万达的BIM模型运行如此流畅！BIM轻量化技术解析！

作者：刘晓栋 I 广联达BIM建造技术总监

500+模型文件，2000+图纸文件，每天超过100万次的操作请求，超过2000个业务流程。

这样的数据，您是觉得陌生还是熟悉？夸张还是真实？

一个真实的万达广场BIM模型，比你想象的可能还要多！

面对这样众多的数据模型，错综复杂的业务流程，需要投入多少时间？多少办公设备？又需要投入多少人力？进行多少变更？

像万达这样千亿级的企业，能够将BIM和大数据做到这样的程度，是件非常了不起的事情。这样一个具备行业影响力的公司，在BIM应用落地上始终是走在行业前列的，同时，也呈现出了如今BIM模型逃不开的大趋势：

▶ BIM模型太大，硬件要求苛刻

▶ 移动办公，模型加载困难

BIM的最大价值在协同，不同岗位间、不同专业间、多参与方间都需要协同，将多个专业的模型整合为一个全专业的模型是最基础的工作。

原始设计模型保留很多设计过程中的信息，模型体量大，整合多个专业的模型后，体量会呈数量级的增大，对硬件的要求将会非常苛刻。

随着智能手机、平板电脑的全面普及，移动办公的基础硬件条件已经具备，BIM模型的体量却尚未跟上，如果BIM模型动辄几百M，几个G，对移动设备的处理能力和网络流量都是一个巨大的考验，轻量化是唯一出路。

建筑行业的轻装上阵，从BIM轻量化开始。

—轻量化原理及核心技术—

简单讲，BIM轻量化要解决的核心问题就是：缩小BIM模型体量，让它轻、显示快。

从数据维度看，设计模型包含几何信息和非几何信息两部分。几何信息即我们能看到的二维、三维模型，非几何信息通常指一些属性数据、建模相关的其他数据等，非几何信息的轻量化技术难度较低，按需提取存储即可，几何信息的轻量化技术难度较高，下面主要针对几何信息的轻量化展开。

(一)

BIM模型处理全流程

如上图所示，从设计模型转换到BIM模型，再到我们最终在电脑或者移动终端看到的模型，中间经历了两个处理过程，一个是几何转换，一个是渲染处理，这两个处理过程的好坏直接影响到最终轻量化的效果，因此我们也称其为BIM模型轻量化的关键环节，这两个环节是真正考验各个BIM软件厂商技术实力的关键点。

(二)

BIM模型轻量化的关键环节

1. 几何转换

几何转换过程就是将设计模型转换到BIM模型的过程，这个过程是整个轻量化的源头，也是核心。我们从微观和宏观两个方面来优化，实现轻量化。

微观层面的优化

从技术角度来看，业内目前存在两种处理方式，分别是参数化几何描述和三角化几何描述。

1) 参数化几何描述

用多个参数来描述一个几何体，我们称之为参数化几何描述。

例如：我们画一个圆形柱子，可以使用3个参数：

参数1：底面原点坐标（x、y、z，3个小数）

参数2：底面半径（r，1个小数）

参数3：柱子高度（h，1个小数）

这样，我们使用5个小数即可完成一个圆柱体的搭建，非常精简，参数化几何描述可以将单个图元做到最极致的轻量化。

它的具体过程如下：

2) 三角化几何描述

用多个三角形来描述一个几何体，我们称之为三角化几何描述。

三角形可以拼接成任意的平面或者曲面，多个面最终拼接成三维体，这是现代计算机图形处理的基础。我们在屏幕上看到的任何一个三维模型，都是由一个一个的三角形拼接而成的。

一个三维模型，三角形越多，模型看上去越精细，反之则越粗糙，这也是LOD（Levels of Detail）的基本原理。

还是用圆形柱子举例，我们可以使用n个三角形来拼接成圆柱的顶面、底面、圆形曲面，最终合成整个圆柱。n越大，柱子越光滑，否则圆柱的圆形曲面将会是有棱角的。

如下图所示，随着n的增大，模型的精细度越来越高：

那么，是不是n越大越好呢？聪明的你一定想到了，n越大，模型越精细，但是模型体量也越大，这和轻量化的初衷是背道而驰的。

那么n到底设置多少合适呢？这个问题没有答案，不同的应用场景对模型精细度的要求是不一样的，远距离查看全场景的模型，需要的精细度比较低，近距离查看单个图元，需要的精细度比较高，所以n设置多少都不合适，这也是三角化几何描述的弊端。

因此，同样画一个圆柱，三角化的几何描述需要至少数十个以上三角形来描述，比参数化描述方式大了很多，轻量化效果并不好。

具体过程如下：

3) 两种描述的对比

参数化几何描述需要解析设计模型的原始几何信息，然后转换为自有的几何描述，这个过程需要几何算法库的支撑，技术难度比较高，但是轻量化效果好，后期使用的灵活度很高，可以根据不同应用场景的精度要求，生成对应精度三角形数据来显示，能很好解决三角化几何描述的弊端。另外，参数化几何描述还有很多优点，比如：在精确测量，布尔运算（流水段切割图元）等方面的良好支持。

三角化几何描述只需要将设计模型转换为三角形数据保存即可，主流的设计软件一般都提供相关的二次开发接口或者SDK来获取三角形数据，技术难度比较低，但是轻量化效果不佳，后期的某些应用场景会受限。

宏观层面的优化

前面我们了解到，使用参数化几何描述方式，可以有效减少单个图元的体量，但是如果是一个大规模甚至超大规模的工程，数据量还是很可观的，这个时候的优化策略必须从宏观层面去考虑。

相似性算法减少图元数量

在一个工程中，有很多图元长得一模一样，比如很多桩的形状一模一样，只是位置不一样，这个时候我们可以做图元合并，即：只保留一个桩的数据，其他桩我们记录一个引用 + 空间坐标即可。通过这种方式我们可以有效减少图元数量，达到轻量化的目的。

如何判断两个图元是一模一样呢？相似性算法能有效判断两个图元能否合并，用专业术语来说，就是判断两个图元是否经过刚体变换，包含平移变换、旋转变换和镜像变换三种情况。

相似行算法能有效减少图元数量，尤其在基础工程、结构工程、钢结构工程等领域，能大幅度减少图元数量，轻量化效果非常明显。

2. 渲染处理

为了达到流畅、实时的显示，通常绘制需要达到15-30帧/秒。如果模型数据量比较大，尤其是建筑模型，汇集了各专业的数据，模型的三角面片数会达到数千万，内存的开销在20-30G以上。在常规的绘制流程下系统无法装载整个数据，绘制也非常卡顿，这时需要通过各种手段加速场景的绘制，并精简、控制内存的开销。

例如我们在文章开头讲的万达广场的案例，该案例中的BIM模型由11个专业78个文件组成，总大小约8个G。对于如此大体量的BIM模型，即便是在配置较好的电脑上，一次也只能用打开一到两个专业的模型。借助于云端的模型轻量化处理技术和模型动态加载技术，BIM平台在20秒左右即可在浏览器中打开万达广场的全专业模型，因此极大地降低了用户访问BIM模型的门槛。我们可以通过下方的一个视频了解一下。

下面我们再分别从微观和宏观两个角度对渲染处理做优化，由于篇幅所限，我们只介绍几种核心优化策略，而不是全部。

微观层面的优化

多重LOD（Levels of Detail），加速单图元渲染速度

多重LOD基本上是3D GIS领域的必备技能，在BIM领域也有广泛的应用。

当场景中的一些物体距离视点较远、或者物体本身比较小时，最终投射到屏幕上的像素并不多。如果用过多的几何图元来表示这些物体会浪费存储并影响性能。

多重LOD用不同级别的几何体来表示物体，距离越远加载的模型越粗糙，距离越近加载的模型越精细，从而在不影响视觉效果的前提下提高显示效率并降低存储。

从轻量化的技术讲完之后，是不是最好再接一个案例，然后通过一段话转到LOD度的讨论上比较合适？

单次渲染体量 = 图元数量 * 图元精度。

视点距离远的情况下，图元数量虽然多，但是图元精度比较低，所以体量可控。

视点距离近的情况下，图元精度虽然高，但是图元数量比较少，体量依然可控。

例如我们的视角是在一个房间的正前面，这个时候，我们目所能及的，可能只是一扇精细的窗或者一道精细的门；但如果我们的视角是在一栋楼的100米之外，那么我们将会看到是整栋楼的，门、窗等等相应图元，但这些图元不需要那么精细。

因此，使用LOD技术可以确保在大场景和局部场景下的都能流畅的显示模型。但是，LOD技术是一柄双刃剑，其可以有效控制单次渲染体量，但是多重LOD会导致模型文件变大，因为同一个图元可能会有多个几何形体表示，因此需要根据实际情况灵活使用。

LOD技术的应用有许多技巧，譬如按照室内、室外区分模型数据，或者按照远近、楼层、甚至建筑的专业与细节层次分类处理大小不同的建筑图元等。另外，应用LOD技术时通常也需考虑用户体验，以避免明显的显示效果跳跃。

宏观层面的优化

1) 遮挡剔除，减少渲染图元数量

遮挡剔除是将无法投射到人眼视锥中的物体裁剪掉，从而带来显示效率上的提升。遮挡剔除技术是在场景绘制中剔除当前视点下被遮挡的对象、只绘制最前面的对象，从而达到提升性能的目的。

如下图所示，被观察物由于被遮挡，所以不会被绘制，从而减少绘制量，提升性能，但是使用者的感知是一样的。

通常的做法是对图元做八叉树空间索引，然后根据视点计算场景中要剔除掉的图元，只绘制可见的图元。

2) 批量绘制，提升渲染流畅度

为了将一个物体绘制到屏幕上，需要发起一次图形API绘制调用。绘制调用非常耗费CPU、并且通常会造成GPU时间闲置。为了优化性能、平衡CPU和GPU负载，可以将具有相同状态（例如相同材质）的物体合并到一次绘制调用中，这叫做批次绘制调用。批次绘制调用通过合并物体来减少绘制调用，从而带来性能的优化。批次绘制可以预先处理，形成静态的批次，或者绘制每帧时进行动态调整，这时称为动态批次合并。有时也结合动态和静态的批次合并策略，达到渲染流畅度的提升。

—理想的轻量化技术方案—

前面我们了解到，轻量化主要从几何转换和渲染处理两个环节着手进行优化，权衡技术利弊及应用需求，笔者认为理想的技术方案如下：

轻量化模型数据 = 参数化几何描述(必须) + 相似性图元合并；

提升渲染效果 = 遮挡剔除 + 批量绘制 + LOD(可选)；

—广联达BIM轻量化技术方案—

众所周知，在BIM领域的设计软件众多，而且绝大多数都是国外的设计软件。但不同的设计软件的数据描述各不相同，且数据的开放程度也各不相同，从设计端承接模型并轻量化是一个复杂的过程，尤其是参数化几何描述，难度更大，但参数化几何描述又恰恰是BIM模型轻量化的核心，要做到这一点需要有强大的图形技术做支撑。

广联达作为有担当的企业，十余年前就开始研发自有的图形平台和技术，投入了大量的研发资源，并在产品中持续应用和优化自有的图形技术，目前该技术已经达到了国际领先水平，同时广联达图形平台能够承接众多的上游软件，例如Revit等。

广联达BIM轻量化技术可以把99%以上的Revit几何体转换为自有的参数化几何体，从而达到极致的轻量化，那么最终效果怎么样呢？针对不同专业效果也不一样，土建专业的模型平面居多，压缩率比较高，基本能达到1：10以上，机电专业曲面较多，压缩率低一些，尤其机电设备较多的情况下，压缩率会更低一些，基本在1：5以上，综合来看，一个项目全专业模型的压缩率在1：5到1：10之间。

在渲染阶段，我们除了采用LOD、遮挡剔除、批量绘制手段外，还采用了很多其他优化手段，比如多线程调度、动态磁盘交换、首帧渲染优化等手段，大大加速了渲染效率。据统计，100万图元、3000万三角片的超大规模土建模型，渲染数据峰值内存占用不超过3G，并能流畅显示。20万图元，4500万三角片的机电模型，渲染数据峰值内存占用不超过2.5G，并能流畅显示。

BIM技术是建筑行业未来发展的必然趋势，模型轻量化是BIM技术中不可或缺的一个基础与前提。

BIM模型轻量化，广联达与您共同进步。

作者：刘晓栋 广联达BIM建造技术总监

设计：祁明亮 刘红霞

整理：宋丹婷、姚姚

审核：吕振、陈鲁遥

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