CN110414148A - 基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，包括以下步骤：遍历IFC文件数据段实体信息，获取组成建筑模型的全部对象；通过引用、继承关系获得与对象关联的所有数据信息；对具有几何信息的对象进行几何数据处理，获取Revit几何体几何信息，进行几何数据、局部坐标、矩阵的计算，将Revit几何体转化为参数化几何体；通过三角剖分方法对参数化几何体的表面进行三角化处理，最终转换为三角形几何体；进一步对三角形几何体做轻量化处理，按照将几何形状相同，位置不同的构件分为同类构件的原则对所有的三角形几何体进行分类，并为同类构件设置几何标识符；WebGL数据渲染。

Description

基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法

技术领域

本发明涉及建筑信息模型可视化技术领域，具体涉及一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法。

背景技术

BIM(Building Information Modeling)技术是一项应用于建设项目全过程管理的3D数字化技术，以一个贯穿生命周期的通用数据格式，创建、收集该项目所有相关的信息并建立信息协调的信息化模型，成为项目决策的基础和信息共享的资源平台。随着互联网的飞速发展及HTML5/WebGL技术的成熟，BIM可视化在浏览器中的构建将拓宽BIM技术的应用空间。

现今常用的BIM技术为基于C/S架构的本地BIM，需要参与方使用特定的软件程序，其使用和维护较为繁琐，一旦项目客户端缺少相关软件便无法共享和交互相应的信息。在线BIM可视化系统在很大程度上区别于本地BIM。具体表现在：

1.数据模型轻量化。大多数情况下BIM数据模型庞大，其三维模型数据传输需要消耗大量时间与内存，因此要实现在浏览器端设计模型的快速浏览和精确的几何信息查阅，就需要简化设计模型，减小数据交换文件，同时还要保留详细的模型信息。轻量化数据可以改善可视化系统的用户体验。

2.跨平台。移动设备的普及和信息技术的进步引发了跨平台BIM可视化的需求，不同的用户希望在不同的OS(操作系统)中与不同的设备协作，在线BIM可视化系统应满足跨平台要求。

3.开放性。在线BIM可视化系统利用第三方开放标准IFC(Industry FoundationClasses)，能够支持来自不同的BIM设计工具的BIM数据信息的共享与管理。

研究学者从数据处理、存储和模型展示技术方面对BIM可视化做出了大量的理论研究和实验分析，但尚未完全解决网络负载、跨平台问题。因此，BIM可视化在广泛场景中的应用受到了阻碍。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，解决现有的BIM可视化过程中网络负载过大和跨平台兼容性不友好等问题，本发明提供一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法。

一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，包括以下步骤：

一)、模型转换：Revit设计模型转换成轻量化BIM模型；

S11、遍历解析IFC模型文件数据段实体信息，数据段信息包括了建筑模型各构件的位置、几何表现、材料、基本属性等信息；

数据段每个实体都是通过属性来表达的，这里的实体是指模型文件中的每个#语句，包括ObjectPlacement导出属性、Representation导出属性、

HasAssociations反属性、IsdefinedBy反属性等属性。

S12、解析ObjectPlacement导出属性指向的实体语句，获取建筑模型构件位置信息；

S13、解析Representation导出属性指向的实体语句，获取建筑模型构件几何表现信息；

S14、在IFC标准中建筑构件主要使用的几何表现信息包括：扫描实体：IfcSweptAreaSolid、边界表示：IfcFacetedBrep、构造实体几何：IfcCsgSolid，解析包含该几何表现信息的实体语句，获取当前构件几何体的几何表现信息，比如获取到矩形柱的几何表现信息：一个平面、拉伸方向、拉伸距离；根据以上获取到的几何表现信息，使用参数：长度、宽度、高度重新构建该几何体；最终将该构件几何体转换为参数化几何体；

S15、利用Delaunay三角剖分方法，对参数化几何体的表面进行三角化处理；

S16、解析HasAssociations属性指向的实体语句，获取建筑模型构件的材料信息；

S17、解析IsdefinedBy属性指向的实体语句，获取建筑模型构件的属性信息，建筑模型构件的属性信息包括：构件的名称、说明、类别、几何表现、面积、体积、长度、构件位置、材料、属性；

S18、将以上提取到的建筑模型构件的数据信息，以键值对形式存储为json格式数据；键值对是json格式数据存储方式；

S19、按照以上步骤来遍历并解析下一个建筑构件的实体信息，直至获取建筑模型所有构件的可视化信息；

S20.对建筑模型构件几何数据做轻量化处理：一个模型中大部分构件，除了位置不同，其具有相同的几何形状，对于这类构件可以进行构件几何唯一性表达；

轻量化设计的规则：对所有构件进行分类，将几何形状相同，只有位置不同的构件分为同一类型构件，并为其设置统一的唯一几何标识符；设置几何标识符用于在数据渲染阶段通过几何标识符调用对应的几何数据来完成构件的加载；在模型转换阶段，同类构件只保留一份三角形数据；在数据渲染阶段，同类构件通过几何标识符和空间坐标来表达，以满足整个模型中同类构件几何数据需求；

二)、WebGL数据渲染：轻量化BIM模型转换成Web端渲染模型；

S21、梳理json格式数据结构；

S21、WebGL调用并解析json格式数据获取绘制信息：vertices顶点坐标值、Indices顶点索引值、Normal值面片法向量、NormalIndices值面片编号索引、Center值构件的位置坐标。

S22、json格式数据顶点转换成浏览器端三维空间中的顶点：根据获取到的vertices顶点坐标值，GPU进行数据运算，在浏览器三维空间中生成相应的顶点；

S23、顶点着色器进行图元装配的过程：调用顶点着色器按照Indices值将步骤S22生成的孤立顶点装配成三角形图元；Indices值即前述的Indices索引记录三角面片构成；图元装配指的是将孤立的点按照索引顺序生成一个三角形图元；

S24、片元着色器进行光栅化过程；调用片元着色器根据NormalIndices值为每个三角形图元添加法向量，将图元转换成片元；这样三角形图元就具有了确定的方向，即可以为每个片元设置颜色等属性；

S25、对在S24步骤中得到的片元进行着色处理；光栅化完成之后，逐片元调用片元着色器根据Color值为片元着色，每个片元经过着色处理，浏览器显示出最终结果；片元是在图元的基础上增加了一些法线方向、颜色等信息；

进一步的，所述的基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其中：S15步骤中所述的对参数化几何体的表面进行三角化处理，其中需要先对参数化几何体的表面进行网格划分，划分成多个三角形，所述网格划分的过程使用Bowyer-Watson三角剖分方法：首先，设置初始三角形，每次只添加一个新顶点，当新顶点被添加到Delaunay三角网中时，删除不再符合Delaunay空外接圆特的三角形，符合Delaunay空外接圆特性的外接圆包含新添加的顶点，并且这些三角形公共边被移除，从而产生新的Delaunay空外接圆，新添加的顶点连接到构成Delaunay空外接圆的所有顶点以生成新边。

进一步的，所述的一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其中：在所述步骤S14中，解析IFC实体语句获取建筑构件几何信息，将其转换为参数化几何体的过程如下：获取拉伸几何轮廓底面的顶点坐标、拉伸方向矢量、拉伸距离长度；拉伸方向矢量与底面顶点坐标相乘得到对应顶面顶点坐标值，即获取几何体所有顶点坐标值，即几何表现信息；通过平移、旋转矩阵将建筑构件的局部位置坐标转换为全局坐标，获取到几何体的位置信息；进一步通过上述参数重新构建该几何体。

进一步的，所述的一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其中：按照一定的路径，通过直接属性、反属性反查到关系实体，解析该实体获取包括构件名称、说明、类别、面积、体积、长度、构件位置等的非几何信息；这些非几何信息成为构件与属性关联的数据支撑。

本发明提供的一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，基于IFC标准及WebGL技术开发，无需安装插件即可在网页中浏览BIM模型的结构及详细属性信息，并可进行模型显示控制等功能，将模型导入到网上空间，让工程各方都能基于这个模型进行讨论，实现信息共享，最大化协同，在少量投入的情况下实现BIM的深入应用。

附图说明

图1为基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法总体框架图；

图2为模型转换过程图；

图3为Bowyer-Watson方法原理图，图中插入新节点P；

图4为Bowyer-Watson方法原理图，图中决定如何连接P与其它顶点；

图5为Bowyer-Watson方法原理图，图中删除边AB；

图6为Bowyer-Watson方法原理图，图中形成三角形；

图7为Web端可视化柱子效果图；

图8为大型BIM文件的加载完成图；

图9为360浏览器上浏览BIM可视化模型图；

图10为搭载IOS系统的苹果手机上浏览BIM可视化模型图。

具体实施方式

一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，包括以下步骤：

一)、模型转换：Revit设计模型转换成轻量化BIM模型；

S11、遍历解析IFC模型文件数据段实体信息，数据段信息包括了建筑模型各构件的位置、几何表现、材料、基本属性等信息；

数据段每个实体都均通过属性来表达，这里的实体是指模型文件中的每个#语句，包括ObjectPlacement导出属性、Representation导出属性、HasAssociations反属性、IsdefinedBy反属性等属性。

S12、解析ObjectPlacement导出属性指向的实体语句，获取建筑模型构件位置信息；

S13、解析Representation导出属性指向的实体语句，获取建筑模型构件几何表现信息；

S14、在IFC标准中建筑构件主要使用的几何表现信息包括：扫描实体：IfcSweptAreaSolid、边界表示：IfcFacetedBrep、构造实体几何：IfcCsgSolid，解析包含该几何表现信息的实体语句，获取当前构件几何体的几何表现信息，比如获取到矩形柱的几何表现信息：一个平面、拉伸方向、拉伸距离；根据以上获取到的几何表现信息，使用参数：长度、宽度、高度重新构建该几何体；最终将该构件几何体转换为参数化几何体；

为了实现轻量化：提出参数化几何体的技术：比如在IFC标准中一个几何体需要10个参数来描述，现在只用8个参数或更少的参数来描述这个几何体；把使用了更少参数的几何体称为参数化几何体；

S15、利用Delaunay三角剖分方法，对参数化几何体的表面进行三角化处理；

S16、解析HasAssociations属性指向的实体语句，获取建筑模型构件的材料信息；

S17、解析IsdefinedBy属性指向的实体语句，获取建筑模型构件的属性信息，建筑模型构件的属性信息包括：构件的名称、说明、类别、几何表现、面积、体积、长度、构件位置、材料、属性；

S18、将以上提取到的建筑模型构件的属性信息，以键值对形式存储为json格式数据；

S19、按照以上步骤来遍历并解析下一个建筑构件的实体信息，直至获取建筑模型所有构件的可视化信息；建筑模型是通过一个一个的构件搭建起来的；

S20.对建筑模型构件几何数据做轻量化处理：一个模型中大部分构件，除了位置不同，其具有相同的几何形状，对于这类构件可以进行构件几何唯一性表达；

轻量化设计的规则：对所有构件进行分类，将几何形状相同，只有位置不同的构件分为同一类型构件，并为其设置统一的唯一几何标识符；设置几何标识符用于在数据渲染阶段通过几何标识符调用对应的几何数据来完成构件的加载；在模型转换阶段，同类构件只保留一份三角形数据；在数据渲染阶段，同类构件通过几何标识符和空间坐标来表达，以满足整个模型中同类构件几何数据需求；

同一类型的柱子：比如10个柱子，形状相同只是所在位置不同。解析完之后有10份几何数据，数据量相对比较大。轻量化处理之后只需要一份几何数据+几何标识符这么多的数据量就可以满足10个柱子的几何数据需求了。相当于9份数据用几何标识符代替了；

二)、WebGL数据渲染：轻量化BIM模型转换成Web端渲染模型；

S21、梳理json格式数据结构；

S21、WebGL调用并解析json格式数据获取绘制信息：vertices顶点坐标值、Indices顶点索引值、Normal面片法向量、NormalIndices面片编号索引值、Center值构件的位置坐标值。

S22、json格式数据顶点转换成浏览器端三维空间中的顶点：根据获取到的vertices顶点坐标值，GPU进行数据运算，在浏览器三维空间中生成相应的顶点；

S23、顶点着色器进行图元装配的过程：调用顶点着色器按照Indices值将步骤S22生成的孤立顶点装配成三角形图元；Indices值即前述的Indices索引记录三角面片构成；图元装配指的是将孤立的点按照索引顺序生成一个三角形图元；

S24、片元着色器进行光栅化过程；调用片元着色器根据NormalIndices值为每个三角形图元添加法向量，将图元转换成片元；这样三角形图元就具有了确定的方向，即可以为每个片元设置颜色等属性；

S25、对在S24步骤中得到的片元进行着色处理；光栅化完成之后，逐片元调用片元着色器根据Color值为片元着色，每个片元经过着色处理，浏览器显示出最终结果；片元是在图元的基础上增加了包括法线方向、颜色等的信息；

法线方向：用于区分一个面的里边还是外边。比如一个面的颜色要设置到外边，内外就是通过法线方向来区分的。

S15步骤中所述的对参数化几何体的表面进行三角化处理，其中需要先对参数化几何体的表面进行网格划分，在计算机中所有的面都是通过三角形拟合而成的，再由面组合成体，比如把一个矩形划分成两个三角形，这个过程叫网格划分；所述网格划分的过程使用Bowyer-Watson三角剖分方法：首先，设置初始三角形，每次只添加一个新顶点，当新顶点被添加到Delaunay三角网中时，删除不再符合Delaunay空外接圆特的三角形，符合Delaunay空外接圆特性的外接圆包含新添加的顶点，并且这些三角形公共边被移除，从而产生新的Delaunay空外接圆，新添加的顶点连接到构成Delaunay空外接圆的所有顶点以生成新边。

在所述步骤S14中，解析IFC实体语句获取建筑构件几何信息，将其转换为参数化几何体的过程如下：获取拉伸几何轮廓底面的顶点坐标、拉伸方向矢量、拉伸距离长度；拉伸方向矢量与底面顶点坐标相乘得到对应顶面顶点坐标值，获取几何体所有顶点坐标值，即几何表现信息；通过平移、旋转矩阵将建筑构件的局部位置坐标转换为全局坐标，获取到几何体的位置信息；进一步通过上述参数重新构建该几何体。使用尽量少的数据来表示一个几何体。比如说一个柱子通过8个顶点坐标和一个位置坐标9个参数来表示，进一步参数化几何体只需要通过一个位置坐标、长、宽、高4个参数就可以表示该柱子。此做法从微观层面实现模型的轻量化，在一定程度上解决了模型轻量化问题。

按照路径，通过直接属性、反属性反查到关系实体，解析该实体获取包括构件名称、说明、类别、面积、体积、长度、构件位置的非几何信息；这些非几何信息成为构件与属性关联的数据支撑。

在模型转换阶段，同类构件保留唯一的图元三角形数据。在数据渲染阶段，同类构件皆可通过几何标识符和空间坐标来表达，满足了整个模型中同类构件几何数据需求；IFC格式数据转换成了JSON格式数据，在Web端加载JSON格式数据，最终将Revit设计模型转换为Web端渲染模型。

与传统的模型相比，该模型更加具备数字化、信息化的特点，在轻量化的基础上，最大程度地保存了数据信息及模型信息，能够满足工程各方基于该模型进行信息共享及技术协同。解析并保留属性信息，渲染模型与属性关联使其具备数字化、信息化的特点。

本发明的一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，是为了解决现有技术中BIM可视化过程中网络负载过大和跨平台兼容性不友好等问题，本方法包含模型转换、数据渲染两个阶段，通过轻量化BIM数据以减轻在线可视化网络负载，采用WebGL作为渲染引擎，以支持来自不同平台的不同硬件和操作系统环境，并使用IFC作为基本BIM数据格式，以支持更多BIM设计工具。最后通过实例验证了该系统的可行性和有效性。本发明通过以下技术方案予以实现。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1.基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法总体框架图。

IFC规范定义柱对象EXPRESS描述语句如下所示：

#278＝

IFCCOLUMN('1EqPJlHO93RfcTNnq7$eA5',#41,'\X2\6DF751DD571F\X0\-\X2\77E95F62\X0\-\X2\67F1\X0\:1000 x 1000mm:195261',$,'1000 x 1000mm',#276,#269,'195261')；

#269＝IFCPRODUCTDEFINITIONSHAPE($,$,(#267))；

#267＝

IFCSHAPEREPRESENTATION(#88,'Body','MappedRepresentation',(#265))；

#265＝IFCMAPPEDITEM(#142,#264)；

#142＝IFCREPRESENTATIONMAP(#141,#138)；

#138＝IFCSHAPEREPRESENTATION(#88,'Body','SweptSolid',(#128))；

#128＝IFCEXTRUDEDAREASOLID(#126,#127,#19,2000.)

#126＝IFCRECTANGLEPROFILEDEF(.AREA.,'1000x 1000mm',#125,1000.,1000.)；

#125＝IFCAXIS2PLACEMENT2D(#123,#23)；

#123＝IFCCARTESIANPOINT((0.,0.))；

#23＝IFCDIRECTION((1.,0.))；

#127＝IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,#19,#13)；

#6＝IFCCARTESIANPOINT((0.,0.,0.))；

#19＝IFCDIRECTION((0.,0.,1.))；

#13＝IFCDIRECTION((-1.,0.,0.))；

#280＝IFCLOCALPLACEMENT(#113,#279)；

#113＝IFCLOCALPLACEMENT(#32,#112)；

#279＝IFCAXIS2PLACEMENT3D(#277,$,$)；

以该例对IFC模型文件进行解释说明，在IFC文件中每条语句都有一个实例号(#整数)，以被其他语句所引用。#278语句代表柱子构件，由9个属性组成包括直接属性、导出属性、反属性。#269语句用来描述柱子的几何表现信息。#138语句描述了该柱子采用SweptSolid拉伸实体来表示，具体到#128语句。#126语句描述了一个1000mm*1000mm的矩形拉伸轮廓面。#127语句描述了矩形轮廓面的的位置(0、0、0)坐标。#19描述了轮廓面的拉伸方法为Z轴，拉伸距离为2000mm。#280语句描述了柱子的位置信息，在IFC标准中所有的位置信息都是采用相对坐标系来表示的。#113语句描述了柱子坐标系相对于楼层坐标系。#279语句描述了局部坐标系，用来进行坐标转换。

图2所示为模型转换过程，具体步骤如下：

S11、遍历IFC文件数据段实体信息：任何一个实体的信息都是通过属性来描述的，属性分为直接属性、导出属性、反属性；直接属性包括GUID、NAME等直接信息；导出属性是指通过引用其他实体来表达的属性，如ObjectPlacement、Representation；反属性是通过关系实体进行关联的属性，如HasAssociations属性通过关联实体IfcRelAssociates关联构建的材料信息。解析属性对应的实体来获取构件可视化信息:位置、几何表现、材料、基本属性。

S12、解析ObjectPlacement导出属性指向的实体语句，获取模型构件位置信息，具体过程如下：导出属性需要通过IFC实体之间的引用关系，按照路径反找到所需要的实体，进行参数提取。矩形柱的位置信息参数，通过引用关系找到指向IfcObjectPlacement实体，该实体定义了相对坐标系，局部坐标系。根据相对坐标系计算得出构件的位置矩阵(旋转矩阵、平移矩阵)，结合局部坐标系给出的构件局部坐标值来确定构件的绝对坐标。即局部坐标值×位置矩阵＝全局坐标值。

S13、解析Representation导出属性所引用的实体，获取建筑构件的几何表现信息。具体过程如下：导出属性需要通过IFC实体之间的引用关系，按照一定的路径反找到所需要的实体，进行参数提取。矩形几何体参数，通过引用关系找到IFCIFCEXTRUDEDAREASOLID实体，并提取需要的参数值：拉伸轮廓面的长、宽，轮廓面定位坐标，拉伸方向，拉伸距离。

经过S12、S13步骤获取到了该构件的几何表现即：构件几何体和空间位置。

该柱以ifc规范定义，采用扫描实体(SweptSolid)来描述。扫描实体定义了(IFCRectangleProfileDef)矩形横截面、(XDim)长度1000mm、(YDim)宽度1000mm、(IFCDirection)拉伸方向Z轴和(IFCCartesianPoint)拉伸距离2000mm。该柱子绝对坐标值(1000、1000、2000)。

S14、获取到构件的几何表现信息后，通过几个参数重新构建该几何体，使用尽量少的数据来表示一个几何体此做法可以从微观层面实现模型的轻量化)，把设计模型的几何体转换为参数化几何体。

柱参数化几何描述为：参数1，底面原点坐标(X、Y、Z，以数字表示)；参数2，长度(X，以数字表示)；参数3，宽度(Y，以数字表示)；参数4，柱子高度(H,以数字表示)，使用6个数字表示即可完成一个柱子的搭建，参数化几何描述可以将单个图元做到极致轻量化。

S15、通过三角剖分方法对S14生成的参数化几何体的表面进行三角化处理，最终转换为三角形几何体。

由于移动设备中有限的计算资源以及Web浏览器中资源的约束，显然不可能直接渲染IFC原始设计模型。三角形是简单的几何类型，可以在大多数Web浏览器中直接渲染。因此，在开放式BIM跨平台在线可视化中使用三角形作为中间几何类型。

本实施例使用Delaunay三角剖分方法来描述所有参数化几何体表面的三角形，详细地说，网格划分过程使用Bowyer-Watson方法，该方法利用了Delaunay空外接圆特性。首先，设置初始三角形，每次只添加一个新顶点，当新顶点被添加到Delaunay三角网中时，某些三角形不再符合Delaunay空外接圆特性。在这种情况下，它们的外接圆包含新的顶点，并且这些三角形公共边被移除，从而产生新的Delaunay空外接圆。新添加的顶点连接到构成Delaunay空外接圆的所有顶点以生成新边。很容易证明这些新添加的边所形成的三角形符合Delaunay空外接圆特性。以这种方式，将新顶点添加到原始三角形，通过将表面的所有顶点简单地添加到原始三角形中来制定三角网。Bowyer-Watson方法原理如图3、图4、图5、图6所示。

S16、获取模型构件的材料信息。材料属性的获取需要通过实体中HasAssociations这个反属性，来反查到关联实体IfcRelAssociatesMaterial,由该关联实体关联到描述材料信息的实体IfcMaterial，提取参数值：Name、Description、Category。在JavaScript中定义Material为属性名，提取的参数(名称、说明、类别)作为属性值进行存储。

S17、获取构件的基本属性信息。基本属性的提取需要通过实体中IsdefinedBy属性，反查到关联实体IfcRelDefinesByProperties，关联实体关联的属性集IfcPropertySet作为属性数组名称，接着在由属性集关联的单个属性实体IfcPropertySinglevalue中提取属性名和属性值。如：Area、Volume、length。在JavaScript中定义PropertySinglevalue为属性名，提取的参数(面积、体积、长度)作为属性值进行存储。

S18、按照以上步骤，将提取到的构件的信息(位置、几何表现、材料、属性)以属性名：属性值这种键值对形式存储为json格式数据。图7为Web端可视化柱子构件效果图。

S19.按照以上步骤来遍历并解析另外一个建筑构件实体信息，直至获取模型所有构件的可视化信息。

从桌面端走向浏览器端，受浏览器计算能力、内存等限制因素的影响。基于C/S架构的本地BIM可视化需要很高的计算机配置，要求具备高频CPU、大内存和独立显卡。因此，浏览器BIM的第一个主要任务是轻量化处理，调整模型数据的组织方式，以满足不同配置的终端的使用。

S20.对构件几何数据做轻量化处理。一个模型中大部分构件，除了位置不同，其具有相同的几何形状，对于这类构件可以进行几何唯一性表达。构件几何唯一性表达方法设计思路：对解析完的所有构件进行分类，将几何形状相同，只有位置不同的构件分为同一类型的构件同时为其设置相同的几何标识符。同类构件之间可以通过几何标识符来进行几何数据的共享。在模型转换阶段保留唯一的一份同类构件几何数据，在数据渲染阶段同类构件通过几何标识符和空间坐标来表达，满足整个模型中同类型构件几何数据需求。这样从整体上既减少了构件的几何数据量，也可以保证构件的一致性，最终达到轻量化的目的。

以一工程承台桩为例阐明几何唯一性表达轻量化效果。某工程承台桩80个，假设桩的几何数据大小为xKB。桩总数据量大小为80xKB，这会给浏览器BIM带来过大的网络负载。对于桩构件，除了其位置不同，所有桩都具有相同的几何形状，因此可以进行几何唯一性表达。采用相似性方法来判断两个桩构件是否能合并，具体地说就是判断两个桩是否能够经过三种刚体变换方式中的一种或多种转换实现合并，比如判断桩构件2是否是由桩构件1经过平移变换、旋转变换或镜像变换而得到。通过计算机图形学变换矩阵，可以将三维空间中任何构件平移、旋转、镜像到三维空间的任意位置。例如，桩构件沿X、Y、Z方向移动一段距离，构件大小和形状均不变，其变换矩阵为：

桩几何唯一性表达后，数据总量减少为x+(80-1)×16×8/1024＝(x+9.875)KB(假设模型矩阵中的每个数字占用8个字节)。几何数据总量大小从乘法量级减少到加法量级。几何唯一性表达大大减少几何体数量，减小模型的大小。这样既减轻了网络传输负载，也能减少显示时GPU的占用。

第二步是WebGL数据渲染(加载json格式数据，将轻量级BIM模型转换为Web端渲染模型)

WebGL可满足在线BIM可视化系统的跨平台需求。其具有高度开源的3D图形标准API、完备的事件处理机制、良好的兼容性、与HTML紧密集成性、易于编译和链接的脚本环境等诸多优势。在渲染阶段使用HTML5/WebGL技术来显示轻量级模型。

WebGL数据渲染流程如下：

S21、梳理json格式数据结构。

模型转换完成后，IFC数据格式被转换为json数据格式，为了满足几何唯一性表达的需求将json格式数据采用基本数据列表和类构件几何数据列表进行存储。类构件几何数据列表包含vertices值(几何体顶点坐标值)、Indices索引(三角面片构成顺序)、Normal值(面片的法向量)、NormalIndices面片编号索引(通过编号来获取面片法向量值)等。基本数据列表包含Color值(表面外观颜色)，Center值(几何体的位置坐标)，Material值(几何体的材质信息)、构件几何标识符等。基本数据列表和类构件几何数据列表通过几何标识符建立关联关系。

S21、WebGL调用并解析json格式数据获取绘制信息：vertices顶点坐标值、Indices顶点索引值、Normal面片法向量、NormalIndices面片编号索引值、Center值构件的位置坐标值。

S22、json格式数据顶点转换成浏览器端三维空间中的顶点：根据获取到的vertices顶点坐标值，GPU进行数据运算，在浏览器三维空间中生成相应的顶点；

S23、顶点着色器进行图元装配(将孤立的点按照索引顺序生成一个三角形)的过程：调用顶点着色器按照Indices值将S22生成的孤立顶点装配成三角形图元；

S24、片元着色器进行光栅化过程；调用片元着色器根据Normal、NormalIndices值为每个三角形图元添加法向量，将图元转换成片元。这样三角形图元就具有了确定的方向。

S25、对在S24步骤中得到的片元进行着色处理；光栅化完成之后，程序开始逐片元调用片元着色器根据Color值为片元着色，每个片元经过着色处理，浏览器显示出最终结果。

为验证本文开发的基于WebGL的开放BIM跨平台可视化方法的应用效果，针对太原市某小高层项目进行了浏览器端三维可视化应用。该工程主体结构采用框架剪力墙结构。工程IFC文件带有4124个实例对象。2436236个三角形面和7308708个顶点。针对该工程进行可视化，首先解析小高层.IFC文件，获取Revit几何体。把Revit几何体转化为参数化几何体，三角化，几何唯一性表达，转换为json格式数据。将设计模型转换成了BIM模型，采用参数化几何描述、几何唯一性表达轻量化技术对BIM模型进行轻量化处理。最后利用WebGL技术在浏览器端绘制小高层模型。结果显示，轻量化方法缩小了BIM模型体量，使之具备了体量轻、显示快的特点。轻量化后文件的加载时间大幅减少，极大提高可视化性能和用户体验，建筑整体模型显示如图8。此外，通过事件响应函数对用户在浏览器上所做的操作进行响应，实现了对象选中显示构件详情、局部放大、剖切等功能。

为测试该方法在不同操作系统的兼容性，在不同设备(包括个人计算机(如图9)，iPhone和Android手机(如图10))的Web浏览器中加载了BIM模型。可以看出，使用该方法在所有这些设备浏览器中都能够很好地渲染出BIM模型。

本技术的一种基于WebGL的新型在线BIM可视化方法，通过模型转换、渲染数据，实现设计模型的Web浏览和交互。渲染模型保留了设计过程多数属性信息，使工程各参与方均能基于此模型进行信息共享，最大化实现协同管理。

本方法通过轻量化BIM数据减轻了网络传输负载，采用WebGL作为渲染引擎，支持来自不同平台的不同硬件和操作系统环境，并使用IFC作为基本BIM数据格式，支持更多的BIM设计工具。本方法对于Web环境下的BIM技术发展具有重要意义。

与目前关于BIM可视化的研究不同，该方法处理后的模型是轻量化、跨平台的深度轻量化模型，具有最小化CPU、GPU、开销的特点，无需专有软件，直接在设备浏览器上显示模型。本研究为BIM应用提供了较好的方法，帮助用户最大化地发挥模型的应用价值。

该方法可以在建筑全生命周期中获得更多应用，包括多算对比有效管控、虚拟施工有效协同、碰撞检查减少返工、安全分析、质量管理、全生命周期管理等。

本发明轻量化核心技术：以类型构件为例完全分析了IFC标准中类型构件数据结构。实例几何信息在对应类型实体中表达，实例实体包括空间位置信息。实例实体通过关系映射与类型实体建立关联关系获取实例构件的几何信息。换句话说，所有的实例构件都可以共享其类构件的几何信息。基于该分析，应用几何唯一性表达从宏观层面来实现轻量化，有效减少构件图元数量。微观层面结合计算机图形学知识，用最少的参数重新搭建Revit几何体，使得单个图元极致轻量化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

一)、模型转换：Revit设计模型转换成轻量化BIM模型；

S11、遍历解析IFC模型文件数据段实体信息，数据段信息包括了建筑模型各构件的位置、几何表现、材料、基本属性等信息；

数据段每个实体都是通过属性来表达的，这里的实体是指模型文件中的每个#语句，包括ObjectPlacement导出属性、Representation导出属性、HasAssociations反属性、IsdefinedBy反属性等属性。

S12、解析ObjectPlacement导出属性指向的实体语句，获取建筑模型构件位置信息；

S13、解析Representation导出属性指向的实体语句，获取建筑模型构件几何表现信息；

S14、在IFC标准中建筑构件主要使用的几何表现信息包括：扫描实体：IfcSweptAreaSolid、边界表示：IfcFacetedBrep、构造实体几何：IfcCsgSolid，解析包含该几何表现信息的实体语句，获取当前构件几何体的几何表现信息，比如获取到矩形柱的几何表现信息：一个平面、拉伸方向、拉伸距离；根据以上获取到的几何表现信息，使用参数：长度、宽度、高度重新构建该几何体；最终将该构件几何体转换为参数化几何体；

S15、利用Delaunay三角剖分方法，对参数化几何体的表面进行三角化处理；

S16、解析HasAssociations属性指向的实体语句，获取建筑模型构件的材料信息；

S17、解析IsdefinedBy属性指向的实体语句，获取建筑模型构件的属性信息，建筑模型构件的属性信息包括：构件的名称、说明、类别、几何表现、面积、体积、长度、构件位置、材料、属性；

S18、将以上提取到的建筑模型构件的数据信息，以键值对形式存储为json格式数据；键值对是json格式数据存储方式；

S19、按照以上步骤来遍历并解析下一个建筑构件的实体信息，直至获取建筑模型所有构件的可视化信息；整个建筑模型通过一个一个的构件搭建起来；

S20.对建筑模型构件几何数据做轻量化处理：一个模型中大部分构件，除了位置不同，其具有相同的几何形状，对于这类构件可以进行构件几何唯一性表达；

轻量化设计的规则：对所有构件进行分类，将几何形状相同，只有位置不同的构件分为同一类型构件，并为其设置统一的唯一几何标识符；设置几何标识符用于在数据渲染阶段通过几何标识符调用对应的几何数据来完成构件的加载；在模型转换阶段，同类构件只保留一份三角形数据；在数据渲染阶段，同类构件通过几何标识符和空间坐标来表达，以满足整个模型中同类构件几何数据需求；

二)、WebGL数据渲染：轻量化BIM模型转换成Web端渲染模型；

S21、梳理json格式数据结构；

S21、WebGL调用并解析json格式数据获取绘制信息：vertices顶点坐标值、Indices顶点索引值、Normal值面片法向量、NormalIndices值面片编号索引、Center值构件的位置坐标。

S22、json格式数据顶点转换成浏览器端三维空间中的顶点：根据获取到的vertices顶点坐标值，GPU进行数据运算，在浏览器三维空间中生成相应的顶点；

S23、顶点着色器进行图元装配的过程：调用顶点着色器按照Indices值将步骤S22生成的孤立顶点装配成三角形图元；Indices值即前述的Indices索引，记录三角面片构成；图元装配指的是将孤立的点按照索引顺序生成一个三角形图元；

S24、片元着色器进行光栅化过程；调用片元着色器根据NormalIndices值为每个三角形图元添加法向量，将图元转换成片元；这样三角形图元就具有了确定的方向，即可以为每个片元设置颜色等属性；

S25、对在S24步骤中得到的片元进行着色处理；光栅化完成之后，逐片元调用片元着色器根据Color值为片元着色，每个片元经过着色处理，浏览器显示出最终结果；片元是在图元的基础上增加了一些法线方向、颜色等信息。

2.根据权利要求1所述的基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其特征在于：S15步骤中所述的对参数化几何体的表面进行三角化处理，其中需要先对参数化几何体的表面进行网格划分，划分成多个三角形，所述网格划分的过程使用Bowyer-Watson三角剖分方法：首先，设置初始三角形，每次只添加一个新顶点，当新顶点被添加到Delaunay三角网中时，删除不再符合Delaunay空外接圆特的三角形，符合Delaunay空外接圆特性的外接圆包含新添加的顶点，并且这些三角形公共边被移除，从而产生新的Delaunay空外接圆，新添加的顶点连接到构成Delaunay空外接圆的所有顶点以生成新边。

3.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其特征在于：在所述步骤S14中，解析IFC实体语句获取建筑构件几何体几何信息，将其转换为参数化几何体的过程如下：获取拉伸几何轮廓底面的顶点坐标、拉伸方向矢量、拉伸距离长度；拉伸方向矢量与底面顶点坐标相乘得到对应顶面顶点坐标值，即获取几何体所有顶点坐标值，即几何表现信息；通过平移、旋转矩阵将建筑构件的局部位置坐标转换为全局坐标，获取到几何体的位置信息；进一步通过上述参数重新构建该几何体。

4.根据权利要求1所述的一种基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化方法，其特征在于：按照一定的路径，通过直接属性、反属性反查到关系实体，解析该实体获取包括构件名称、说明、类别、面积、体积、长度、构件位置等的非几何信息；这些非几何信息作为构件与属性关联的数据支撑。