英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化系统
摘要
在线BIM可视化系统是构建BIM网络应用的首要任务。轻量级、跨平台、开放性是构建在线BIM可视化系统的三个基本原则。目前，在BIM可视化方面做了一些工作。然而，它们大多是为本地BIM而设计的，而在线的BIM忽略了网络负载（无轻量化）或依赖平台（无跨平台）。本研究开发了一个基于IFC和WebGL的在线BIM可视化系统，称为WebBIM。WebBIM首先将原始的IFC几何数据转换成三角形，通过在同一设备组件生成的对象实例之间共享几何数据，对BIM几何数据进行轻量化，压缩几何数据，并在web浏览器中直接渲染解压缩后的三角形BIM数据。最后，从大量实际项目的BIM数据中进行的实证研究表明，WebBIM具有高效性,能实现对大型BIM文件的可视化能力以及与主流设备的兼容。
介绍
建筑信息模型（BIM）是建筑的一种综合表示。通过为设施信息提供共享知识资源，BIM允许所有数据的数据互操作性，并支持参与者在其生命周期内的协作。近十年来，由于BIM在建筑、工程和建造（AEC）行业具有重要的应用价值， BIM的研究和应用层出不穷。显然，越来越多的AEC公司已经将BIM作为他们项目的一个共同范例。
BIM的传统工具通常作为软件发布，在本地操作系统（OS）中安装并使用，例如Autodesk Revit、Bentley Microstation等。以这种方式，BIM数据都在本地存储和管理，称为本地BIM。显然，在线BIM系统对所有参与者都是有益的，因为BIM系统的云部署确保了BIM数据的实时一致性，并促进了利益相关者之间的协作。毫无疑问，所有在线BIM系统面临的首要任务是在线可视化BIM。
在线BIM可视化系统与本地BIM系统在以下方面有所不同：
1、轻量化。网络是BIM在线可视化系统的重要组成部分，服务器端和客户端都通过网络进行数据交互。因此，轻量化的BIM数据可以提高可视化系统的用户体验。
2、跨平台。在线BIM可视化系统应满足跨平台的要求。移动设备的普及和信息技术的进步，引发了不同终端对跨平台BIM可视化的需求。不同的用户希望能使用不同的设备在不同的操作系统中进行协作。然而，由于不同的操作系统只能提供不同的编程接口，本地BIM可视化只能适用于特定的操作系统环境。
3、开放性。为了支持不同BIM设计工具的BIM，在线BIM可视化系统必须采用第三方开放标准。
显然，许多3D引擎支持跨平台开发，例如Unity，然而，这些技术需要调整以适应不同的OS环境。Web图形库（WebGL）是一个跨平台、免版税的API，用于在Web浏览器中创建3D图形。目前，WebGL已经集成在广泛的操作系统和主流浏览器。因此，WebGL是在线BIM可视化系统的首选技术。
工业基础类（IFC）是BIM的一种与平台无关的开放文件格式规范。由于IFC是一个官方的国际标准ISO，所以本文中的开放BIM在线可视化系统是基于IFC格式，以支持不同BIM工具设计的BIM。
虽然在基于IFC的BIM可视化方面已经做了一些工作，但是忽略了网络因素和移动设备有限的资源，阻碍了它们在广泛场景中的应用。本文利用WebGL开发了一个开放式BIM的跨平台在线可视化系统WebBIM。
本文的贡献包括：
1、提出了对开放BIM数据进行轻量化的策略。充分分析了IFC对象的几何图形和IFC对象之间的几何引用。对于任何IFC对象，几何体由两部分组成：IFC本地位置和IFC产品定义形状。IFC产品定义形状定义对象的几何体，而IFC本地位置定义位置。在此基础上，采用共享几何结构、压缩几何数据等策略对BIM进行轻量化。
2、为开放式BIM开发了一种新型的跨平台在线可视化系统WebBIM。WebBIM包含三个部分：三角变换模型、实体轻量模型和WebGL渲染模型。
3、通过实际项目的数据系统地评估WebBIM。我们验证了WebBIM能够绘制包含400多万个IFC对象、3700万个三角形面和1亿个顶点的BIM。我们还确认了WebBIM与主流的操作系统兼容，包括Windows、iOS、Android。
论文的其余部分安排如下。第2节提供了必要的定义和准备工作。第三节讨论了相关工作，第四节介绍了开放式BIM跨平台在线可视化系统。第五部分为实证研究，第六部分为研究结论。
定义和预备工作
本节提供相关的符号和定义，并简要介绍WebGL和IFC。
符号和定义
定义1（设施组件）设施组件是一种可以在设计中重用并在现实中大量生产的典型组件。在本文中，Ci表示设施组件i，C（j）i是AEC项目中Ci的第j个实例。
图1展示了一个设施组件。由于四把椅子具有相同的几何结构，并且可以在工厂由同一模型批量生产，因此四把椅子是同一椅子设施组件的实例。类似地，地砖是图1中的另一个设施组件。
图1 设施组件示例
定义2（BIM） BIM表示为B，是由设备组件生成的一组设备或对象实例。
在本研究中，我们使用IFC作为标准BIM文件。因此，IFC文件也被表示为B。
定义3（WebBIM）WebBIM是本研究开发的基于WebGL的开放式BIM跨平台在线可视化系统。
WebBIM轻量化并压缩BIM数据，减轻网络负载，实现在线可视化；WebGL作为渲染引擎，支持不同平台的不同硬件和操作系统环境；IFC作为基本BIM数据格式，支持更多BIM设计工具。
WebGL
WebGL是一个跨平台、免版税的API，用于在Web浏览器中创建3D图形。WebGL基于OpenGL ES 2.0，使用OpenGL着色语言GLSL，并提供标准OpenGL API的熟悉度。因为它运行在HTML5 Canvas元素中，WebGL与所有文档对象模型（Document Object Model，DOM）接口完全集成。因此，WebGL是一个DOM API，可以从任何DOM兼容语言中使用：JavaScript、Java，或者如果您将WebKit嵌入Mac Objective C上的应用程序中。
目前，WebGL提供了许多优势，其中包括：
- 一个基于熟悉且被广泛接受的三维图形标准的API。
- 跨浏览器和跨平台兼容性。
- 与HTML内容紧密集成，包括分层合成、与其他HTML元素的交互，以及使用标准的HTML事件处理机制。
- 针对浏览器环境的硬件加速三维图形。
- 一个脚本环境，使您不需要编译和链接就可以轻松地创建三维图形的原型，然后查看和调试渲染的图形。
显然，WebGL很自然地满足了在线BIM可视化系统的跨平台需求。
IFC
IFC数据模型旨在描述建筑业的数据。它是一种基于对象的文件格式，数据模型由buildingSMART（以前是国际互操作性联盟IAI）开发，以促进AEC行业的互操作性，是基于BIM的项目中常用的协作格式。IFC模型规范由国际标准化组织（ISO）注册，是国际标准化组织（ISO）16739:2013的官方标准。
由于注重软件平台之间的易操作性，许多政府、组织和公司已强制要求所有或部分建筑项目使用IFC格式，例如丹麦政府、芬兰国有设施管理公司Senate Properties、挪威政府、健康和国防客户组织等。
IFC定义了一个基于EXPRESS的实体关系模型，该模型由几百个实体组成，这些实体组织成一个基于对象的继承层次结构。实体的示例包括建筑元素（如IfcWall）、几何图形（如IfcExtrudedAreaSolid）和基本构造（如IfcCartesianPoint）。下面是墙对象的示例。
“#4”是IfcWallStandardCase的行号。内部成员由八个参数的方括号初始化，这些参数由逗号分隔。“3vB2YO$MX4xv5uCqZZG05x”是IfcWallStandardCase实例的GUID。第二个参数“#2”表示IfcOwnerHistory。“Wall xyz”是墙对象的名称，后面是其描述。“#46”是指定义墙的对象坐标系的IfcLocalPlacement对象。“#51”是定义墙对象形状的IfcProductDefinitionShape对象。
显然，IFC文件既包含常规实体，也包含它们之间的关系。例如，IFC文件通常是从IfcProject根实例构造的，然后由多个引用层将其分解为许多产品，如IfcWall、IfcBeam等。
一个IFC文件的几何数据也由几个IFC实体及其之间的关系组织。IFC能够表示各种各样的几何图形。表1列出了在IFC中支持的几何图形类型。2d曲线、几何集、几何曲面集分别是点、线、面的描述模型。SurfaceModel表示曲面模型，SolidModel表示实体模型。具体来说，SolidModel可以分为SweptSolid、Brep、CSG、Clipping、AdvancedSweptSolid。图2显示了一个墙对象的示例。SweptSolid用于表示此处的墙对象，其中定义了横截面（IFCRectangleProfileDef）、拉伸方向（IFCDirection）和拉伸距离（IFCCartesianPoint）。毫无疑问，这些模型提供了表示不同对象的强大工具。但是，要渲染这些模型中描述的对象，需要进一步的计算。
由于移动设备计算资源的限制和web浏览器资源的限制，在跨平台的在线BIM可视化系统中，在IFC中绘制原始几何模型显然是不可能的。三角形是一种简单的几何类型，可以直接在大多数软件（尤其是3D查看器）中渲染。因此，我们在WebBIM中使用三角形作为中间几何类型。
在线开放式BIM的跨平台可视化
本节详细介绍了我们的开放式BIM跨平台在线可视化系统WebBIM。
WebBIM的总体框架
WebBIM由三个关键模型组成：三角变换模型（TriCon）、实例权重模型（InsMod）和WebGL渲染模型（WebGL-RM）。图3给出了WebBIM的总体框架。
TriCon:TriCon将IFC中的原始几何体转换为三角形，这些三角形可以直接在WebGL中呈现。
InsMod:InsMod通过将设施组件与其实例分离来对三角形进行轻量化。从同一设施组件生成的所有实例共享相同的几何描述。此外，InsMod利用压缩算法减少了从云端服务器到用户设备的数据传输量。
WebGL-RM:WebGL-RM直接在浏览器中渲染轻量化的三角形。
WebBIM首先将IFC中的原始几何体转换为TriCon中的三角形，然后通过重用InsMod中的几何体对三角形进行轻量化。最后，利用WebGL-RM中的轻量化几何数据直接渲染BIM。
三角变换器模型（TriCon）
如第2.3节所述，IFC规范定义了七种常见的几何模型。IFC版本2times;3主要使用CSG、SweptSolid和Brep。CSG限制切割类型，也就是说，IFC规范首先扫描物理结构，然后执行平面与物理结构之间的布尔裁剪操作。Brep通常用来表示几何图形。Brep将顶点和曲线作为基本的几何图形，因为顶点和曲线可以轻松地转换为三角形网格曲面。因此，TriCon的第一步是将CSG和SweptSolid表示的几何数据转换为Brep。转换过程主要包括顶点计算、边界重组和拓扑重建三个过程。
TriCon的第二步是模型边界分割。本文采用Delaunay三角剖分算法对所有Brep模型的边界进行三角剖分。具体来说，网格划分过程使用了Bowyer-Watson算法，该算法利用了Delaunay洞的特性。开始时，会设置一个初始三角形。每次只添加一个新顶点。当新顶点被添加到Delaunay网格中时，一些三角形不再满足Delaunay洞的性质。在这种情况下，它们的外部球包含新的顶点，这些三角形被移除，从而产生新的Delaunay空洞。新添加的顶点连接到构成Delaunay洞的所有顶点，以生成新边。很容易证明这些新增加的边构成的三角形符合Delaunay洞的性质。以这种方式，一个新的顶点被添加到原始三角形中。三角网格是通过将边界上的所有顶点巧妙地添加到原始三角形中而形成的。这个过程很容易实现并且没有空间的维度。
在上述步骤之后，由图3中的IFC标准定义的几何数据被转换为图4中所示的三角形网格数据。该对象生成的三角网格数据作为JSON对象存储，目前在网络应用中得到了广泛的应用。这种存储方法对网络传输和数据库存储都是有益的。
WebBIM中JSON的格式如表2所示。参数“materials”描述对象实例的材质信息，而参数“uvs”记录所有的uv数据。“vertices”是对象网格中的顶点，“normals”是每个顶点的法线。参数“colors”存储对象实例中使用的所有颜色。
图3 WebBIM的总体框架
图4 图2所示墙对象的三角形表示
参数“index”通过引用参数“vertices”中定义的顶点索引来定义所有三角形面。“matrix”参数是一个4times;4矩阵，表示索引的旋转和平移。图4展示了图2中对象实例的JSON对象的一个示例。
轻量化模型（InsMod）
WebBIM旨在为BIM的在线可视化提供强大的工具。我们收集了20个真实项目的BIM数据，发现90%以上的BIM模型大于100兆字节。这种巨大的数据给BIM的在线可视化提出了挑战，因为从云端服务器向互联网用户的可视化设备传输100兆字节的数据需要相当长的时间。因此，WebBIM的首要任务是对BIM
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[236795]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
