国产BIM轻量化引擎的发展现状

作者简介：赵少飞 男 葛兰岱尔创始人、上海交通大学计算机技术与科学专业 硕士、长期专注于BIM轻量化引擎技术、BIM应用软件技术、人工智能三维建模技术。

摘要：

本文首先对BIM轻量化技术及引擎产品的概念、价值进行了阐述。然后对BIM轻量化引擎的技术原理和目前国内外的应用现状进行了详细的说明。同时讨论了一款BIM轻量化引擎是否优秀的判断标准，并对BIM轻量化引擎发展趋势进行了分析。文章最后对发展中国自主知识产权的BIM轻量化引擎产品的价值和意义进行了说明和呼吁。

关键词：BIM，BIM轻量化、BIM轻量化引擎、工程建筑

正文：

一、BIM及BIM轻量化技术简介

1.BIM技术简介

BIM技术（Building information Modeling）起源自美国、目前已经在全球范围内得到业界的广泛认可。BIM技术可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。

BIM技术自从2012年前后进入中国以来发展迅猛。目前，包括住建部、交通运输部、水利水电部、铁总、各级地方政府都已经将BIM技术作为在各类工程中强制或鼓励推广应用的先进技术与绿色技术之一。

BIM技术已经成为整个工程建设产业的信息化代表技术，必然会推动工程建设产业向精细化、装配化、智能化、环保化不断发展，促进中国工程建筑产业的高质量发展！

2.BIM轻量化技术简介

BIM轻量化技术是指在工程建筑的BIM模型建立之后（利用专业的BIM建模软件，比如Autodesk Revit, Bentley MicroStation, DS Catia等），通过对BIM模型的压缩处理等技术手段，让BIM可以在各类WEB浏览器、移动App上被使用的技术。

BIM轻量化技术大大拓展了BIM的应用范围，让三维可视化、数据化的BIM模型不仅只停留在设计阶段，而是可以应用于施工阶段、运维阶段，覆盖整个工程建筑的全生命周期。

BIM轻量化技术使得BIM模型可以脱离专业的BIM建模软件，可以应用于各种各样的信息化系统、软件平台，大大拓展了BIM技术的应用场景。

BIM轻量化技术还可以实现多种不同格式BIM模型的融合应用，打破了不同BIM建模厂商产品间的屏障，实现了统一数据格式与统一数据应用，实现了多专业协同，大大降低了BIM应用的复杂度。

BIM轻量化技术大大拓展了BIM技术的应用人群范围，使得大量的非专业技术人群也可以方便使用BIM技术，充分发挥了BIM技术的三维可视化、数据化，体现出协同效应。

由此可见，BIM轻量化技术是BIM技术推广应用的关键点，是BIM技术实现应用价值的倍增器！

二、 BIM轻量化引擎的技术原理及国内外应用现状

BIM轻量化引擎产品是BIM轻量化技术的具体代表与实现！

1.BIM轻量化引擎技术方案选择

BIM轻量化引擎产品从技术方案上，可分为传统的ActiveX插件技术和WEBGL技术两种。传统的ActiveX插件技术因技术老旧，存在巨大安全隐患，已经逐渐被淘汰。采用WebGL技术的BIM轻量化引擎代表了最先进的技术和方向，无数据安全隐患、不仅适用于各类WEB浏览器，也适用于移动App应用，是当前BIM轻量化引擎产品的最佳选择。

2.WebGL轻量化BIM引擎工作原理

WebGL轻量化BIM引擎要在确保BIM模型的数据不损失的情况下，实现BIM模型的轻量化，让BIM模型能够在Web浏览器或App上更快的加载和使用。

WebGL轻量化BIM引擎对BIM模型的轻量化处理实现，一般可以分为以下几步，如图2.1所示：

图2.1

1) 数模分离

BIM模型包含三维几何数据和模型结构属性等非几何数据两部分。首先，WebGL轻量化BIM引擎需要将几何数据和非几何数据进行拆分。通过这样的处理，原始BIM模型文件中约20%-50%的非几何数据会被剥离出去，输出为数据文件供BIM应用开发使用。

2) 三维几何数据轻量化处理

剥离非几何数据后剩下的三维几何数据，我们还需要进一步轻量化处理优化，以降低三维几何数据量，节约客户端电脑的渲染计算量，从而提高BIM模型下载、渲染和功能处理的速度。

三维几何数据优化这块，一般采取的方案包括：

a) 参数化或三角化几何描述

通过采用参数化或三角化的描述手段来降低三维几何数据的数据文件大小，让模型数据变得更小。

b) 相似性算法减少构件存储量；

在一个工程BIM模型中很多构件长得一模一样，只是所处位置或角度不同，这时就可以采用相似性算法进行数据合并，即：只保留一个构件的数据，其他相似构件只记录一个引用 + 空间坐标即可。通过这种方式可以有效减少构件存储量，达到轻量化的目的。

c) 构建符合场景远近原则的多级构件组织体系；

大的BIM模型构件数量会非常多，在WEB浏览器中全部下载和加载这些构件是不现实的。同时，观察BIM模型的视野范围或场景又是相对有限的。所以利用这个特点，就可以创建一个符合场景远近原则的多级构件体系，使得用户在观察BIM模型时，在远处可以看到全景，但不用看到细节，在近处可以看到细节，但无需看到BIM模型的全部。这样可以大大提高BIM模型在WEB浏览器加载速度和用户体验，解决大体量BIM模型的轻量化问题。

d) 可能的其他方案

其他能够提高WEB浏览器下载和渲染模型效率的技术方案。

3) 三维几何数据在WEB浏览器或App端的实时渲染及管理

WebGL轻量化BIM引擎要实现对三维几何数据的实时渲染（注意：这是实时渲染，跟很炫目的后期专业渲染制作动画的技术要求完全不同），需要进行以下两个步骤的动作。

a) 三维几何数据从服务器端下载到客户端电脑或移动端设备内存。

b) 调用客户端电脑或移动端设备内存和GPU（显卡）高效的实时渲染三维几何数据，还原三维BIM模型。

c) 通过API接口调用形式，实现对三维BIM模型及其构件的操作、管理和对外功能实现。

3.WebGL轻量化BIM引擎技术指标

一款优秀的WebGL轻量化BIM引擎产品必须同时满足一下几个方面的指标：

1) 对不同格式的BIM模型文件的兼容能力

一般来说，引擎必须能够支持当前市场主流的BIM建模软件生成的BIM模型文件格式，比如：

最主流的Autodesk的rvt、rfa、nwd格式，Bentley的Dgn、iModel格式，Catia的CATPart格式，还有BuildingSmart确定的IFC格式，通用的三维文件格式如Obj、Dae、3ds、Fbx格式。

2) 对BIM模型数据的还原能力

原有BIM模型在经过BIM轻量化引擎处理后的所呈现出来的三维几何数据是否存在构件缺失、几何变形、颜色改变，非几何数据是否存在缺失、混乱等情况是判断引擎是否合格的一个关键指标。

3) WEB端BIM模型的加载速度、渲染流畅度和稳定性

在网络环境、客户端硬件配置确定的情况下， 轻量化处理后的BIM模型通过BIM轻量化引擎在Web端的加载速度、渲染流畅度、操作稳定性是引擎最核心的指标。

没有一个用户能够忍受较长的BIM模型加载时间、卡顿的操作和性能的不稳定。

4) 对大体型BIM模型的支持能力

BIM模型精度越来越高、大型公路工程的BIM模型文件往往超过10G以上，如此大体量的模型就要求BIM轻量化引擎有对应的支持能力。

是否支持10G以上的BIM模型是判断一个BIM轻量化引擎是否可用的标准！

5) 引擎所提供的功能是否丰富

BIM轻量化引擎的功能丰富度决定了能进行什么样的BIM应用。所以，一个BIM轻量化引擎处理最基本的模型加载、放大缩小、透明、着色、视点、标签、爆炸、测量、漫游等基本功能之外，是否还具有其他功能也是判断引擎是否优秀的重要指标。

4.BIM轻量化引擎的国内外发展现状

传统的BIM轻量化引擎在国外出现较早，但采用WebGL技术的轻量化BIM引擎则较晚，基本从2013年开始出现。目前，国外主要以美国为主出现了很多开源的轻量化引擎，如XBIM、BIMServer等。同时诸如Autodesk也推出了自己的WebGL轻量化BIM引擎产品A360。

国内的WebGL轻量化BIM引擎产品基本从2015年开始出现，出现了诸如广联达BIMFace、葛兰岱尔的GL WebGL BIM Engine等一批代表性的厂商和产品。

目前在BIM轻量化引擎产品上，国内基本与国外处于同一技术水平，而且国内产品在本地化能力、服务能力上更具优势。

5.BIM轻量化引擎的未来发展趋势

1) BIM+GIS融合

随着BIM应用范围的扩展，尤其在公路、铁路、水利等领域的应用，BIM与GIS的融合就成为了一个必然的需求和发展趋势。BIM+GIS融合实现工程建筑数据与工程环境数据、微观数据与宏观数据的统一管理与一体化应用。

2) 服务器集群并发处理能力

随着BIM应用的用户范围扩大，BIM模型的体量越来越大，BIM轻量化引擎需要提供更高的模型处理性能与WEB端性能，必然需要采用诸如集群的多服务器架构，从而提供并发处理能力，提供高性能与高可靠性。

3) 面向运维管理，提供模拟仿真功能

随着BIM在运维阶段应用的不断扩展，BIM轻量化引擎必须面向运维，面向与IOT设备及数据的集成提供更多模拟仿真功能。比如对水流、电流、物体移动的模拟仿真、对光照、烟雾、火焰等模拟仿真，对温度场、气流的模拟仿真。

4) 能够在WEB端对模型进行轻量化编辑

随着BIM在运维阶段应用的不断扩展，BIM轻量化引擎还必须具有修改BIM模型的功能，以满足运维阶段的非专业用户对BIM修改的应用要求。

5) 集成或对接AR

AR是未来工程建筑领域的最重要应用技术之一。随着5G的发展，AR将作为IOT与3D技术融合的最佳代表，将对包括建筑产业在内的诸多行业产生革命性的推动作用。BIM轻量化引擎必然需要能够与AR设备、AR平台进行集成与对接。

三、BIM轻量化引擎产品的价值

BIM轻量化引擎产品作为BIM应用领域的关键核心技术产品，其功能和性能决定了BIM应用系统的丰富度和能力，是各类BIM应用系统是否可用的基础。

很难想象基于一款糟糕BIM轻量化引擎的BIM应用系统能够拥有好的用户体验和生命力，BIM轻量化引擎产品一定程度代表了工程建筑产业的信息化技术水平和能力！

随着BIM技术在工程建设项目中的应用越来越广泛，各级建设管理部门必然也需要迎接BIM技术的应用、指导BIM技术的应用、监管BIM技术的应用。BIM轻量化引擎产品同样也是实现以上目标的重要技术手段。

只有拥有优秀的BIM轻量化引擎，各级建设管理部门才能够高效率的工作。

大量的工业建筑、商业建筑、民用建筑、市政设施、道路、轨道交通设施是城市最重要的组成部分，也是城市最有价值的资产。工程建筑的智慧化是城市是否智慧化的重要内容和标志！

工程建筑的智慧化必然首先是三维化、BIM化，因此， BIM轻量化技术和城市级别的BIM+GIS融合技术（CIM）是智慧城市的基础支撑技术。

大力发展中国自主知识产权的BIM轻量化引擎产品就显得尤为重要。这既是对市场需求的响应，又是培育发展中国自主BIM产业的需要，也事关数据安全和国家安全（基础设施的BIM模型都属于涉密数据）。

大力发展中国自主知识产权BIM轻量化引擎产品需要企业、政府多方协同，在市场化的基础上，针对自主知识产权BIM轻量化引擎研发企业提供必要的补贴和扶持政策，加快技术发展速度！

我们比较欣喜的是国内已经出现了一些优秀的企业和产品，正在专注于这个领域进行持续的研发和市场化应用，为我们撑起中国自主知识产权BIM轻量化引擎领域的蓝天！

参考文献：

1.何关培,“那个叫BIM的东西究竟是什么”中国建筑工业出版社；