BIM 和(hé / huò)SuperMap三維 GIS融合的(de)技術探索

1 引 言

　　建築信息模型 (BuildingInformation Modeling,BIM),目前國(guó)内并沒有官方定義,根據美國(guó)國(guó)家BIM 标準 (NationalBuildingInformation ModelingStandard),BIM 是(shì)創建與管理設施物理與功能特性的(de)數字化三維表達過程,是(shì)關于(yú)設施的(de)共享知識資源,從最早期的(de)概念階段到(dào)最終的(de)拆除階段,爲(wéi / wèi)設施全生命周期的(de)決策制定提供可靠的(de)信息支持[1]。BIM 目前在(zài)建築以(yǐ)及一(yī / yì ／yí)些設計領域應用越來(lái)越普遍。

　　“BIM+GIS”是(shì) BIM 多維度應用的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)重要(yào / yāo)方向,GIS提供的(de)專業空間查詢分析能力及宏觀地(dì / de)理環境基礎,可深度挖掘 BIM 的(de)應用價值[2]。一(yī / yì ／yí)方面,BIM 彌補了(le／liǎo)三維 GIS缺乏精準建築模型的(de)空白,是(shì)三維 GIS的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)重要(yào / yāo)的(de)數據來(lái)源,能夠讓其從宏觀走向微觀,從室外進入室内,同時(shí)可以(yǐ)實現精細化管理。另一(yī / yì ／yí)方面,GIS獨有的(de)空間分析功能拓展了(le／liǎo) BIM 的(de)應用領域,BIM 與 GIS融合将滿足查詢與分析宏觀微觀一(yī / yì ／yí)體化、室内外一(yī / yì ／yí)體化的(de)地(dì / de)理空間信息的(de)需求,發揮 GIS的(de)位置服務與空間分析特長,并與 BIM 融合産生無限應用可能。

　　BIM 與 GIS數據融合與應用拓展成爲(wéi / wèi)學術界和(hé / huò)産業界研究熱點。但 BIM 與 GIS應用領域不(bù)同,遵循的(de)标準各異,BIM 模型數據不(bù)能直接與 GIS數據融合。爲(wéi / wèi)解決這(zhè)一(yī / yì ／yí)問題,本文在(zài) SuperMapGIS軟件的(de)技術基礎上(shàng),針對BIM 模型數據的(de)特點,探索了(le／liǎo)BIM 和(hé / huò)三維 GIS的(de)融合技術。SuperMapGIS是(shì)一(yī / yì ／yí)款專業的(de)大(dà)型地(dì / de)理信息系統軟件平台,具備大(dà)數據、跨平台、三維、雲端一(yī / yì ／yí)體化等關鍵技術,支持各類信息系統建設,在(zài)國(guó)内各個(gè) GIS行業中深入應用。爲(wéi / wèi)實現SuperMapGIS與 BIM 領域的(de)結合,進行了(le／liǎo)此項研究。

2 BIM 模型數據與三維 GIS的(de)融合

　　從 GIS的(de)角度,BIM 模型的(de)數據結構可以(yǐ)分爲(wéi / wèi)空間數據 (模型)及屬性數據 (參數)兩部分,其中空間數據包含空間位置、表現紋理、幾何形狀等,屬性數據包含設計參數、施工參數、運維參數等,兩者通過ID相關聯 (圖1)。這(zhè)與三維 GIS數據結構類似。因此三維 GIS理論上(shàng)可以(yǐ)支持 BIM 的(de)數據結構(空間數據和(hé / huò)屬性數據),支持 BIM 的(de)數據表現形式 (三維模型),支持 BIM 數據對象 (如建築物對象等)。同時(shí) BIM 和(hé / huò) GIS各有獨特的(de)功能, “BIM+GIS”将拓展各自的(de)應用領域。

　　基于(yú)對 BIM 模型數據結構的(de)分解,本文探讨了(le／liǎo) BIM模型數據與 SuperMapGIS融合的(de)方法。該方法概括爲(wéi / wèi)三個(gè)方面,分别是(shì) BIM 模型與 GIS系統的(de)對接,大(dà)體量BIM 精模在(zài) GIS中的(de)高性能渲染,BIM 模型與 GIS融合後的(de)空間分析。這(zhè)也(yě)是(shì)目前 BIM 模型與 GIS系統融合需要(yào / yāo)解決的(de)主要(yào / yāo)問題 (即數據如何對接,性能如何保證,具備哪些能力)。

2.1 BIM 模型數據導入 GIS系統

　　國(guó)内外 BIM 軟 件 很 多, 文 件 格 式 各 不(bù) 相 同, 如 Autodesk Revit 的(de) RVT、RFA、ADSK 格 式,CATIA 的(de) CATPart、CATProduct、CATdrawing格式,Bentley的(de) DGN 格式等。格式的(de)不(bù)統一(yī / yì ／yí),增加了(le／liǎo) BIM 數據導入 GIS系統的(de)難度。

　　我們的(de)做法是(shì)開發SuperMapExport插件,從各類BIM 軟件中将不(bù)同格式的(de)BIM 數據導出(chū)爲(wéi / wèi)SuperMapGIS軟件直 接 支 持 的(de) 模 型 數 據 格 式。目 前 該 插 件 隻 适 用 于(yú) Revit軟 件,後 續 将 支 持 更 多 的(de) 軟 件(圖2)。對于(yú) CATIA 等其他(tā)軟件,暫時(shí)采用3dsMax插件導出(chū)爲(wéi / wèi)SuperMapGIS支持的(de)中轉格式。

圖2 SuperMapExport插件導出(chū) BIM 模型的(de)效果圖

　　BIM 模式 數 據 導 入 GIS 系 統 時(shí), 需 要(yào / yāo) 具 備 投 影 信 息 才 能 與 GIS 中 的(de) 其 他(tā) 數 據 匹 配[3]。 因 此SuperMapExport插件在(zài)研發的(de)時(shí)候設置了(le／liǎo)兩種導出(chū)模式:插入點模式和(hé / huò)投影模式。插入點模式可以(yǐ)選擇BIM 模型待插入位置的(de)信息,并設置爲(wéi / wèi)球面坐标或平面坐标。投影模式支持自定義投影。

2.2 高性能渲染

　　以(yǐ)一(yī / yì ／yí)棟建築數據爲(wéi / wèi)例,其圖元類别有6600多個(gè),每個(gè)圖元又包含諸多屬性數據,如此大(dà)體量的(de)數據同時(shí)渲染會給顯 卡 帶 來(lái) 很 大(dà) 壓 力。目 前 我 們 采 用 了(le／liǎo) 一(yī / yì ／yí) 些 性 能 優 化 的(de) 技 術 來(lái) 滿 足 大(dà) 體 量 數 據 對 性 能 的(de)需求[4-6]。

　　第一(yī / yì ／yí)個(gè)技術是(shì)實例化,這(zhè)種技術适用于(yú)重複模型較多的(de)情況,可以(yǐ)實現對相同的(de)幾何模型隻繪制一(yī / yì ／yí)次,降低顯卡等硬件設備的(de)壓力[4,5]。

　　另一(yī / yì ／yí)個(gè)技術是(shì)模型輕量化,将模型的(de)某些骨架進行删除或者簡化。以(yǐ)圖3中的(de)門對象爲(wéi / wèi)例,單獨一(yī / yì ／yí)個(gè)門對象,頂點個(gè)數980個(gè),三角面片920個(gè),其中門把手、鎖芯等占據80%~90%的(de)數據量,從中可以(yǐ)推斷整棟大(dà)樓的(de)數據情況 (圖3)。對于(yú)非精細設施管理類的(de) GIS應用,這(zhè)類部件缺乏實用價值,可以(yǐ)采用删除或簡化這(zhè)些子(zǐ)對象來(lái)達到(dào)模型輕量化的(de)目的(de) (圖3)。

　　第三個(gè)技術是(shì)生成 BIM 緩存,在(zài) SuperMapGIS軟件中有相應的(de)緩存設置選項 (如緩存格式、LOD層級等)。緩存是(shì) GIS系統中普遍采用的(de)一(yī / yì ／yí)種圖形顯示手段,可以(yǐ)提高數據的(de)浏覽速度[4,6]。同時(shí),在(zài)通過SuperMapExport插件導出(chū)時(shí),可按照 BIM 模型的(de)族進行分類,分别存儲在(zài)數據集中,再通過生成緩存數據,實現單獨調整圖層的(de) LOD縮放比例系數,保證大(dà)場景的(de)渲染性能。

圖3 一(yī / yì ／yí)個(gè)門對象的(de)數據量 (頂點個(gè)數980個(gè),三角面片920個(gè))

2.3 BIM 與 GIS融合後空間查詢與分析

　　通過 BIM 與 GIS的(de)融合,GIS可以(yǐ)爲(wéi / wèi) BIM 添加空間查詢和(hé / huò)空間分析等 GIS獨有的(de)功能。空間查詢可細分爲(wéi / wèi)圖查屬性 (如點擊 BIM 模型部件查看其屬性)和(hé / huò)屬性查圖 (如根據某一(yī / yì ／yí)類型的(de)元素查詢該類型對應的(de)所有部件)。空間分析是(shì)将SuperMapGIS已經實現的(de)通視分析、日照分析、可視域分析等功能添加到(dào) BIM 的(de)分析能力之(zhī)上(shàng),還可以(yǐ)量算 BIM 模型數據的(de)面積、體積、高程等。對于(yú) BIM 數據中的(de)管線類數據 (如風管、電纜、管道(dào)等),空間分析還包括通過 SuperMapExport插件将其導出(chū)爲(wéi / wèi)三維點、線數據集,再通過SuperMapGIS的(de)拓撲構網功能構建三維網絡數據集,進行網絡分析。此外,在(zài)大(dà)規模工程應用中,還需要(yào / yāo)将 BIM 模型數據與地(dì / de)形數據進行匹配,以(yǐ)了(le／liǎo)解其所處的(de)宏觀地(dì / de)理環境 (圖4)。

圖4 BIM 模型數據與大(dà)規模地(dì / de)形數據的(de)匹配

3 結束語

　　地(dì / de)理信息系統作爲(wéi / wèi)存儲、管理和(hé / huò)分析空間信息的(de)技術,本質上(shàng)可以(yǐ)充分利用 BIM 包含的(de)建築幾何和(hé / huò)語義信息。本文通過将 BIM 模式數據分解爲(wéi / wèi)三維 GIS數據結構類似的(de)幾何和(hé / huò)屬性兩部分,探索了(le／liǎo)其與SuperMap3DGIS的(de)融合技術,包括實例化、模型輕量化、緩存技術等,并以(yǐ)功能模塊的(de)形式,包括SuperMapExport插件、模型輕量化功能項、空間查詢與分析功能項等實現 BIM 模型數據導入 SuperMapGIS以(yǐ)及在(zài)SuperMapGIS中的(de)高性能加渲染、空間分析與可視化。

　　“BIM+GIS”擁有無限可能。一(yī / yì ／yí)方面, “BIM+GIS”可以(yǐ)爲(wéi / wèi)建設過程提供查詢、空間分析的(de)工具,支持施工進度模拟,施工質量管理,施工安全管理,重點結構監測,人(rén)員管理,材料管理,大(dà)型工程的(de)建設與維護等實際應用。目前已有研究将 “BIM+GIS”技術用于(yú)整個(gè)建築供應鏈各個(gè)過程的(de)可視化監控,在(zài)不(bù)同階段利用 BIM 和(hé / huò) GIS解決不(bù)同的(de)問題,減少供應鏈運行成本,提高整體競争力[7]。

　　另一(yī / yì ／yí)方面,“BIM+GIS”也(yě)爲(wéi / wèi) GIS從室外走向室内,從城市宏觀走向建築物微觀提供了(le／liǎo)豐富的(de)數據源,擴展 GIS的(de)應用空間。如有研究将原始鐵路設計的(de)中線數據導入3D 可視化平台,自動生成鐵路路基、橋梁、隧道(dào)、接觸網、護坡等橫斷面模型,進行土方量分析與量測、縱斷面信息采集等;或者将地(dì / de)下管廊 BIM 數據用于(yú)解決城市内澇、反複開挖路面、架空線網密集等問題。

　　我們的(de)工作仍有很多需要(yào / yāo)改進的(de)地(dì / de)方。包括:SuperMapExport插件目前支持 Revit軟件的(de)BIM 模型導出(chū),後續将進行改進使其支持更多的(de) BIM 軟件的(de)模型導出(chū)到(dào) GIS,并對數據導出(chū)時(shí)的(de)信息有無損失進行評估;在(zài)模型輕量化方面,目前隻是(shì)通過删除子(zǐ)對象的(de)方式實現,後續将開發模型簡化、子(zǐ)對象簡化等功能,以(yǐ)滿足不(bù)同的(de)應用需求。

參 考 文 獻

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【作者簡介】

　　馮振華 (1982-),男,碩士。主要(yào / yāo)研究方向爲(wéi / wèi)三維地(dì / de)理信息技術。