CN111930825A - 一种大规模bim建筑数据的粒度化索引构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息；采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充；基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理。本发明提供的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，结合整个BIM建筑的几何空间结构，将BIM建筑数据重组优化为多级粒度数据，具有自动化、粒度化、流畅化的特点。

Description

一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法

技术领域

本发明涉及BIM建筑数据处理技术领域，特别是涉及一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法。

背景技术

建筑与人类生活息息相关，随着智能建筑及其核心技术－BIM(BuildingInformation Modeling)的发展，BIM数据已成为当下进行智能建筑分析的核心源代码，且在智能移动设备的普及和推动下，对BIM建筑的高效分析，特别是协同性、可视化共享下的在线分析，已逐渐成为众多建筑参与部门进行相互协作、沟通和事务管理的重要工具和决策依据。然而，由于BIM建筑数据涉及的部门众多，信息广泛，使得专业性的BIM建筑数据又有着数据体量大、信息多样化、组织结构低等特点，给BIM建筑数据在线可视化带来极大的挑战，其中资源矛盾最为突出，无论是网络传输还是移动设备自身的系统资源均远远无法满足直接在线处理复杂BIM(即WebBIM)建筑数据的需求。

目前，主流的BIM建筑生成、编辑或分析方法或软件仍主要基于单机工具，如Autodesk的Revit系列等。少量已出现的BIM360，BIMx在线可视化商业工具，仍主要以BIM建筑数据的可视化为主，以文件为主要数据粒度进行建筑展示，存在资源损耗高，利用率低，稳定性差等问题，究其原因主要是因为：

第一，数据体量大，BIM建筑数据涉及建筑整个生命周期中的多方面信息，整个的BIM数据格式IFC中更是包含了近1000个预定义的实体类和类型来描述建筑构件及其相应的属性等，致使整个数据体量非常大；

第二，数据粒度不统一，基于“数字孪生”概念，BIM建筑数据与实际建筑环境保持一致，包含了大量的“墙”、“门”等建筑构件及其对应的几何和语义信息，各数据在信息体量，表达方式、实际空间等多方面进行不同的粒度，给数据操控带来困难；

第三，实时调度和数据访问效用低，BIM建筑数据更侧重于建筑工程专业的多方面需求，对面向在线展示的数据高效组织或管理较少关注，难以支持合适粒度的数据实时访问及拾取，致使当前应用往往直接以文件或手工控制粒度的方式进行数据调度，实时调度效用不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，结合整个BIM建筑的几何空间结构，将BIM建筑数据重组优化为多级粒度数据，方便BIM建筑数据在可视化分析过程中，能以合适的粒度来调度并动态更新可视数据，提高系统资源的利用率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，该方法包括以下步骤：

S1，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息；

S2，采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充；

S3，基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理。

可选的，所述步骤S1中，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑构件的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息，具体包括：

空间实体解析：获取对整个BIM建筑的楼层实体和空间实体，并根据该两类实体的引用关系对其包含的构件添加相应的标记，其中关联的IfcRelCoversSpaces实体，其“RelatedCoverings”属性对应的构件即对应了空间的顶底信息；

立面信息解析：分析空间实体所关联的IfcRelSpaceBoundary实体，通过“RelatedBuildingElement”、“ConnectionGeometry”属性值查找空间的立面边界构件，通过InternalOrExternalBoundary属性查找立面构件是属于外体空间还是内体空间信息，通过立面构件相关联的IfcRelConnectsPathElements实体，来分析它们的位置关系；

空间信息整理：通过分析IfcRelContainedInSpatialStructure实体及其关联的空间，针对“RelatedElements”属性来确定该空间内部所包含的构件信息，并将以上信息记录到对应的构件中。

可选的，所述步骤S2，采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充，具体包括：

外体空间构件标识：对BIM建筑数据进行立体渲染，并通过多视点虚拟性观察，并对观察到的图片片元反投影分析，以追踪形成该片元的构件数据；将多个观察点所追踪到的构件集合作为外体空间构件，并对这些构件进行外体空间标识；

内体空间构件分析：首先，将楼层实体内的立面构件进行体素化，形成体素索引，并对这些体素索引进行2D剖面图投影，形成类似楼层平面图的立体体素表达；其次，基于该2D剖面图进行楼层平面图下的角点提取，对表示空间的关键性体素进行定位；接着，结合体素与立面构件形成角点之间的邻接关系图，基于该图的环路检测来确定属于同一空间的体素；最后，根据这些同一空间的体素以及这些体素与构件之间的空间索引关系，来整理空间内的构件信息。

可选的，所述步骤S3，基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理，具体包括：

针对外体空间构件，外体空间构件中本身包含的出入口实例即为整个BIM建筑的出入口，将其连接到相应的内体空间构件；

针对内体空间构件，在相邻空间之间共用的立面边界构件上，通过识别共用立面构件包含的出入口数据，来识别两个内体空间构件的连通关系，并将该出入口作为连通性数据，一直到所有内体空间构件识别完成；

将整个BIM建筑表达为以多粒度空间为节点的层次化网络图。

可选的，所述层次化网络图中，多粒度空间包括外体空间、楼层空间、内体空间，出入口表示连通关系的边。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法与现有技术相比，具有以下有益效果：第一，自动化，即完全自动化地进行大规模BIM建筑场景数据的粒度化重组优化，通过针对性解析、自动化分割等方式将BIM数据转变为常见的3D模型+专业角度语义信息，用户可根据自己的专业情况对该数据进行相应深度的专业性理解；第二，粒度化，即基于可视化应用的空间剔除等特点，将结构复杂的大规模BIM建筑场景被统一细粒度化表达为层次化粒度，形成场景图，进一步支持应用根据实际情况对合适粒度的数据进行及时调度和访问；第三，流畅化，即通过粒度化调度、渲染等方式极大地降低系统资源的损耗，充分调动系统资源，以实现在线可视化和离线数据分析相耦合，提升应用级别上的流畅性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法流程示意图；

图2为本发明实施例基于语义引导的轻量级解析示意图；

图3为本发明实施例楼层空间的构件整理过程示意图；

图4为本发明实施例建筑内体空间分割过程；

图5为本发明实施例多层数据索引结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，前端充分利用有限的运算性能完成轻量级的场景直接光照计算，以及用户交互逻辑相应，复杂的全局光照数据由云端计算、流式传输而得，保证用户的流畅体验的同时增强了画面表现力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，该方法包括以下步骤：

S1，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息；

S2，采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充；

S3，基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理。

其中，所述步骤S1中，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑构件的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息，具体包括：

空间实体解析：获取对整个BIM建筑的楼层实体和空间实体，并根据该两类实体的引用关系对其包含的构件添加相应的标记，其中关联的IfcRelCoversSpaces实体，其“RelatedCoverings”属性对应的构件即对应了空间的顶底信息；

立面信息解析：分析空间实体所关联的IfcRelSpaceBoundary实体，通过“RelatedBuildingElement”、“ConnectionGeometry”属性值查找空间的立面边界构件，通过InternalOrExternalBoundary属性查找立面构件是属于外体空间还是内体空间信息，通过立面构件相关联的IfcRelConnectsPathElements实体，来分析它们的位置关系；如图2所示；

空间信息整理：通过分析IfcRelContainedInSpatialStructure实体及其关联的空间，针对“RelatedElements”属性来确定该空间内部所包含的构件信息，并将以上信息记录到对应的构件中；如图3所示；

与传统的3D模型相比，BIM数据中还包含了丰富的语义信息，在进行BIM数据处理时，往往需要使用现有的工具预先进行语义解析来得到想要的信息。传统的解析程序只包含了BIM数据标准中的解析逻辑，较多的功能需要用户通过程序来自定义实现，本发明即基于这些解析程序，对建筑空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息，本发明注意到与空间分析相关的语义信息主要体现在IfcBuildingStorey(表示楼层)和IfcSpace(表示室内空间)类构件及其相关性构件中，且空间主要借助立面构件来形成，因此，主要从上述三类构件出发进行立面构件及其相关语义信息的整理。

语义解析得到的信息往往不够全面，还不足以直接通过这些信息来识别楼层构件或内体空间。本发明步骤S2在前期语义分析的基础上，通过语义引导的几何计算来对前期建筑空间的语义信息进行补充，主要通过建筑空间分割的方式，对语义信息进行验证性补充。

所述步骤S2，采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充，具体包括：

外体空间构件标识：对BIM建筑数据进行立体渲染，并通过多视点虚拟性观察，并对观察到的图片片元反投影分析，以追踪形成该片元的构件数据；将多个观察点所追踪到的构件集合作为外体空间构件，并对这些构件进行外体空间标识；其中，基于立体视觉中的遮挡现象，提出能从外部观察到的构件即为外体空间构件；

内体空间构件分析：首先，将楼层实体内的立面构件进行体素化，形成体素索引，并对这些体素索引进行2D剖面图投影，形成类似楼层平面图的立体体素表达；其次，基于该2D剖面图进行楼层平面图下的角点提取，对表示空间的关键性体素进行定位；接着，结合体素与立面构件形成角点之间的邻接关系图，基于该图的环路检测来确定属于同一空间的体素；最后，根据这些同一空间的体素以及这些体素与构件之间的空间索引关系，来整理空间内的构件信息。将以上操作逐楼层进行，即完成整个建筑的内体空间分析过程，具体流程见图4所示；

所述步骤S3，基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理，本步骤不仅设计统一的空间数据结构，将外体数据和内体数据进行统一性表达和存储，还通过分析空间之间的相邻、连通等空间关系，为整个建筑空间数据构建了多粒度分解下的多层数据索引，具体包括：

对于内体空间构件，主要体现在相邻空间之间共用的立面边界构件上，通过识别共用立面构件包含的出入口数据(如IfcDoor型实例构件)，来识别两个内体空间构件的连通关系，并将该出入口作为连通性数据，一直到所有的内体空间构件识别完成；

对于外体空间构件，外体空间构件中本身包含的出入口实例(如IfcDoor型实例构件)即为整个建筑的出入口，将其连接到相应的内体空间构件。从图论的角度来说，整个建筑被表达为以多粒度空间(外体空间、楼层空间、内体空间)为节点的层次化网络图，其中，出入口表示连通关系的边，而这些空间则表示节点，出入口还是边的属性。在实际应用中，完全可借助这样的边，从一个空间(内体或外体)穿过相应的出入口到访问出入口另一端的空间数据，起到真正的空间之间的关联以及进一步的整体联动性操控，做到根据实际兴趣，进行合适粒度进行数据调度和操控的效果，具体的多层数据索引结构示例如图5所示。

本发明提供的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，首次面向BIM建筑数据的在线可视化，提出通过BIM建筑数据的统一性粒度化表达，以及基于适合的粒度来处理复杂BIM建筑数据的思路和处理流程，以支持合适的粒度化数据调度和处理来提高系统资源的损耗率；将BIM建筑空间的语义信息解析集成到BIM数据的常规解析过程中，设计并实现了BIM数据语义信息用于空间分析的思路和方法；将角点分析、图环路检测方法用于建筑空间分割的几何计算过程中，提出语义引导+几何计算验证补充的BIM建筑的自动空间分割算法；在分析BIM建筑空间的基础上，基于空间的连通、包含等关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，方便粒度数据的快速访问和管理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本申请中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息；

S2，采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充；

S3，基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理。

2.根据权利要求1所述的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于建筑空间语义信息解析算法，对BIM建筑构件的空间数据进行解析和整理，形成建筑空间分析的引导性语义信息，具体包括：

空间实体解析：获取对整个BIM建筑的楼层实体和空间实体，并根据该两类实体的引用关系对其包含的构件添加相应的标记，其中关联的IfcRelCoversSpaces实体，其“RelatedCoverings”属性对应的构件即对应了空间的顶底信息；

立面信息解析：分析空间实体所关联的IfcRelSpaceBoundary实体，通过“RelatedBuildingElement”、“ConnectionGeometry”属性值查找空间的立面边界构件，通过InternalOrExternalBoundary属性查找立面构件是属于外体空间还是内体空间信息，通过立面构件相关联的IfcRelConnectsPathElements实体，来分析它们的位置关系；

空间信息整理：通过分析IfcRelContainedInSpatialStructure实体及其关联的空间，针对“RelatedElements”属性来确定该空间内部所包含的构件信息，并将以上信息记录到对应的构件中。

3.根据权利要求2所述的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，其特征在于，所述步骤S2，采用基于几何计算的建筑空间分割和信息补充方法，对上述引导性语义信息进行验证性补充，具体包括：

外体空间构件标识：对BIM建筑数据进行立体渲染，并通过多视点虚拟性观察，并对观察到的图片片元反投影分析，以追踪形成该片元的构件数据；将多个观察点所追踪到的构件集合作为外体空间构件，并对这些构件进行外体空间标识；

内体空间构件分析：首先，将楼层实体内的立面构件进行体素化，形成体素索引，并对这些体素索引进行2D剖面图投影，形成类似楼层平面图的立体体素表达；其次，基于该2D剖面图进行楼层平面图下的角点提取，对表示空间的关键性体素进行定位；接着，结合体素与立面构件形成角点之间的邻接关系图，基于该图的环路检测来确定属于同一空间的体素；最后，根据这些同一空间的体素以及这些体素与构件之间的空间索引关系，来整理空间内的构件信息。

4.根据权利要求3所述的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，其特征在于，所述步骤S3，基于整个BIM建筑的几何空间结构，包括几何空间的相邻、连通、包含关系，构建BIM建筑数据的细粒度化索引，形成BIM建筑数据的层次化网络图，实现粒度数据的快速访问和管理，具体包括：

针对外体空间构件，外体空间构件中本身包含的出入口实例即为整个BIM建筑的出入口，将其连接到相应的内体空间构件；

针对内体空间构件，在相邻空间之间共用的立面边界构件上，通过识别共用立面构件包含的出入口数据，来识别两个内体空间构件的连通关系，并将该出入口作为连通性数据，一直到所有内体空间构件识别完成；

将整个BIM建筑表达为以多粒度空间为节点的层次化网络图。

5.根据权利要求4所述的大规模BIM建筑数据的粒度化索引构建方法，其特征在于，所述层次化网络图中，多粒度空间包括外体空间、楼层空间、内体空间，出入口表示连通关系的边。

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