引言

在新冠疫情影响下，北京市住房和城乡建设委员会于2020年5月20日发布了第125号文《关于进一步做好常态化疫情防控期间房地产开发项目售楼场所管理的通知》，其中第九条指出要加大科技应用，鼓励开发企业充分利用电话、互联网、虚拟现实技术(VR)、直播售楼等非直接接触方式，开展线上楼盘展示、宣传等营销活动。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是建筑领域的新概念，具有可视化、协调性、模拟性和优化性的特点^[1]。且BIM精细程度高，特征参数化，语义信息丰富，BIM已经成为城市精细化、智慧化、标准化管理的重要数据源^[2]。可见BIM的出现附着了建筑物的整体信息，可以提供单栋建筑的精确信息模型。乔国臻和张茹涵^[3]等运用无人机倾斜摄影技术构建实景三维模型，再使用BIM+GIS数据集成技术实现BIM模型和真实三维模型的结合，搭建了一套带有GPS车辆实时监控与调度和报警点自动定位等功能的智慧警务系统。杨田^[4]将fbx格式的BIM模型导入支持OSGB格式的Skyline软件中实现BIM与倾斜摄影模型的融合，并以3DML格式保存，再利用Spatial Framework Services进行发布，提供给不同领域、不同的部门和不同的设备使用。李明涛^[5]分析了IFC和CityGML模型文件架构，研究了这两种数据模型的编码规则。将skp格式的SketchUP模型转换为支持IFC标准的3ds格式模型，并在FME开发平台上，把3ds格式模型分解与CityGML建立语义映射。实现了把建筑空间信息传递到其周围地理环境中，并能查询和分析三维GIS建筑室内的信息。

建筑信息模型具有海量数据，在加载和渲染模型时对电脑本身的配置要求很高，而且对于普通客户无法实际地去操作这些大型软件。然而5G时代的到来在促进通信行业发展的同时，也为实现三维模型在B/S架构下展示提供了技术支持。所以本文采用将BIM通用标准转换为能够流式传输而且可以使建筑物数据集、BIM模型、点云和倾斜摄影等大模型比较流畅地在Web端进行浏览展示的3D Tiles数据格式，以提高在Web端加载BIM模型的速度，实现跨平台展示三维模型，并且为开发企业提供新的营销方案。

1.   标准解析

1.1   IFC标准

IFC(Industry Foundation Classes，工业基础类)标准是buildingSMART提出的开放数据标准，现已成为国际标准(ISO16739)。IFC标准被广泛地应用在软件兼容性的研究^[6]，数据交换标准研究^[7]和关系数据库的研究^[8]。IFC标准的技术架构分为四个层次，如图 1所示，由上至下分别为：领域层(Domain Layer)、共享层(Interoperability Layer)、核心层(Core Layer)和资源层(Resource Layer)^[9]。每层中都包含一系列的信息描述模块，并且遵守一个规则：每个层次只能引用同层次和下层次的信息资源，而不能引用上层次的资源，当上层资源发生变动时，下层是不会受到影响的。

图  1  IFC4的基本架构

Figure  1.  Schema of IFC4

下载: 全尺寸图片 幻灯片

IFC标准资源层(IFC—Resource Layer)：是IFC体系架构中的最底层也是整个体系的基本层，能为其他层所引用；IFC标准核心层(IFC—Core Layer)：是IFC体系架构中的第二层，能为共享层和领域层所引用；IFC标准共享层(IFC—Interoperability Layer)：是IFC体系架构中的第三层，该层主要是服务于领域层，使得领域层信息可以进行交互；IFC标准领域层(IFC—Domain Layer)：是IFC体系架构中的最顶层，该层主要定义了面向各个专业领域的实体类型。每一层使用或是引用定义在核心和独立资源层上的信息模型都是独立的。其主要作用是深入到各个应用的领域内部，形成专题信息，比如暖通领域(HVAC Domain)、工程管理领域(Construction Management Domain)等，而且还可以根据实际需要不断进行扩展。

1.2   3D Tiles标准解析

3D Tiles数据规范标准是由Cesium团队AGI公司在2016年推出的，该数据规范标准是在glTF基础上提供了LOD能力。由于该数据规范标准具有流式传输的属性所以3D Tiles可以使建筑物数据集、BIM模型、点云和倾斜摄影等大模型比较流畅的在Web端进行浏览展示。同时它还定义了一个分层数据结构和一组瓦片格式，用于提供可渲染内容。在3D Tiles中，切片数据集是在空间数据结构(树)中组织的一组图块。一个瓦片数据集由至少一个瓦片数据集JSON文件描述，该文件包含切片集元数据和切片对象树^[10]。

3D Tiles中的Tile，即瓦片，它包含用于确定是否渲染瓦片的元数据和对渲染内容的引用以及所有子瓦片的数组，用于组织3D Tiles的空间结构^{[11, 12]}，它的数据结构可见图 2。

图  2  瓦片的数据结构

Figure  2.  Data structure of tileset

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   BIM模型数据格式转换

通过阅读相关文献可发现目前在BIM模式数据转换的过程中几何信息和属性信息丢失、语义信息歧义等是较为突出的问题^[13-15]。并且目前还没有方法能够将IFC直接转换成3D Tiles。因此在本文中，首先将IFC标准文件导出为数据源，分析BIM文件和3D Tiles文件之间的映射关系。然后，将拆分后的IFC模型进行重组，以便生成包含属性信息的JavaScript Object Notation(JSON)文件，和用来存储建筑构件几何信息的建筑构件IFC模型。根据分析得到BIM文件与3D Tiles文件之间的映射关系可以将IFC模型中包含的属性信息传递给3D Tiles。同时，在转换的过程中完成了坐标转换和数据映射以确保BIM模型能快速地在Cesium框架中进行渲染交互。

2.1   BIMServer解析BIM模型数据

IFC模型中必不可少的两种信息分别是建筑构件的几何信息和用来描述建筑构件的属性信息。通常在IFC标准中几何信息表达方法分为三种类型：边界描述(B-rep)、扫描体和构造实体几何方法(CSG)^{[14, 16]}。IFC模型中的属性信息包含大量的结构细节，包括对600多个建筑实体的定义和300多个建筑类型的定义，以及各个建筑构件(例如IfcSite、IfcBuilding和IfcBuildingStorey)之间的语义连接^[17]。

为了保留BIM模型中大量的几何信息和属性信息，必须按照规则对IFC文件进行分割处理，以便保留建筑构件模型和相关的属性信息。本文采用GitHub上的开源工具BIMserver对IFC文件如图 3所示进行分割。BIMserver是基于BIM的服务器管理平台，将IFC文件上传到BIMserver，并通过IFCEngine拆分模型，以便获得构件模型(IFC文件)和与构件相关的属性文件(JSON文件)。

图  3  分割IFC文件

Figure  3.  Split IFC file

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在BIMserver提取IFC文件的过程中，将根据3D Tiles模型的要求编辑IFC文件并再次处理其几何信息和相关的属性信息以便筛选出所需要的数据，如果确定是需要的数据则输出其几何信息和与之相关联的属性信息。最终将获取到的局部坐标系下构件的几何位置信息，几何表示方式和材质信息存储到JSON文件中。

2.2   分析IFC转换成OBJ

(1) OBJ文件的几何和材料定义

对象文件(.obj或OBJ)是一种文本文件格式，用于定义对象的几何和其他属性。OBJ格式文件由顶点坐标(vertex coordinate)，法线坐标(normal coordinate)、纹理坐标(texture coordinate)和阐明三者之间连接性的文本文件组成，OBJ格式文件示例如图 4所示。根据OBJ文件的示例可见，每行的第一个字符指定命令的类型，后跟任意参数。该文件由工具读取并从上到下进行解析。OBJ文件中包含的最常见的关键词是几何顶点，纹理坐标，法线顶点和多边形面。顶点命令v(在OBJ文件的第3行中标记)指定了一个顶点，后面跟三个表示该点坐标(x，y，z)的浮点值。OBJ文件的第27行中标记的顶点法线命令指定一个法线向量，后跟三个浮点值，它们表示法线的坐标(x，y，z)。顶点纹理命令vt的特征在于它是0到1之间的浮点值，它定义了纹理的映射方式，而面命令f指是由列出的顶点组成的多边形。如示例OBJ文件中的第36行所示，多边形面命令f是由顶点v，纹理vt和法线vn组成，它们表示一个三角形面元素，而OBJ文件正是在IFC标准下从建筑构件模型转换而来的。

图  4  OBJ文件的示例

Figure  4.  An example of OBJ file

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) IFC到OBJ的转换

IFC是基于Express语言的开放文件格式标准^[18]，用于描述BIM模型中模拟的建筑物。Express旨在促进属于已定义的类的规范，和与类相关的属性(颜色、大小、形状和材料等)。IFC概念是由IfcElement实体在Express语言中经过相关的拓扑关系组织构建起的。且IFC概念架构通过IfcLocalPlacement、IfcElementQuantity和IfcPropertySet关系明确了与IFC模型元素之间的区别。与IfcElement相关的属性集由IfcPropertySet定义，与IfcElement相关的数量由IfcElementQuantity定义，与IfcElement相关的位置信息由IfcLocalPlacement定义。

本研究将从IfcLocalPlacement，IfcElementQuantity和IfcProoertySet关系中提取的属性值与OBJ文件的几何材料属性进行关联。因此IFC-Express实体可以转换为OBJ类。本文提出的转换方法是逐行从IfcElement实体中提取局部属性和其继承的属性。但是由于Express实体没有使用全局定义对IFC属性进行描述^[19]，因此在Express实体转换为OBJ类时需要将局部坐标转换为全局坐标。同时，还需要提取相应的材料信息以便完成后续的纹理转换。本文通过使用OBJ材料模板库(Material Template Library，MTL)的伴随文件(.mtl)来提取材料信息，其可以通过IFC数据模型中的IfcRelAssociatesMaterial和IfcRelDefinesByProperties关系与分配到的材料信息进行关联。这样我们可以根据全局坐标系中IFC模型的几何信息创建一个顶点、纹理和法线坐标数组，构建完整的三角形面，同时生成一个新的OBJ文件。

如图 5所示，将IFC转换为OBJ的具体过程可以分为以下三个步骤。第一步分析并提取三角形面的顶点坐标，该三角形面依赖于多个IfcLocalPlacemet对象的嵌入式应用，以允许将IfcElement对象通过上文所述的IfcLocalPlacement放置在另一个IfcElement对象位置的全局坐标系内。第二步是分析和提取法线和纹理浮点值，最后一步是分析和提取材料信息。本文采用Github上提供的一种IFC到OBJ转换的开源库IfcOpenShell，该框架可将IFC实体携带的所有隐式几何转换为任何软件都可以理解的显示几何。IfcOpenShelll支持在C/C++继承开发环境(C-free5)中进行编译。

图  5  IFC转换成OBJ的流程

Figure  5.  IFC-to-OBJ process

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   分析OBJ转换成glTF

(1) glTF的基础结构

现有的文件格式不适用于3D模型的快速传输：有些不包含任何场景信息，而仅包含几何数据；而其他应用程序希望数据能在应用程序之间交换，但是它们的主要目标是保留与3D场景有关的信息，从而导致文件数据量很大，很复杂并且很难解析。glTF文件格式旨在提高3D模型的网络传输效率，因此glTF使用JSON来描述场景结构，该结构非常紧凑并且可以轻松解析。并且glTF文件将3D模型的数据以可以被普通图形API直接使用的形式存储，不需要解码或者预处理3D数据，其基础结构如图 6所示。Scene是整个场景的入口点，由node图(树)结构组成；node是场景层级中的一个节点，可以包含位置变换，也可以有子节点；同时，node通过指向mesh、camera、skin来描述node的形变；mesh描述在场景中出现的几何物体，并通过accessor(访问器)来访问其真实的几何数据，并通过material(材质)来确定渲染外观；texture定义如何将纹理映射到模型上。

图  6  glTF基础结构

Figure  6.  glTF basic structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) OBJ到glTF的转换

通过前面BIMserver拆分IFC文件和IFC转OBJ这两步骤便可获得模型拆分后的子模块，此时便可将相应的子模块和其相关的材料数据写入进glTF文件中。并且在转换的过程中要确定顶点坐标和纹理坐标之间的对应关系，这样才能将纹理信息准确映射到3D模型表面。由于子模块之间的不连续性，导致顶点坐标的ID值也需要写入glTF文件中进行区分，以便转换过程中快速调用顶点信息。在glTF文件中，建筑物由存储在三角形面中的网格组成，且相同的建筑物组件具有相同的标识符。因此在最终的glTF文件中不仅包含顶点位置、顶点法向量和顶点纹理坐标而且包含网格标识符。

2.4   glTF转换成b3dm

glTF作为文件主体的一部分，其与文件头、功能表和批处理表一起转换为二进制glTF(glb)，以形成b3dm切片数据文件。批处理表是用来存储用户定义与模型相关的数据，该数据用于与用户进行交互，但不会影响模型的呈现方式，例如填充UI或发出代表性专业REST API请求等。

尽管在实际的建筑项目中建筑构件的数量非常庞大，但是在每层相同的位置上其墙、门和窗户都是相同的，并且其中很大一部分是相同构件的简单重复。因此在b3dm的文件头中，为每个构件分配了一个batch_id，且相同id值的顶点具有相同的组成构件。因此存储在b3dm文件主体的批处理表中的属性信息也可被称为batch_id，其数据结构如图 7所示。

图  7  b3dm数据结构

Figure  7.  b3dm data structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 2瓦片的数据结构可知b3dm和瓦片数据一起组成了3D Tiles文件，且该瓦片数据包含了用于组织3D Tiles空间数据的元数据。

3.   Cesium解析模型b3dm文件

由于IFC模型采用的是局部坐标系，而3D Tiles模型采用的是全局坐标系，且在Cesium框架中使用的3D数字地球采用的是全球笛卡尔坐标系，其地理中心是坐标的原点^[20]。因此在加载模型时，采用的坐标系是局部笛卡尔坐标系。所以Cesium需要对转换后的模型进行坐标系转换处理，如图 8所示，其中立方体表示具有局部坐标(X_m，Y_m，Z_m)的建筑构件。当建筑构件从局部坐标转换为全局坐标时，建筑构件的相对位置也会发生变化。建筑构件会分别围绕X轴，Y轴，Z轴旋转，两个坐标系之间的过渡矩阵计算如下：假设在3D Tiles的全局坐标系中，IFC模型在局部坐标系下的原点(x₁，y₁，z₁)；局部坐标系的Z轴垂直于地面；Y轴指向正北；坐标轴对应得自旋转矩阵为R_x，R_y，R_z； θ_x，θ_y，θ_z是旋转矢量分别和X轴，Y轴和Z轴之间的夹角。

图  8  坐标转换

Figure  8.  Coordinate transformation

下载: 全尺寸图片 幻灯片

基于上述的坐标系转换矩阵，可将IFC模型从局部坐标过渡到全局坐标，且能够在Cesium的全球笛卡尔坐标系下准确加载和渲染。

4.   案例分析

为了验证上述IFC到3D Tiles格式转换方法的可行性，本文选取某BIM模型进行测试。该模型信息：3层教学楼，大小为12MB；硬件环境：Intel(R)Core(TM)i5-9400F CPU@2.90GHz，内存为16.0GB，显卡为NVIDIA GeForce GTX 1660 SUPER；软件环境：Microsoft Edge浏览器，Tomcat服务器。

4.1   模型数据量解析

(1) 运用Revit软件将教学楼模型以IFC格式导出，并将导出的文件上传至BIMserver服务器，使其拆分成保存几何信息的IFC文件和保存属性信息的JSON文件。使用Python语言结合GitHub上的开源软件ifcopenshell解析IFC文件，计算IFC模型中包含的建筑构件。此步骤所采用的是Python3.5和ifcOpenShell-python for python 3.5。其相关代码与结果可见下图 9和图 10，可见该教学楼IFC模型中包含了IfcSlab、IfcDoor、IfcBeam和IfcWallStanardCase等构件。

图  9  解析IFC模型的代码

Figure  9.  Code to parse the IFC model

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  10  部分IFC模型构件

Figure  10.  Part of IFC model components

下载: 全尺寸图片 幻灯片

(2) 经过上述IFC到OBJ、OBJ到glTF以及glTF到3D Tiles的转换后，产生如图 11所示的3D Tiles格式的瓦片数据集，其中包含存储几何信息的b3dm文件和存储属性信息的json文件。最终将该3D Tiles瓦片数据集导入至开源的Cesium平台中，实现在web端加载BIM模型的功能。

图  11  3D Tiles瓦片集

Figure  11.  3D Tiles tile set

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2   加载帧率分析

3D Tiles是在glTF格式的基础上增加了HLOD功能，而glTF是目前公认的适用于网络传输三维模型的数据格式。因此本研究将该教学楼模型在转换成glTF格式时导入至WebGL中加载，并将最终生成的3D Tiles格式的模型导入至Cesium中加载。分别检测记录两次加载模型时的帧率，帧率直接反应系统的流畅程度，帧率越高，加载速度越快，则用户的体验感越好。其加载模型时的帧率对比如图 12所示，从图中可见加载3D Tiles模型时的帧率要高于加载glTF模型时的帧率，且加载3D Tiles模型的用时短于加载glTF模型。因此采用3D Tiles数据标准加载模型既可以减少计算机数据处理量也可以提高Web端加载模型时的速度。

图  12  glTF与3D Tiles加载帧率对比

Figure  12.  Comparison of glTF and 3D Tiles loading frame rate

下载: 全尺寸图片 幻灯片

5.   结论

本文基于对IFC标准和3D Tiles标准的分析，分三个步骤准确地将IFC模型中的几何信息和属性信息映射到3D Tiles模型中。并解析了Cesium中使用的全球笛卡尔坐标系和IFC模型采用的局部坐标系之间的区别，通过转换矩阵实现了BIM模型在Cesium平台的精确加载，实现了在Web端快速加载BIM模型。本文不仅降低了对计算机的负担，而且提高了模型加载速度，为开发企业提供了新的营销方案。