)據(jù)，或者按照遠(yuǎn)近、樓層、甚至建筑的專業(yè)與細(xì)節(jié)層次分類處理大小不同的建筑構(gòu)件等。另外，應(yīng)用LOD技術(shù)時(shí)通常也需考慮用戶體驗(yàn)，以避免明顯的顯示效果跳躍。

宏觀層面的優(yōu)化

遮擋剔除，減少渲染圖元數(shù)量

遮擋剔除是將無法投射到人眼視錐中的物體裁剪掉，從而帶來顯示效率上的提升。遮擋剔除技術(shù)是在場景繪制中剔除當(dāng)前視點(diǎn)下被遮擋的對(duì)象、只繪制最前面的對(duì)象，從而達(dá)到提升性能的目的。

如下圖所示，被觀察物由于被遮擋，所以不會(huì)被繪制，從而減少繪制量，提升性能，但是使用者的感知是一樣的。

通常的做法是對(duì)圖元做八叉樹空間索引，然后根據(jù)視點(diǎn)計(jì)算場景中要剔除掉的圖元，只繪制可見的圖元。

批量繪制，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(huì)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，這叫做批次繪制調(diào)用。批次繪制調(diào)用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(dòng)態(tài)調(diào)整，這時(shí)稱為動(dòng)態(tài)批次合并。有時(shí)也結(jié)合動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的批次合并策略，達(dá)到渲染流暢度的提升。

二、理想的輕量化技術(shù)方案

前面我們了解到，輕量化主要從幾何轉(zhuǎn)換和渲染處理兩個(gè)環(huán)節(jié)著手進(jìn)行優(yōu)化，權(quán)衡技術(shù)利弊及應(yīng)用需求，筆者認(rèn)為理想的技術(shù)方案如下：

輕量化模型數(shù)據(jù) = 參數(shù)化幾何描述(必須) + 相似性圖元合并；

提升渲染效果 = 遮擋剔除 + 批量繪制 + LOD(可選)；

三、廣聯(lián)達(dá)BIM輕量化技術(shù)方案

眾所周知，BIM領(lǐng)域的設(shè)計(jì)軟件眾多，而且絕大多數(shù)都是國外的設(shè)計(jì)軟件，不同設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)描述各不相同，并且數(shù)據(jù)的開放程度也各不相同，從設(shè)計(jì)端承接模型并輕量化是一個(gè)復(fù)雜的過程，尤其是參數(shù)化幾何描述，難度更大，但是參數(shù)化幾何描述恰恰是BIM模型輕量化的核心，要做到這一點(diǎn)需要有強(qiáng)大的圖形技術(shù)做支撐，廣聯(lián)達(dá)很早就意識(shí)到這

一點(diǎn)，并持續(xù)投入大量的研發(fā)資源，到現(xiàn)在已經(jīng)有近10年的沉淀，上面提到的理想的技術(shù)方案也是公司不斷摸索總結(jié)出來的。

廣聯(lián)達(dá)BIM輕量化技術(shù)可以把99%以上的Revit幾何體轉(zhuǎn)換為自有的參數(shù)化幾何體，從而達(dá)到極致的輕量化，那么最終效果怎么樣呢？針對(duì)不同專業(yè)效果也不一樣，土建專業(yè)的模型平面居多，壓縮率比較高，基本能達(dá)到1：10以上，機(jī)電專業(yè)曲面較多，壓縮率低一些，尤其機(jī)電設(shè)備較多的情況下，壓縮率會(huì)更低一些，基本在1：5以上，綜合來看，一個(gè)項(xiàng)目全專業(yè)模型的壓縮率在1：5到1：10之間。

在渲染階段，我們除了采用LOD、遮擋剔除、批量繪制手段外，還采用了很多其他優(yōu)化手段，比如多線程調(diào)度、動(dòng)態(tài)磁盤交換、首幀渲染優(yōu)化等手段，大大加速了渲染效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100萬構(gòu)件、3000萬三角片的超大規(guī)模土建模型，渲染數(shù)據(jù)峰值內(nèi)存占用不超過3G，并能流暢顯示。20萬構(gòu)件，4500萬三角片的機(jī)電模型，渲染數(shù)據(jù)峰值內(nèi)存占用不超過2.5G，并能流暢顯示。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，BIM輕量化，廣聯(lián)達(dá)一直在砥礪前行。