淺談BIM+GIS在水利工程中的應用前景

賀 賢

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 734000)

0 前 言

BIM多維度擴展應用的一個重要組成部分就是BIM和三維GIS的結合使用。GIS具有專業的宏觀地理環境基礎，空間查詢和分析能力。因此，可以拓展BIM的應用前景。BIM則可以解決當前GIS缺乏精準建筑模型的問題，豐富GIS的數據來源，使得三維的GIS突破宏觀限制從而進入微觀領域，從室外到室內實現精細化管理。GIS獨有的空間分析功能拓展了BIM的應用領域，BIM與三維GIS的結合使查詢與分析、宏觀與微觀以及室內外一體化的地理空間信息功能得以實現。GIS發揮了的空間分析和位置服務的功能，與BIM融合在水利工程中會產生無限的應用可能(見圖1)。

圖1 BIM+GIS圖

1 BIM簡介

作為建筑界最新出現的一項技術，建筑信息模型來源于三維數字技術。該技術被廣泛應用到建筑工程當中，以有效解決工程軟件描述當中存在的問題，幫助設計人員準確判斷各種建筑信息，提高項目的運行效率，降低項目出現問題的可能。BIM可以收納項目當中的多種數據模型。因此，設計人員可以從BIM當中直接了解到與項目相關的信息。它可以被使用到項目的建造設計和管理當中，提高項目運行效率，降低風險產生的可能性，而且還可以使整個項目處于一種集成化管理的環境當中，突破傳統的粗糙管理的限制，幫助建筑行業逐漸走向高效化和信息化，提高工程的集成程度。該模型與水利工程的結合，不但是水利工程的質量和效率得到了明顯的提高，而且還降低了整個項目的運行成本。BIM當中有行為模型和數據模型2種，數據模型主要與項目的幾何圖形和數據相關，而行為模型則是管理當中所構建的模型，二者的結合可以在虛擬世界中模擬真實世界。當前BIM已經被軟件開發商和學術界高度重視，許多先進的建筑設計軟件都是在BIM的基礎上研發而來，而且它還可以幫助建筑工程實現全周期的集成管理。設計人員使用BIM建立模型，可以突破外掛和仿真軟件的限制，直接觀察到項目的結構、施工進度等，解決設計過程中常出現的一些問題。BIM構建的建筑模型特征主要有以下幾點：

(1) 每個組件的更改會統一更動，展現于各個視圖中。

(2) 使程序可識別對象，且參數化規則可以更加智能化操控對象。

(3) 使用數字化方式呈現的建筑組件具有可計算的圖形和數據屬性。

(4) 用戶可以將自己的經驗與數據結合起來，對工作流程進行分析，提高分析效率。

2 三維GIS簡介

作為一種特定的空間信息系統，地理信息系統(Geographic Information Systen，GIS)又被叫做地學信息系統或者資源與環境信息系統。該系統借助電子計算機的軟件和硬件來進行數據的收集、管理、運行、儲存、顯示和描述操作。這些數據描述的是部分或整個地球表層空間的地理分布情況。三維GIS最基本的能力是空間數據處理，例如數據表現、數據分析、數據操縱和數據獲取。因此，它可以直觀地展現出空間信息的具體情況。作為三維GIS的基礎，二維GIS只能利用圖形化的形式對空間信息進行表達，因此它具有專業人員的局限性。三維GIS平臺可以展現更加的豐富多彩，普通用戶也可以通過可視化和直觀化的三維圖像了解抽象的空間信息，而三維GIS與計算機軟件和硬件的結合進一步拓展了三維GIS的應用范圍。此外，工作人員研發的投影設備工作站也提高了三維GIS的展示效果。

3 BIM與三維GIS結合前景

BIM的數據結構主要由參數和模型兩部分組成，其中參數包括運維施工和設計參數。空間數據模型和三維GIS數據結構大致相同，包含空間位置、形狀、外觀等，在信息管理和空間分析方面有重疊功能，其涵蓋了BIM的數據對象、三維模型數據表現形式與數據結構。因此，BIM和三維GIS結合應用的前景十分廣闊，會創造無限的可能性。

(1) 從宏觀與微觀角度。一方面，BIM可以被貫徹使用到建筑的施工運行維護設計等全過程，但是它必須與周邊宏觀地理環境相結合，而三維GIS就反映的是宏觀的地理環境，它可以通過空間分析和查詢功能為 BIM提供決策支持，所以 BIM需要三維GIS的輔助；另一方面， BIM可以滿足三維GIS的需求，彌補三維GIS在微觀領域的欠缺，輔助GIS進行查詢和分析，所以GIS對BIM也有很大需求。

(2) 從室內室外角度，BIM可以彌補三維GIS在微觀領域的欠缺，三維GIS與BIM數據相結合之后，可以對室內室外進行統一管理，實現精細化操作。

4 BIM與三維GIS結合的應用

4.1 水利水電行業數字化管理應用

“十二五”科技支撐計劃中提出解決“數字流域”關鍵技術，目標是實現水利水電行業數字化、信息化、智慧化，對流域內的水能開發涉及的自然環境、生產管理、工程設備等實現數據一體化集成管理。因為流域水能資源開發涉及的管理面廣、內容繁多，是一項復雜的系統工程，必須要有先進技術手段做保障。基于BIM和三維GIS，再結合其他先進信息采集技術，可以獲取流域的社會經濟及生產管理、自然環境、工程設備及運行等過程的數據，集成管理全流域、全業務、全層級數據，并在三維GIS平臺上實現數據資源和流域環境的可視化綜合展現、決策會商等功能。

首先，當前許多企業已經開展云平臺技術、集群技術、計算資源虛擬化技術等相關方面的研究，構建了完整的數字管理平臺。該平臺可以將企業的各種業務進行一體化的應用，完善各個領域當中的數據應用和數字化管理。利用衛星、航測、衛星定位、無線通信、智能傳感器、射頻識別等智能采集技術，探索構建完整的流域水電全生命周期信息獲取技術體系，實現了流域水電工程全生命周期信息采集的實時性、準確性和高效性。

4.2 三維空間分析應用

三維空間分析基于GIS的空間分析功能，與BIM進行結合后，可以實現包括通視分析、可視區域分析、日照分析、視頻投放以及Box裁剪等應用。

4.3 BIM模型獲取剖面應用

通過獲取BIM模型的剖面，包括縱斷面和橫斷面，將三維數據降維成二維數據。同時，與BIM模型保持全部相同屬性的信息以二維數據形式被記錄。

4.4 BIM模型與大場景地形的匹配應用

通過使用插件提供的投影和插入點導出方式，可以把BIM模型放在某大地坐標系統下進行分析。對應用范圍較大的BIM模型和精度較高的使用場景，可以與地形影像進行空間匹配。

4.5 其他水利工程中的應用

面積、距離、高程量的計算；重點結構的監測，如高溫、高壓、材料統計、成本預算、上報施工安全與質量管理隱患、施工進度模擬、動態模擬施工過程等。

5 BIM與三維GIS結合應用的問題

5.1 數據匹配與對接

當前國內外BIM的研究越來越多。因此，已出現了眾多的 BIM軟件與之相對應的BIM文件格式，以下將論述幾種常見的 BIM文件格式：

(1) RVT：AutodeskRevit軟件使用的BIM數據格式，還包括：RFA、ADSK等格式；

(2) DGN：Bentley公司開發的支持其Microstation系列產品的數據格式；

(3) CATPart：CATIA軟件的數據格式，還包括：CATProduct、CATdrawing等格式。

GIS平臺如何接入BIM數據也是難題。BIM軟件是BIM數據的基礎，像Revit的rvt文件本身不帶貼圖，于Revit安裝目錄的材質庫中存在，Revit數據的完整信息要想被讀取，必須依賴Revit軟件本身。目前，基于BIM到GIS數據格式轉換插件或工具是讀取BIM數據最現實的方法，BIM數據通過BIM軟件庫的原生支撐轉換到GIS數據庫。因此，必須開發與之相對應的轉化或插件工具，將數據模型轉變為 BIM模型，并且將其指定地點進行保存，完成數據的導出工作。

5.2 BIM模型在GIS平臺的表現形式

首先，如果解決了在GIS平臺表示BIM模型的難題，BIM模型的查詢、分析及統計等功能就可以被實現。GIS要從室外走向室內，室內數據可以通過BIM獲取。其次，BIM模型不僅是表面模型，還具備完善的閉合性及拓撲完整性。因此，這樣的建筑可以用三維體對象模型來表述。BIM模型統一到三維體對象模型，被三角化后可以進化三維空間運算和三維空間關系判斷，并且支持多種三維空間分析、面積和體積計算、構建三維緩沖區等，為制定城市設計規則提供強大的技術支撐。

5.3 BIM鏈接網絡在三維GIS中的實現

GIS空間數據模型包括二維和三維網絡數據模型。三維網絡模型數據能夠表示諸如管線、管廊、道路等數據之間的連接拓撲關系。而BIM的應用對象往往是單體建筑，如地下鐵路、隧道、管線、港口等規模比較大的區域性對象，則需要三維GIS來實現，BIM單體之間的鏈接網絡通過三維網絡模型數據表示，比如管線數據，可以提取出帶拓撲連接關系的線對象和三維點，構建三維網絡數據模型。

這樣各種復雜的實際工程領域中就可以應用BIM模型。例如，引水線路網絡分析，若某一干渠的一段暗渠發生了破損，可以根據三維網絡數據模型的拓撲關系明確該關閉哪些閘門，哪些支渠受到了影響，從而及時、快速的解決問題，免得產生不必要的水資源浪費。

5.4 三維數據坐標的轉換

BIM一般采用獨立坐標系，但是GIS數據來源的采集方式眾多，導致采用的坐標成果也存在諸多差異。不同坐標系無法匹配是BIM與GIS集成應用面臨的問題之一。GIS可以進行不同坐標系之前的轉換，而且點、線、面的坐標轉換已經十分成熟，但怎么把轉換能力應用到三維模型數據中，對GIS平臺來說也是新的挑戰。

5.5 BIM與多源數據的匹配

GIS集成了海量多源數據，比如地形影像、激光點云、地下管線、精細模型、水面數據等。如何使BIM與多源數據融合匹配去提高數據的利用價值，是BIM和GIS應用的一大挑戰。

通過數據配準和坐標轉換，將BIM模型與傾斜攝影模型和地形等數據統一到相同的坐標系，實現各種信息對齊。再對數據進行處理和操作，進行諸如鑲嵌、裁剪、壓平等操作，實現數據紋理拼接自然和平滑銜。可以進行BIM與多源數據的融合匹配。

5.6 三維空間數據的標準

BIM與GIS結合雖然得到了越來越廣泛的應用，但沒有統一的規范和三維空間數據標準，三維空間數據的開放共享和互操作是難點，使得BIM與GIS結合的深入應用受到制約。國內外先后推出了眾多的數據格式和標準，如3DTiles、I3S、S3M等。這些格式和標準的推出，推動了三維數據的開放共享和標準化。

6 BIM與三維GIS結合應用的解決方法

以一幢樓的建筑數據為例，如果用Revit軟件打開，會有至少6 000多個圖元類別，其中每個圖元又包含了非常多的屬性信息，所以要想滿足大體量數據的性能，就需要采用性能優化技術來實現。目前軟件開發商提到的技術有以下3種方法。

6.1 實例化方法

重復模型較多的情況適用于該技術，相同的幾何模型只繪制1次，這樣就可以降低硬件和顯卡等設備的壓力。

6.2 模型輕量化方法

精簡或刪除模型中的一些骨架。比如:1扇窗戶、三角面和頂點數分別近上千，但是把手、卡扣占將近1/2的數據量，那么1幢樓或者1個小區內窗戶的數量就非常多，但對于GIS來說這些部件卻沒有可用的價值，所以刪除或者精簡這些骨架就可以達到模型輕量化的目的。

6.3 生成BIM緩存方法

通過設置參數，生成需要的格式的緩存數據。按照BIM模型的族在插件導出時進行分類并存儲在數據集中，生成緩存后就可以單獨調整圖層的LOD縮放比例系數，保證大場景的性能。

7 結 語

近年來，BIM徹底改變了建筑項目的設計、建設以及運維方式，也由“以建模為主”的BIM1.0跨向“以多維度數據應用”的BIM2.0。BIM結合三維GIS是BIM多維度應用的重要方向之一，三維GIS特有的宏觀地理環境基礎和專業的空間分析查詢能力使BIM的價值逐漸被深度挖掘。與此同時，三維GIS技術也越來越成熟，國內有些公司研究出的專業三維GIS基于云端一體化技術體系為BIM提供“云+端”的應用技術，使BIM輕量化運維情景下的管理及技術問題被解決。二維、三維一體化技術的發展帶動了GIS空間分析能力和炫麗三維可視化效果的發展，為 BIM與GIS的結合提供了更多基礎。

GIS可以整合建筑物外部的環境， BIM則貫徹于建筑物生命的各個周期。BIM和三維GIS雖然身處不同的行業領域，但二者實質上可以互補。實際應用中，GIS提供空間參考，BIM則提供數據基礎，兩者結合后應用將會非常廣泛。BIM開拓三維GIS的應用領域，BIM全生命周期的管理也需要GIS的參與，將GIS從宏觀領域帶入微觀領域。

現有的軟件平臺僅提供基礎功能，需要做二次開發來實現特定的功能，二者的結合也會為建設多要素，全周期的水利數字化應用系統貢獻巨大的力量。