面向建設工程全生命周期應用的CAD／GIS／BIM在線集成框架

薛 梅，李 鋒

（重慶市勘測院，重慶 400020）

0 引言

在城市規劃和公共服務領域，地理信息系統（GIS）實現了大范圍地理空間信息的集成、可視化和廣泛應用。在建設領域，計算機輔助制圖（CAD）、建筑信息模型（BIM）代表了行業信息化主流。盡管CAD、GIS、BIM研究的核心都是城市空間對象，但術語、信息標準、建模尺度以及要解決問題的技術本質不同，為開展跨領域的互操作集成帶來挑戰。隨著跨領域信息集成研究的深入，CAD／GIS／BIM 集成成為國內外共同關注的前沿技術。國際化標準組織開放地理空間信息聯盟（OGC）提出了對三維數據標準城市地理標記語言（CityGML）和網絡要素服務（WFS）進行擴展，以支持CAD／BIM和GIS信息集成的標準化方向，并成立了三維信息工作組。Lapierre等據此開發了相關測試原型系統［1－6］。朱慶比較了建筑對象的工業基礎類（IFC）數據模型標準和City GML標準定義的CAD／BIM模型與三維GIS模型的表達機制的區別，并提出集成難點在于高細節層次模型到低細節層次模型的自動轉換［7］。李德超等分析了BIM與GIS的區別，從數據組織、應用模型等方面探討BIM在數字城市三維建模中的應用［8］。薛梅等提出了定義具有空間語義一致性的建筑構件信息模型，開展BIM和三維數字城市集成應用的方法［9］。

本文面向建筑、道路、管線等建設工程全生命周期信息集成與管理需求，結合信息模型標準化現狀，提出CAD／GIS／BIM在線集成技術框架，包括建設工程信息模型、CAD／BIM要素服務、3DGIS在線客戶端、建設工程全生命周期應用4個核心內容。基于CityGML擴展的建設工程信息模型是語義空間信息存儲、讀取及協同應用的基礎；CAD／BIM要素服務提供建設工程信息模型在線訪問與修改的標準化接口；自主研發的客戶端軟件實現對CAD／BIM要素服務的訪問、三維場景中建設工程模擬展示和全生命周期集成應用。本技術框架實現了CAD／BIM信息在大范圍三維地理場景中的集成、可視化模擬與分析，為建設工程設計、施工、運營期智慧應用提供了支撐。

1 CAD／GIS／BIM在線集成框架的總體思路

本文研究核心為多源、異構城市地理空間數據和建設工程信息的在線集成及全生命周期應用。建設工程全生命周期涉及決策、設計、施工、運營、拆除階段，涉及多種數據格式和語義信息，通過開展CAD／GIS／BIM在線集成，有助于建設工程各階段信息的實時集成與共享，充分發揮GIS空間數據集成整合、地理模擬、地理分析的優勢，提高工程管理的效率和科學性。

基于OGC推薦的服務發布－發現－綁定模式建立了CAD／GIS／BIM在線集成框架，以實現多源網絡異構數據集成（圖1）。框架包括數據、服務、模型、應用4個層次。數據層包括分布式存儲的二維GIS數據、三維數字地形、三維城市模型、BIM數據和CAD數據；服務層包括OGC網絡目錄服務（CSW）、網絡地圖服務 （WMS）、網絡要素服務（WFS）、網 絡覆蓋 服 務 （WCS）、網 絡三維 服 務（W3DS）擴展和CAD／BIM模型要素服務；模型層包括OGC地理標記語言（GML）、OGC城市地理標記語言（City GML）和建設工程信息模型；應用層以CAD／GIS／BIM在線集成客戶端為基礎，提供服務發現、三維地理環境瀏覽、查詢、分析等功能，并在此基礎上開展建設工程模型集成、選址規劃、交互式設計、施工管理、運營管理等全生命周期應用。

CAD／GIS／BIM在線集成框架應用了多個OGC服務和數據標準。其中OGC CSW定義了空間數據和服務元數據搜索、發現和注冊接口；OGC WMS／WFS／WCS服務定義了二維矢量、影像數據發布和訪問接口；OGC GML和City GML分別定義了二維和三維地理空間數據共享交換標準。對基于OGC標準框架進行了以下擴展：1）擴展OGC W3DS服務，以適應客戶端對三維模型場景組織、多細節層次調度、數據緩存的需要；2）基于City GML應用領域擴展模型（ADE）定義建設工程信息模型，包括建筑（GeoBIM ADE）和基礎設施（GeoInfra ADE）兩大類別；3）參考 WFS、WFS-T定義CAD／BIM 模型要素服務，讀取CAD／BIM數據并返回為GIS可識別的建設工程信息模型；4）研發CAD／GIS／BIM 在線集成客戶端，實現對二三維GIS服務、CAD／BIM模型要素服務的發現、訪問和應用。

2 CAD／GIS／BIM在線集成框架的關鍵技術擴展

2.1 建設工程信息模型

建設工程信息模型的核心在于對各類建設工程全生命周期的空間、業務信息的全面整合與關聯集成。以IFC為代表的建設工程信息模型標準和以CityGML為代表的3DGIS信息模型標準都對城市空間信息進行了定義。IFC側重于單體建筑工程建筑、結構、設施等多專業信息的整合共享，而City GML主要從地理空間角度對道路、隧道、橋梁、建筑、管線等建筑物進行定義，二者涉及領域和技術特性各異，因此需要結合建設工程業務應用需求和3DGIS平臺空間信息表達和渲染的技術特性重新定義建設工程信息模型。VAN BERLO等建立的GeoBIM ADE模型基于City GML應用領域擴展模型實現了對建筑信息模型的擴展定義，并應用到開源模型服務BIMServer中［2］。本文在借鑒GeoBIM ADE基礎上進行進一步擴展，增加了對道路管線等市政設施的定義模型GeoInfra ADE。

GeoBIM ADE和GeoInfra ADE信息模型如圖2所示（見封3）。通過繼承CityGML核心類CityObject，實現對建筑（AbstractBuilding）、道路（Road）、管線（Pipe）工程對象擴展定義，通過繼承CityGML核心類Feature、MultiSurface，實現對門（Door）、窗（Window）、樓梯（Stair）、欄桿（Railing）、路段（RoadSegment）、交叉口 （RoadCross）、橫 斷 面 （Road HDM）、縱斷 面（Road ZDM）、供水管線（GS）、排水管線（PS）等建筑工程詳細信息幾何屬性定義；通過劃分建筑工程對象LOD級別，實現對空間對象的多細節層次管理，如在GeoBIM ADE中，ifcRoofSurface表示建筑屋頂表面，屬于LOD2級別，ifcInterior WallSurface則表示建筑室內墻面，屬于LOD4級別。

2.2 CAD／BIM模型要素服務

自定義的CAD／BIM模型要素服務是在線集成框架的服務基礎，通過讀取建設工程CAD／BIM數據并將其轉換為建設工程信息模型（GeoBIM，GeoInfra），為3DGIS在線集成應用客戶端提供建設工程信息數據來源。國外相關研究已實現了CAD／GIS、BIM／GIS幾何、屬性數據和地理參考坐標的轉換，并開發了成熟的商業軟件［3－6］。在 CAD／BIM數據格式轉換層面，目前最大挑戰來自于BIM數據的高復雜度和大數據量［3，4］。

本方案基于FME的數據映射工具實現CAD／BIM模型要素服務的定義與封裝。CAD／BIM模型要素服務遵守在線網絡語言標準4（OWL4），參照WFS、WFS-T服務接口標準，提供GetCapabilities、Get FeatureInfo Model、Post FeatureInfo Model3個主要服務接口。GetCapabilities提供對服務元數據資源的訪問接口，調用該接口將返回一個包含服務元數據文檔的響應文件，元數據主要包括數據提供商、數據內容、數據版本、數據范圍、坐標系等內容，在建設工程CAD／BIM文件常采用施工坐標系，通過在元數據信息中定義坐標轉換參數，實現CAD／BIM施工坐標系和GIS地理空間坐標系的統一；GetFeatureInfo Model提供對具體工程信息模型數據的訪問接口，用戶通過輸入關鍵字等條件搜索數據，服務返回符合GeoBIM、GeoInfra標準的響應文件；Post-FeatureInfo Model接口通過事務方式提供對建設工程信息模型的更新。

2.3 CAD／GIS／BIM 在線集成客戶端

CAD／GIS／BIM在線集成客戶端基于自主研發的平臺（3DGIS）進行二次開發，平臺支持用戶對復雜的虛擬地理環境中三維城市對象和景觀模型的創建、編輯、管理；支持dwg、dxf、3dx、shp等常見文件格式；支持基于LOD的大規模三維場景的動態調度和高效渲染。在線集成客戶端框架的主要組件如圖3所示。網絡服務適配器組件實現對OGC WMS／WCS／WFS標準服務、OGC W3DS擴展服務和CAD／BIM模型要素服務的識別與訪問，進而利用3D繪制引擎和3D分析引擎實現二三維GIS數據的疊加、展示和查詢分析應用；對于建設工程信息模型，通過參數化驅動建模引擎實時將建筑工程信息模型構建為三維可視化模型，進而開展建設工程在三維場景中的集成和全生命周期應用。

基于上述在線集成框架，客戶端在線訪問CAD／BIM數據的過程為：1）通過GetCapabilities接口搜索到符合條件的數據服務目錄；2）目錄服務返回BIM／CAD數據URL及查詢字符串，根據查詢字符串將提取相應的信息要素；3）用戶在客戶端輸入查詢字符串，后臺程序發送Get FeatureInfo Model的BIM／CAD要素服務請求；4）Get FeatureInfo Model服務根據請求提取相應要素并發送給客戶端，采用zip方式進行壓縮；5）客戶端獲取數據，基于參數化驅動建模引擎進行實時繪制。

通過客戶端在線修改CAD／BIM信息的過程為：1）用戶在客戶端修改信息模型的參數，如道路平面線型、建筑門窗尺寸等；2）用戶上傳修改后的信息模型；3）客戶端根據上傳操作，對信息模型數據進行數據打包編碼，并發送Post FeatureInfo Model的WFS服務請求；4）接收到Post請求，創建一個新的要素模型；5）服務上傳 GetCapabilities定義；6）OGC目錄服務根據該定義提供該要素服務的元數據；7）用戶可以根據目錄服務訪問到修改后信息模型要素。

3 應用實踐

3.1 大范圍場景數據集成

CAD／GIS／BIM在線集成框架應用的典型方面是分布式建設工程數據在大范圍三維地理空間場景的實時加載和無縫集成。3DGIS已經實現室外地形地貌、建構筑物的空間展示，但并不包含這些人工設施的語義信息。通過建設工程信息在3DGIS的實時加載和集成，為傳統數字城市提供了高精度工程級別空間和語義信息。本文在重慶主城區開展了分布式CAD／BIM數據在大范圍場景的集成應用示范，數據格式、范圍、服務和模型如表1所示。圖4a、圖4b為建筑BIM模型在三維地理空間環境的集成效果；圖4c、圖4d分別為CAD管線數據、道路設計數據集成效果。基于建設工程語義和空間信息集成成果，可開展建筑、管線、道路等設施的語義化查詢分析。例如，在3DGIS瀏覽器中實時查看建筑室內空間結構、道路管線及附屬設施的空間及語義信息，可以分層、分構件查詢、展示、統計建筑內部信息；可以實時統計路段長度、車道數量、附屬設施數量等信息。結合GIS的地理模擬與空間分析特性，還可進一步拓展建設工程全生命周期應用。

表1 大范圍數據集成示范Table 1 Data integration demonstration in large range

3.2 全生命周期管理應用

在建設工程領域，BIM已在工程深化設計、建筑系統性能和持續性設計分析、4D施工模擬中開展了大量應用，其在設計、施工階段的優勢和潛力得以體現［10－14］。通過開展BIM、CAD和 GIS的集成應用，充分發揮GIS在地理模擬、空間分析中的優勢，有助于進一步拓展建設工程全生命周期信息集成管理應用鏈。在項目規劃階段，基于集成方案周邊建筑、道路、地形、管線等地理空間數據的3D GIS軟件，結合GIS緩沖分析、疊加分析、地形地貌分析等功能開展場地使用條件評估和分析，有助于開展科學選址規劃（圖5a）；在方案論證階段，基于三維數字地形可視化與編輯功能，在三維地理空間環境下開展方案的草繪、參數化交互式設計與日照分析、通視分析等3D模擬分析，通過將初步論證研究結果導出為BIM／CAD格式，為開展深化設計、建筑系統分析、4D施工模擬等設計、施工管理工作提供初步成果數據（圖5b、圖5c）；在項目運營階段，通過在3DGIS軟件中集成CAD／BIM建筑工程深化設計成果（空間信息、設備參數等），為設備運營維護提供可視化支撐，通過和室內定位、門禁系統、監控系統、結構安全監測系統等進行動態集成，實現項目智能化運營管理；基于室內外一體化集成信息的路線分析、緩沖分析功能，為制訂疏散救援應急預案、災害發生后快速獲取設備狀態信息，開展應急救援指揮等應用提供支撐（圖5d）。

4 結論與展望

針對建設工程全生命周期管理應用的需求，本文提出了面向服務的CAD／GIS／BIM在線集成框架。以擴展OGC CityGML建立的建設工程信息模型為核心，設計了CAD／BIM模型要素服務和在線集成客戶端，通過應用實踐驗證了該技術框架的可行性。通過開展CAD／GIS／BIM在線集成和應用，一方面為三維數字城市補充了建設工程語義化、結構化空間數據，為數字城市向智慧城市發展提供了豐富的數據來源；另一方面結合建設工程全生命周期應用管理的需求，綜合利用GIS、CAD／BIM的技術特點和優勢，拓展了信息集成應用的鏈條，探索了測繪地理信息和建設工程領域深度融合的技術前景。模型多細節層次數據轉換，BIM數據發布轉換中的語義丟失和集成分析效率是在實踐過程中遇到的主要瓶頸。下一步擬采用云計算架構提高協同計算和分析能力，促進框架在建設工程領域的應用推廣。

［1］ LAPIERRE A，COTE P.Using Open Web Services for urban data management：A testbed resulting from an OGC initiative for offering standard CAD／GIS／BIM services［A］.Annual Symposium of the Urban Data Management Society［C］.New York：Taylor ＆ Francis，2007.381－393.

［2］ DE LAAT R，VAN BERLO L.Integration of BIM and GIS：The Development of the CityGML GeoBIM Extension［M］.Berlin Heidelberg：Springer，2011.

［3］ HIJAZI I，EHLERS M，ZLATANOVA S，et al.IFC to CityGML transformation framework for geo-analysis：A water utility network case［A］.4th International Workshop on 3D Geo-Information［C］.Ghent：Taylor ＆Francis，2009.121－125.

［4］ ISIKDAG U，ZLATANOVA S.Towards Defining a Framework for Automatic Generation of Buildings in CityGML Using Building Information Models［M］.Berlin Heidelberg：Springer，2009.

［5］ BORRMANN A.From GIS to BIM and back again——A spatial query language for 3D building models and 3D city models［A］.5th International 3D Geoinfo Conference［C］.Berlin：Springer，2010.11－13.

［6］ STOTER J，VOSSELMAN G，GOOS J，et al.Towards a national 3D spatial data infrastructure：Case of the Netherlands［J］.Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation，2011，21（6）：405－420.

［7］ 朱慶.三維GIS及其在智慧城市中的應用［J］.地球信息科學學報，2014，16（2）：151－157.

［8］ 李德超，張瑞芝.BIM技術在數字城市三維建模中的應用研究［J］.土木建筑工程信息技術，2012，18（1）：47－51.

［9］ 薛梅.一種建筑信息模型與三維數字城市集成方法［J］.地理信息世界，2014，21（5）：49－51.

［10］ 朱慶，吳波，鐘正.三維GIS與公路CAD的集成［J］.中國公路學報，2006，19（4）：1－6.

［11］ 蔡知甬.基于4D-BIM的施工資源動態管理與成本實時監控［J］.建筑知識（學術刊），2013，32（B09）：225－225.

［12］ 韓維綱.基于信息技術進步及管理模式創新的BIM應用與發展方向［J］.福建建材，2013，17（1）：17－19.

［13］ 劉晴，王建平.基于BIM技術的建設工程生命周期管理研究［J］.土木建筑工程信息技術，2010，12（3）：40－45.

［14］ 李恒，郭紅領，黃霆.BIM 在建設項目中應用模式研究［J］.工程管理學報，2010，24（5）：17－19.