CN110675508A - 一种bim模型几何图形化简方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BIM模型几何图形化简方法。它包括如下步骤，步骤一：获取BIM模型体的表面几何数据；步骤二：判断BIM模型某一格网面是否为三角面；根据BIM模型某一格网的顶点个数判断其是否为三角面片；当多边形为三角面时，则对其进行三角面片合并化简，然后对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简；步骤三：根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处；步骤四：根据获取的材质信息，对化简后的模型根据格网划分赋予对应的材质属性。本发明具有能够快速实现对BIM模型几何数据的三角面片和边界的化简；通过对合并后面形状的判断，能够保留BIM模型原有几何图形特征的优点。

Description

一种BIM模型几何图形化简方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，更具体地说它是一种BIM模型几何图形化简方法。更具体地说它是一种基于相邻三点法和三角面片合并，同时考虑边界线化简和三角网格面合并化简，并对三角面和其它多边形面进行区别化简的BIM模型几何图形化简方法。

背景技术

建筑信息化模型(BIM)的英文全称是Building Information Modeling，它是一个完备的信息模型，能够将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便的被工程各参与方使用。通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作，从而降低了工程生产成本，保障工程按时按质完成。

BIM模型一般较为精细、体量大、构件多，在可视化和集成管理过程中存在模型加载和渲染时间长、体验差等问题，因此，需要对BIM模型数据进行轻量化预处理。

目前针对BIM模型的轻量化，主要从两个方面进行着手考虑：一是BIM模型冗余属性信息的提出；二是BIM模型几何图形的化简。在几何图形的化简过程中，一般采用多个细节层次LOD(Levels of Details，层次细节模型)分级压缩，现有大多数方法随着化简层级的加深，易造成破面和无法保持原有几何图形特征的问题。

因此，现亟需开发一种能实现在保留BIM模型几何特征与必要的属性信息的同时，能够顺畅浏览和管理大体量模型数据的BIM模型几何图形化简方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种BIM模型几何图形化简方法，能实现在保留BIM模型几何特征与必要的属性信息的同时，能够顺畅浏览和管理大体量模型数据，且快速有效。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种BIM模型几何图形化简方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：获取BIM模型体的表面几何数据；

利用BIM软件的数据导出功能，将BIM模型数据导出为IFC格式数据，获取BIM模型的材质信息和表面几何数据；

步骤二：判断BIM模型某一格网面是否为三角面；

根据BIM模型某一格网的顶点个数判断其是否为三角面片；当顶点个数为3时，则为三角面片；反之，则不是；

当多边形为三角面时，则对其进行三角面片合并化简，然后对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简；当多边形不是三角面时，则直接对多边形表面采用三点法进行边界线化简；

步骤三：根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处；

步骤四：根据获取的材质信息，对化简后的模型根据格网划分赋予对应的材质属性。

在上述技术方案中，步骤二中，当多边形为三角面时，对其进行三角面片合并化简，三角面片的合并化简具体实施步骤为：

步骤21：将所有三角面片标记为0；

步骤22：统计标记为0的三角面片个数为N₀；

当N₀＝0时，则三角面片合并化简结束；

当N₀＞0时，任意选择某一标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；

步骤23：顺时针标识种子面片的三个顶点；

步骤24：获取与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)，其中，n为面片个数；n≥1；

步骤25：计算种子面片A与相邻三角面片A_i的夹角θ_i(i＝1，2，…，n，n≥1；)；

步骤26：判断夹角θ_i与面合并阈值的关系；

当θ_i≤面合并阈值时，则判断三角面片A_i与种子面片A共面，执行步骤27-步骤29；

当θ_i＞面合并阈值时，则判断三角面片A_i与种子面片A不共面，则判断下一个三角面片(i++)，跳转至步骤25；

当第一个标记为1的三角面片判断完毕，再任意选择另一个标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；重复步骤23-步骤26；直至标记为0的三角面片都判断完毕；

当与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)都判断完毕，则统计标记为1的三角面片的个数为N；

当N＝1时，将种子面片A重新标记为2，跳转至步骤22；

当N＞1时，跳转至步骤210，执行步骤210-步骤214；

步骤27：将A_i标记为1，获取三角面片A_i与A相邻边的两端点标识；

步骤28：当两端点的标识相连时，则将三角面片A_i的另一个顶点插入相邻边的两端点之间；

当两端点的标识不相连时，则将A_i的另一个顶点标识为相邻边两端点标识的大值+1；

步骤29：跳转至步骤22；

步骤210：将所有标记为1的三角面片A_i顶点投影至种子面片A所在的平面；

步骤211：将种子面片A上所有投影点按照原三角面片A_i顶点标识进行相应的标识；

步骤212：按照投影点标识顺序依次进行连接，构建合并后多边形；

步骤213：对合并后多边形采用三点法进行边界线化简；

步骤214：将重构的多边形标记为2，跳转至步骤22。

在上述技术方案中，步骤二中，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简，具体实施步骤为：

步骤31：选择多边形的任意顶点为起始点，按照顺时针对各顶点进行标识；

步骤32：从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近三点作为一个分析单元，计算它们所组成的两条直线的夹角；

步骤33：判断两条直线的夹角大小与设定的阈值的关系；

当夹角小于或等于设定的阈值时，则判断该三点共线，删除中间点，加入下一个点构成新的分析单元；

当夹角大于阈值时，则保留中间点，继续遍历；

直至所有顶点判断完毕，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简完毕。

在上述技术方案中，步骤三中，根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处，具体实施步骤为：

步骤41：对多边形边界线进行化简时，对满足化简要求需删除的点进行标识；

步骤42：对每一待删除点根据短边原则，即判断待删除点相邻两边中的较短边，将待删除点移至较短边的另一顶点，与待删除点相连的其它多边形的边进行同步调整。

本发明具有如下优点：

(1)本发明利用三点法和面投影合并法，能够快速实现对BIM模型几何数据的三角面片和边界的化简；通过对合并后面形状的判断，能够保留BIM模型原有几何图形特征；有效避免现有技术对BIM模型几何数据化简后，未能保持原有几何图形特征，存在破面的问题；

(2)本发明提供了一种BIM模型几何图形快速有效化简的方法，利用三点法和三角面片合并化简实现BIM模型几何数据的边界线和组成面的化简，实现在保留BIM模型几何特征与必要的属性信息的同时，能够顺畅浏览和管理大体量模型数据；

(3)本发明结合相邻三点法和三角面片合并法，对三角面和其它多边形面进行了区别化简，兼顾了BIM模型几何图形的边界线和三角面化简，在化简过程中，保留了BIM模型原有几何图形特征；解决了由于BIM模型的大数据量造成对电脑硬件的要求高，且容易导致程序卡死和崩溃的问题；本发明为BIM模型的可视化、集成、共享和协同提供了技术支撑。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

图2为本发明三角面片夹角示意图。

图3为本发明三角面片合并化简工艺流程图。

图4为本发明多边形边界线化简后对删除的顶点处理示意图。

图5为采用现有BIM模型化简方法对实施例模型进行化简后的BIM模型线框图。

图6为采用本发明对实施例模型进行化简后的BIM模型线框图。

图7为图5的实体图。

图8为图6的实体图。

在图2中，L₁和L₂分别为相邻三角形S₁和S₂的法向量，θ为法向量L₁和L₂的夹角。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种BIM模型几何图形化简方法，包括如下步骤，

步骤一：获取BIM模型体的表面几何数据；

利用BIM软件的数据导出功能，将BIM模型数据导出为IFC格式数据，获取BIM模型的材质信息和表面几何数据；初始情况下获取的几何数据为三角格网，随着组成三角格网的三角面片的合并化简(包括面合并、投影、边界线化简等)，会存在多边形面；

步骤二：判断BIM模型某一格网面是否为三角面；

根据BIM模型某一格网的顶点个数判断其是否为三角面片；当顶点个数为3时，则为三角面片；反之，则不是；

当多边形为三角面时，则对其进行三角面片合并化简，然后对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简；

当多边形不是三角面时，则直接对多边形表面采用三点法进行边界线化简；

步骤三：根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处；

步骤四：根据获取的材质信息，对化简后的模型根据格网划分赋予对应的材质属性(如图1所示)。

进一步地，步骤二中，如图3所示，当多边形为三角面时，对其进行三角面片合并化简，三角面片的合并化简具体实施步骤为：

步骤21：将所有三角面片标记为0；

步骤22：统计标记为0的三角面片个数为N₀；

当N₀＝0时，则三角面片合并化简结束；

当N₀＞0时，任意选择某一标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；

步骤23：顺时针标识种子面片的三个顶点；

步骤24：获取与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)，其中，n为面片个数；n≥1；

步骤25：计算种子面片A与相邻三角面片A_i的夹角θ_i(i＝1，2，…，n，n≥1；)(如图2所示)；

步骤26：判断夹角θ_i与面合并阈值(根据经验，面合并阈值一般设置为10°)的关系；

当θ_i≤面合并阈值时，则判断三角面片A_i与种子面片A共面，执行步骤27-步骤29；

当θ_i＞面合并阈值时，则判断三角面片A_i与种子面片A不共面，则判断下一个三角面片(i++)，跳转至步骤25；其中，i++，是指初始时已经对所有的三角面片进行顺序标识了，判断第一个三角面片A1后，再判断第二个A2，依次进行；

当第一个标记为1的三角面片判断完毕，再任意选择另一个标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；重复步骤23-步骤26；直至标记为0的三角面片都判断完毕；

当与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)都判断完毕，则统计标记为1的三角面片的个数为N；

当N＝1时，将种子面片A重新标记为2，跳转至步骤22；

当N＞1时，跳转至步骤210，执行步骤210-步骤214；

步骤27：将A_i标记为1，获取三角面片A_i与A相邻边的两端点标识；

步骤28：当两端点的标识相连时，则将三角面片A_i的另一个顶点插入相邻边的两端点之间；

当两端点的标识不相连时，则将A_i的另一个顶点标识为相邻边两端点标识的大值+1；

步骤29：跳转至步骤22；

步骤210：将所有标记为1的三角面片A_i顶点投影至种子面片A所在的平面；

步骤211：将种子面片A上所有投影点按照原三角面片A_i顶点标识进行相应的标识；

步骤212：按照投影点标识顺序依次进行连接，构建合并后多边形；

步骤213：对合并后多边形采用三点法进行边界线化简；

步骤214：将重构的多边形标记为2，跳转至步骤22；

循环判断，逐一对所有三角格网面进行判断，直至达到结束判断为止。

进一步地，步骤二中，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简，具体实施步骤为：

步骤31：选择多边形的任意顶点为起始点，按照顺时针对各顶点进行标识；

步骤32：从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近三点作为一个分析单元，计算它们所组成的两条直线的夹角；

步骤33：判断两条直线的夹角大小与设定的阈值的关系；

当夹角小于或等于设定的阈值(根据经验，阈值一般设定为160°)时，则判断该三点共线，删除中间点，加入下一个点构成新的分析单元；

当夹角大于阈值时，则保留中间点，继续遍历；

直至所有顶点判断完毕，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简完毕。

更进一步地，步骤三中，如图4所示，根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处，具体实施步骤为：

步骤41：对多边形边界线进行化简时，对满足化简要求需删除的点进行标识；

步骤42：对每一待删除点根据短边原则，即判断待删除点相邻两边中的较短边，将待删除点移至较短边的另一顶点，与待删除点相连的其它多边形的边进行同步调整。

在图4中，根据三点法对多边形P₀P₁P₂P₃P₄P₅(P₀，P₁，P₂，P₃，P₄，P₅分别为多边形的顶点)的边界线进行化简后，需要删除点P₀，根据短边原则(P₀P₁的长度小于P₀P₂)，将待删除点P₀移至P₁，同时，将与P₀相连的其它网格边(如边P₈P₀，P₇P₀，P₆P₀)进行调整，P₈P₀调整为P₈P₁，P₇P₀调整为P₇P₁，P₆P₀调整为P₆P₁。

实施例

现以本发明应用于某建筑物的BIM模型几何图形简化是实施例进行详细说明，其对本发明应用于其他BIM模型几何图形简化同样具有指导作用。

本实施例选取的BIM模型为某一卸货用房建筑模型，数据量为1948kb。

某一卸货用房建筑模型几何图形简化方法，包括如下步骤：

步骤1：获取BIM模型体的表面几何数据；

利用BIM软件的数据导出功能，将某一卸货用房建筑模型数据导出为IFC格式数据，获取某一卸货用房建筑模型的材质信息和表面几何数据；初始情况下获取的几何数据为三角格网，随着组成三角格网的三角面片的合并化简(包括面合并、投影、边界线化简等)，会存在多边形面；

步骤2：判断某一卸货用房建筑模型几何数据是否由三角网构成；

根据某一卸货用房建筑模型几何数据中多边形的顶点个数判断其是否为三角面，若是，则对其进行三角面片合并化简，然后对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简；若不是，则直接对多边形表面采用三点法进行边界线化简；

步骤3：如图4所示，根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处；具体实施步骤为：

步骤41：对多边形边界线进行化简时，对满足化简要求需删除的点进行标识；

步骤42：对每一待删除点根据短边原则，即判断待删除点相邻两边中的较短边，将待删除点移至较短边的另一顶点，与待删除点相连的其它多边形的边进行同步调整。

步骤4：根据获取的材质信息，对化简后的模型根据格网划分赋予对应的材质属性(如图1所示)。

如图3所示，某一卸货用房建筑模型几何图形化简中三角面片合并化简的具体实施步骤为：

步骤21：将所有三角面片标记为0；

步骤22：统计标记为0的三角面片个数为N₀；若N₀＝0，则三角面片合并化简结束；若N₀＞0，任意选择某一标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；

步骤23：顺时针标识种子面片的三个顶点；

步骤24：获取与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)，其中，n为面片个数；n≥1；

步骤25：计算种子面片A与相邻三角面片A_i的夹角θ_i；(i＝1，2，…，n，n≥1；)(如图2所示)；

步骤26：判断夹角θ_i与面合并阈值(面合并阈值设定为10°)的关系；若θ_i≤10°，则判断三角面片A_i与种子面片A共面，执行步骤27-步骤29；若θ_i＞10°，则判断三角面片A_i与种子面片A不共面，则判断下一个三角面片(i++)，跳转至步骤25；

当第一个标记为1的三角面片判断完毕，再任意选择另一个标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；重复步骤23-步骤26；直至标记为0的三角面片都判断完毕；

当与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)都判断完毕，则统计标记为1的三角面片的个数为N；

当N＝1时，将种子面片A重新标记为2，跳转至步骤22；

当N＞1时，跳转至步骤210，执行步骤210-步骤214；

步骤27：将A_i标记为1，获取三角面片A_i与A相邻边的两端点标识；

步骤28：若两端点的标识是相连的，则将三角面片A_i的另一个顶点插入相邻边的两端点之间；若不相连，则将A_i的另一个顶点标识为相邻边两端点标识的大值+1；

步骤29：跳转至步骤22；

步骤210：将所有标记为1的三角面片A_i顶点投影至种子面片A所在的平面；

步骤211：将种子面片A上所有投影点按照原三角面片A_i顶点标识进行相应的标识；

步骤212：按照投影点标识顺序依次进行连接，构建合并后多边形；

步骤213：对合并后多边形采用三点法进行边界线化简；具体实施步骤为：

步骤2131：选择多边形的任意顶点为起始点，按照顺时针对各顶点进行标识；

步骤2132：从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近三点作为一个分析单元，计算它们所组成的两条直线的夹角；

步骤2133：判断两条直线的夹角大小与设定的阈值(阈值设定为160°)的关系；

当夹角小于或等于160°时，则判断该三点共线，删除中间点，加入下一个点构成新的分析单元；

当夹角大于160°时，则保留中间点，继续遍历；

直至所有顶点判断完毕，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简完毕。

步骤214：将重构的多边形标记为2，跳转至步骤22。

如图5所示：采用不判断某一卸货用房建筑模型几何图形中面片是否为三角形的面片合并化简后的某一卸货用房建筑模型线框图；线框图较复杂。

如图6所示：为采用本发明对实施例某一卸货用房建筑模型几何图形中面片进行判断后的某一卸货用房建筑模型化简后的线框图；线框图简单。

图7为图5的实体图；图7显示为：并未完全保留BIM模型几何特征。

图8为图6的实体图；图8显示为：较好保留BIM模型几何特征。

结论：相比较而言，采用本发明方法对BIM模型进行几何图形化简，能够在保证化简效率的基础上，能够较好保留BIM模型几何特征，化简结果更符合模型实际特点。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的BIM模型几何图形化简方法与现有技术的BIM模型化简方法相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案针对实施例中卸货用房BIM模型数据(原始数据量为1948kb)的化简效果进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，针对实施例中卸货用房BIM模型数据的化简效果，本发明所述的BIM模型几何图形化简方法与现有技术的BIM模型化简方法相比，快速有效，在保留BIM模型几何特征与必要的属性信息的同时，能够顺畅浏览和管理大体量模型数据，化简结果更符合模型实际特点，成本较低。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (4)

1.一种BIM模型几何图形化简方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：获取BIM模型体的表面几何数据；

利用BIM软件的数据导出功能，将BIM模型数据导出为IFC格式数据，获取BIM模型的材质信息和表面几何数据；

步骤二：判断BIM模型某一格网面是否为三角面；

根据BIM模型某一格网的顶点个数判断其是否为三角面片；当顶点个数为3时，则为三角面片；反之，则不是；

当多边形为三角面时，则对其进行三角面片合并化简，然后对合并后的多边形采用三点法进行边界线化简；当多边形不是三角面时，则直接对多边形表面采用三点法进行边界线化简；

步骤三：根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处；

步骤四：根据获取的材质信息，对化简后的模型根据格网划分赋予对应的材质属性。

2.根据权利要求1所述的BIM模型几何图形化简方法，其特征在于：步骤二中，当多边形为三角面时，对其进行三角面片合并化简，三角面片的合并化简具体实施步骤为：

步骤21：将所有三角面片标记为0；

步骤22：统计标记为0的三角面片个数为N₀；

当N₀＝0时，则三角面片合并化简结束；

当N₀＞0时，任意选择某一标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；

步骤23：顺时针标识种子面片的三个顶点；

步骤24：获取与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)，其中，n为面片个数；n≥1；

步骤25：计算种子面片A与相邻三角面片A_i的夹角θ_i(i＝1，2，…，n，n≥1；)；

步骤26：判断夹角θ_i与面合并阈值的关系；

当θ_i≤面合并阈值时，则判断三角面片A_i与种子面片A共面，执行步骤27-步骤29；

当θ_i＞面合并阈值时，则判断三角面片A_i与种子面片A不共面，则判断下一个三角面片(i++)，跳转至步骤25；

当第一个标记为1的三角面片判断完毕，再任意选择另一个标记为0的三角面片作为种子面片A，标记为1；重复步骤23-步骤26；直至标记为0的三角面片都判断完毕；

当与种子面片A相邻且标记为0的面片A_i(i＝1，2，…，n)都判断完毕，则统计标记为1的三角面片的个数为N；

当N＝1时，将种子面片A重新标记为2，跳转至步骤22；

当N＞1时，跳转至步骤210，执行步骤210-步骤214；

步骤27：将A_i标记为1，获取三角面片A_i与A相邻边的两端点标识；

步骤28：当两端点的标识相连时，则将三角面片A_i的另一个顶点插入相邻边的两端点之间；

当两端点的标识不相连时，则将A_i的另一个顶点标识为相邻边两端点标识的大值+1；

步骤29：跳转至步骤22；

步骤210：将所有标记为1的三角面片A_i顶点投影至种子面片A所在的平面；

步骤211：将种子面片A上所有投影点按照原三角面片A_i顶点标识进行相应的标识；

步骤212：按照投影点标识顺序依次进行连接，构建合并后多边形；

步骤213：对合并后多边形采用三点法进行边界线化简；

步骤214：将重构的多边形标记为2，跳转至步骤22。

3.根据权利要求1或2所述的一种BIM模型几何图形化简方法，其特征在于：步骤二中，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简，具体实施步骤为：

步骤31：选择多边形的任意顶点为起始点，按照顺时针对各顶点进行标识；

步骤32：从起始点开始，依次选择多边形边界线上的邻近三点作为一个分析单元，计算它们所组成的两条直线的夹角；

步骤33：判断两条直线的夹角大小与设定的阈值的关系；

当夹角小于或等于设定的阈值时，则判断该三点共线，删除中间点，加入下一个点构成新的分析单元；

当夹角大于设定的阈值时，则保留中间点，继续遍历；

直至所有顶点判断完毕，基于三点法对合并后的多边形进行边界线化简完毕。

4.根据权利要求3所述的一种BIM模型几何图形化简方法，其特征在于：步骤三中，根据短边原则，对多边形边界线化简后删除的点，将其移至相邻边中短边的另一顶点处，具体实施步骤为：

步骤41：对多边形边界线进行化简时，对满足化简要求需删除的点进行标识；

步骤42：对每一待删除点根据短边原则，即判断待删除点相邻两边中的较短边，将待删除点移至较短边的另一顶点，与待删除点相连的其它多边形的边进行同步调整。

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