重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目信息化管理GIS 與 BIM 融合方法探討

曹超男，胡國(guó)祥，王壯飛，閔小雙

（1.武漢工程大學(xué)；2.美好置業(yè)集團(tuán)股份有限公司；3.安徽省新路建設(shè)工程集團(tuán)有限責(zé)任公司）

1 引言

BIM（Building Information Modeling，

建筑信息模型）是近幾年建設(shè)行業(yè)最熱門的技術(shù)，但對(duì)于線路長(zhǎng)、跨度大、空間分布復(fù)雜的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，采用現(xiàn)有BIM 技術(shù)難以有效表達(dá)和管理，存在 先 天 不 足。GIS（Geographic Information system：地理信息系統(tǒng)）適用于大廣度、大范圍的空間數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)，但在顯示微觀細(xì)節(jié)方面存在明顯缺陷。因此，BIM 與GIS 應(yīng)用于重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目各有優(yōu)勢(shì)但又都存在明顯不足，迫切需要將兩種技術(shù)進(jìn)行集成融合，實(shí)現(xiàn)二者的互補(bǔ)和優(yōu)勢(shì)共存。然而，由于兩者使用了截然不同的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，兩者之間存在明顯的信息壁壘。迄今，GIS 與BIM 融合技術(shù)主要處于概念階段，缺乏系統(tǒng)完善的解決方法。

2 GIS 與BIM 融合的難點(diǎn)分析

GIS 與BIM 分屬兩個(gè)不同領(lǐng)域，GIS 主要采用City GML（虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)的格式）數(shù)據(jù)格式表達(dá)三維地理信息。BIM 服務(wù)于三維建模設(shè)計(jì)和信息化管理，通常采用IFC（Industry Foundation Class）開放性格式輸出三維可視化模型[1]。City GML 與IFC 標(biāo)準(zhǔn)具有本質(zhì)區(qū)別，二者在語義、幾何、外觀等方面呈現(xiàn)巨大差異[2]，如表1 所示。

由表1 可見，GIS 與BIM 模型間精度與數(shù)據(jù)格式存在較大差異。GIS 可對(duì)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行宏觀抽象表達(dá)，隨著多細(xì)節(jié)層次（LOD0-LOD4）增加，對(duì)三維模型外觀由簡(jiǎn)到繁分級(jí)加載，大范圍的呈現(xiàn)地理空間場(chǎng)景[3]。BIM 模型具有豐富的幾何、語義信息，能夠精細(xì)化表達(dá)交通基礎(chǔ)設(shè)施的全部必要構(gòu)件，包含構(gòu)件的規(guī)格、型號(hào)、材質(zhì)、價(jià)格等參數(shù)[4]。由于不同精度、不同標(biāo)準(zhǔn)間的語義信息存在天然鴻溝，致使二者兼容性差、可重用性低，集成后的數(shù)據(jù)不完整，降低了GIS 與BIM 模型的靈活性。因此，在模型轉(zhuǎn)換時(shí)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合困難，導(dǎo)致參數(shù)化信息大量丟失，使得融合模型未能充分發(fā)揮GIS 與BIM 各自的 優(yōu)勢(shì)[5]。

表1 BIM 與GIS 數(shù)據(jù)格式對(duì)比

3 GIS 與BIM 融合的方法

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有GIS 與BIM 融合技術(shù)的不足，結(jié)合模型輕量化技術(shù)，依據(jù)GIS 中不同LOD 細(xì)節(jié)層次表達(dá)內(nèi)容來研究二者的轉(zhuǎn)換方式，提出基于對(duì)BIM 模型與屬性進(jìn)行同步抽稀，以及對(duì)同質(zhì)構(gòu)件進(jìn)行分類剔除的綜合轉(zhuǎn)化方法，從信息集成、數(shù)據(jù)集成、可視化集成三方面著手，解決融合過程中信息交互和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題，從而實(shí)現(xiàn)GIS 與BIM 深度融合關(guān)聯(lián)?；诖耍珿IS 與BIM 的融合方法如圖1 所示。

3.1 信息集成

首先，基于Autodesk Revit 建模軟件創(chuàng)建道路、橋梁、隧道等交通基礎(chǔ)設(shè)施的典型族庫(kù)構(gòu)件，將幾何構(gòu)件的空間數(shù)據(jù)及屬性信息設(shè)定為變量，對(duì)構(gòu)件編制統(tǒng)一的編碼，使得每個(gè)構(gòu)件具有唯一的標(biāo)識(shí)，從而完善交通基礎(chǔ)設(shè)施的參數(shù)化族庫(kù)。在建立BIM 模型時(shí)，可依據(jù)實(shí)際工程圖紙修改相關(guān)族庫(kù)構(gòu)件的具體參數(shù)，通過構(gòu)件編碼或名稱實(shí)現(xiàn)快速查詢與定位，以此有效獲取交通基礎(chǔ)設(shè)施模型的基本數(shù)據(jù)。

圖1 GIS 與BIM 的融合方法示意圖

龐大的BIM 模型和參數(shù)化信息極大的增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換難度，為了降低模型大小，減少構(gòu)件的存儲(chǔ)數(shù)量，對(duì)全部構(gòu)件以及屬性特征進(jìn)行解析，僅保存一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型，對(duì)其他同質(zhì)構(gòu)件只記錄少量差異數(shù)據(jù)，提取和保留通用的屬性集合。這是由于同質(zhì)構(gòu)件除個(gè)別屬性存在差異外，其他特性基本相同。因此，以BIM 模型中的公共屬性信息為約束條件，對(duì)Revit 模型和屬性信息進(jìn)行輕量化處理，篩選剔除僅描述構(gòu)件關(guān)系卻沒有語義信息的要素，提取GIS 系統(tǒng)中需要的信息和數(shù)據(jù)載體，建立共享圖元，完成BIM 模型與屬性數(shù)據(jù)的同步抽稀，達(dá)到GIS 與BIM 信息融合的目的。

3.2 數(shù)據(jù)集成

在信息初步融合的基礎(chǔ)上，為提高模型的顯示效果，將幾何表達(dá)相同的構(gòu)件歸于同一個(gè)BIM 數(shù)據(jù)，剔除GIS 系統(tǒng)中無意義的模型圖元和數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，建立以蒙皮和模型骨架為主體的模型描述數(shù)據(jù)，能有效壓縮和簡(jiǎn)化BIM 模型數(shù)據(jù)庫(kù)，降低融合模型的復(fù)雜性，提升模型的渲染速度。在確保模型展示效果的條件下，通過抽稀算法剔除幾何模型的頂點(diǎn)、線、面，減少?gòu)?fù)雜三維模型面片的數(shù)量以及頂點(diǎn)、線、面所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，保留必要的紋理特征，去除冗余重復(fù)信息，從而簡(jiǎn)化BIM 模型和三維建模背景，適應(yīng)GIS 數(shù)據(jù)大場(chǎng)景的快速渲染和檢索。

圖2 BIM 在GIS 上的加載顯示

幾何圖元經(jīng)過抽稀處理后，對(duì)可矢量化描述的圖形進(jìn)行矢量化轉(zhuǎn)換，建立結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)形態(tài)，將Revit 模型中的屬性信息抽離并存儲(chǔ)到專用BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)，再融合關(guān)聯(lián)GIS 空間數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)二者的交叉查詢。同時(shí)，對(duì)模型的圖元描述、參數(shù)化、矢量化等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)本地緩存及分類歸檔，便于統(tǒng)一管理。利用3D GIS 引擎將抽稀的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D 網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式文件3D Tiles，實(shí)現(xiàn)BIM 在GIS 上的分布加載和區(qū)域性加載，滿足BIM 模型不同尺度、不同視角的分層級(jí)三維顯示。在GIS 中可快速定位BIM 模型的相關(guān)構(gòu)件及屬性信息，也能通過BIM 模型調(diào)用GIS 系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)位置關(guān)聯(lián)和空間數(shù)據(jù)索引，從而實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)模型數(shù)據(jù)在各終端之間的高效傳輸，實(shí)現(xiàn)BIM 模型在GIS 中大范圍的呈現(xiàn)加載，其加載示意圖見 圖2。

3.3 可視化集成

GIS 與BIM 模型在完成輕量化轉(zhuǎn)換后，通過3D GIS 引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，為模型的可視化集成奠定了基礎(chǔ)。但由于精細(xì)化的BIM 模型一般處于獨(dú)立坐標(biāo)系下，而GIS 在世界坐標(biāo)系下獲取地理空間數(shù)據(jù)，坐標(biāo)系的差異導(dǎo)致融合模型可視化效果差[6]。因此，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是三維可視化集成的關(guān)鍵。為解決二者坐標(biāo)系的差異問題，在信息、數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，利用GIS+BIM 三維引擎瀏覽器程序，將模型嵌入到Web 瀏覽器中，其前端設(shè)備資源可基于Web GL優(yōu)化。該模型瀏覽器將BIM 模型、矢量地圖、GIS 數(shù)據(jù)以及交通基礎(chǔ)設(shè)施周邊地形地貌等統(tǒng)一到世界坐標(biāo)系下，支持在世界坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)投影加載，支持可視化模型的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)與視圖聯(lián)動(dòng)。其中，數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)連接二三維聯(lián)動(dòng)、三維之間聯(lián)動(dòng)、GIS 與BIM 的數(shù)據(jù)共享三個(gè)版塊，以達(dá)到二維平面和三維立體空間數(shù)據(jù)的互查互通；視圖聯(lián)動(dòng)可進(jìn)行GIS 與BIM的切換顯示、宏觀到精細(xì)的動(dòng)畫瀏覽、模型之間的交互查看，以此來優(yōu)化BIM模型的分層級(jí)加載和三維可視化顯示 效果。

通過Web 瀏覽器直接運(yùn)行，脫離大型軟件或插件環(huán)境，支持跨平臺(tái)瀏覽，確保GIS+BIM 系統(tǒng)在統(tǒng)一坐標(biāo)系下適應(yīng)多種復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，解決可視化集成在不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)不通、模型丟失等問題，從而提高執(zhí)行效率及模型呈現(xiàn)效果。為突破GIS+BIM 在可視化集成方面的局限，在GIS+BIM 可視化功能中添加構(gòu)件目錄樹瀏覽模式，為構(gòu)件的快速查詢及隱藏顯示提供便利。同時(shí)，還可提供三維模型瀏覽查看功能，包括模型的縮放、標(biāo)記、測(cè)量等。此外，還可對(duì)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的模型及周邊施工環(huán)境進(jìn)行檢索，以便制定施工計(jì)劃及部署相關(guān)重點(diǎn)工作等。基于此，研制的GIS+BIM 信息化管理平臺(tái)能提供更為精準(zhǔn)的大規(guī)模三維場(chǎng)景，有效提升重大交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)、模型及空間分析能力，真正實(shí)現(xiàn)GIS+BIM 技術(shù)的深度融合。

4 結(jié)語

通過對(duì)BIM 模型與屬性進(jìn)行同步抽稀，以及對(duì)同質(zhì)構(gòu)件分類剔除的創(chuàng)新方法，產(chǎn)生符合GIS 與BIM 通用的數(shù)據(jù)交換格式，解決了語義信息交互困難與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的問題，實(shí)現(xiàn)BIM在GIS 上大廣度的呈現(xiàn)與關(guān)聯(lián)?；谠摲椒ㄑ兄频摹爸卮蠼煌ɑA(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目GIS+BIM 信息化管理平臺(tái)”可完成兩個(gè)不同領(lǐng)域的信息共享，為重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目提供從宏觀到微觀的綜合信息化管理，從而有效提升交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的信息化管理水平。