BIM數據的解析與可視化研究

張振偉

摘 要：三維建筑信息模型（BIM）能夠利用數字信息來描述建筑物所擁有的真實信息，精細、專業是其最大的優勢。而傳統三維地理信息系統（GIS）更多地偏向于研究宏觀的三維地域場景。近年來，BIM與GIS逐步演變為一種互補的干系，BIM用來整合和管理建筑物本身的所有階段信息，GIS則集成及管理建筑外部宏觀環境信息。對此，本文提出一種聯系桌面端GIS軟件和工業基礎類標準（IFC）的BIM數據可視化的研究方法。

關鍵詞：BIM技術;三維可視化;ifcplusplus;IFC標準;BIM+GIS

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0031-03

Abstract： The three-dimensional building information model （BIM） can use digital information to describe the real information of the building， and its greatest advantage is precision and professionalism. The traditional 3D geographic information system （GIS） is more inclined to study the macroscopic 3D geographic scenes. In recent years， BIM and GIS have gradually evolved into a complementary relationship， BIM is used to integrate and manage all phases of the building itself， while GIS integrates and manages the external macro environment information of the building. In this regard， this paper proposed a research method of BIM data visualization linking desktop GIS software and industry foundation clas （IFC）.

Keywords： BIM technology;three-dimensional visualization;ifcplusplus;IFC standard;BIM+GIS

三維建筑信息模型（BIM）是在建筑工程有關項目信息數據的基礎上建立起來的，BIM能夠利用數字信息來描述建筑物所擁有的真實信息，精細、專業是其最大的優勢[1]。BIM一向側重于表達與實現微觀建筑構件以及建筑物內部的精細模型，而傳統的三維GIS更多地傾向于研究宏觀的三維地域場景，而且能夠在大型宏觀地域環境中進行數據的管理、存儲、處理和分析[2]。

近年來，BIM與三維GIS優劣勢對比以及BIM和三維GIS集成引發了人們激烈的探討。從BIM領域來講，GIS能夠對宏觀的大型三維場景空間數據開展各類空間查詢操作并且進行相應的空間分析，為BIM做出決策支持;而對于GIS來說，BIM模型可以被看作GIS領域的一個非常必要的數據來源，使得GIS在表達宏觀場景的同時涉及微觀領域，對建筑的精細構件進行描述和管理[3]。

由于BIM與三維GIS行業可以實現無縫銜接并且具備優勢互補的優點，因此業界相關人士紛紛看好兩者的集成應用。但是，BIM與GIS的集成依舊存在諸多挑戰和亟待解決的問題，例如，不同的行業領域簡單地把多種軟件模型格式轉換會造成BIM語義信息部分缺失而難以實現全面共享的目標[4]。一種軟件對于數據標準的支持本質上就是支持對數據的讀寫，IFC標準是BIM行業中重要的數據模型標準[5]，包含豐富的建筑構件的語義屬性信息。

1 IFC架構概述

1.1 IFC簡介

IFC是BIM數據的公開標準，是由國際協同工作聯盟（IAI）建立的主流標準名稱。IFC的目標和歸宿是規定和達成一個基于對象的用于對信息進行共享的行業標準，它可以容納幾何、計算、設備管理和工程造價等數據，也能成為建筑領域、電氣暖通、地形結構等行業的數據來源。

采取IFC標準將會成為解決軟件協同問題的重要途徑，基于建筑模型的數據信息協同將要向利用統一的標準轉變[6]。

1.2 IFC總體架構

IFC標準的體系結構分為四個層次，自下向上由資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、共享層（Interoperability Layer）和領域層（Domain Layer）四個層次組成[7]。

2 IFC文件信息分析

2.1 文件屬性及屬性集

IFC文件中所有實體本身的信息都是通過屬性來描述的，IFC文件的屬性由直接屬性、導出屬性和反屬性三部分組成[8]。屬性集是屬性的集合。

2.1.1 靜態屬性集。靜態屬性集以IFC實體的方式定義，其屬性以IfcSchema的方式靜態地定義在屬性集中，如IfcDoorLiningProperties、IfcDoorPanelProperties、IfcSoundProperties等[9]。

2.1.2 動態屬性集。動態屬性集在IfcPropertySet中進行表示，可以把它當作是一個裝載屬性以及屬性信息的載體，而IfcProperty則用來說明表達具體的屬性信息。

2.2 IFC文件幾何表示

IFC文件中的幾何表示主要由Ifc Building Element提供。IfcLocalPlacement用來描述構件的相對空間位置，而IfcProductDefinitionShape用于定義幾何形狀，主要是在局部坐標系中。

2.3 IFC構件的位置信息

在IFC標準里，通常采用相對坐標系對構件進行位置的確定。例如，人們用Object Placement來描述一根立柱（IfcColumn）位置的相關信息。而PlacementRelT和Relative Placement兩部分構成了Object Placement。

2.3.1 PlacementRelTo。PlacementRelTo指的是參考坐標系，Column的參考坐標系也就是高樓IfcBuidlingStorey所在的坐標系，IfcBuidlingStorey以IfcBuilding所在的坐標系為參考，IfcBuilding以IfcSite所在的坐標系為參考，IfcSite定義的是整體坐標系，沒有參考坐標系[10]。

2.3.2 Relative Placement。Relative Placement是指坐標轉換，這種坐標轉換在相對坐標系內完成。

假如坐標系擁有多層參考，那么就需要在規定每一個構件層次邏輯關系的基礎上獲取每一個構件的絕對坐標信息，所采用的方法是逐級檢索。

3 三維可視化

3.1 ifcplusplus概述

ifcplusplus是一個能夠用來讀取IFC文件的C++類模型，這種IFC文件遵循產品模型數據交互規范（STEP）標準。

在ifcplusplus和OSG的基礎上，人們可以搭建平臺來展示IFC模型，其間需要安裝boost庫、OSG以及OSG依賴的第三方庫。

3.2 OSG概述

OSG是一個開源的高性能3D圖形工具包，位于底層渲染API（OpenGL）和3D應用程序的中間層[11]，OSG引擎由一系列與圖形學相關的功能模塊組成，它的作用在于為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化的功能[12]。

3.3 ifcplusplus讀取文件

IFC標準使用EXPRESS語言描述三維建筑信息模型數據，EXPRESS語言在STEP國際標準中被定義。ifcplusplus讀取STEP的流程如圖1所示。

3.4 BIM數據可視化實踐

VBF軟件是基于地理信息系統而研發的地理大數據可視化軟件，具有多維度、高仿真、立體直觀的效果。它主要應用于時空數據可視化、空間大數據分析可視化以及地表環境模擬，能夠實現時空信息從全球到微觀尺度的一體化表達、信息查詢、量算分析、仿真與推演等功能。

在VBF平臺中，對IFC文件的讀取經歷獲取路徑、獲取數據、幾何轉換、加載到三維球體上等步驟。部分代碼如下：

4 結語

本文立足于BIM+GIS的發展需求，探討了對BIM數據進行解析并且基于GIS平臺的可視化的必要性以及實現的可能性。對于BIM數據的深層解析、ifcplusplus工作原理以及三維可視化的探索仍有漫長的道路要走。

參考文獻：

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