BIM與三維GIS集成在水利工程中的應用

朱春光， 王義坤， 祁仰旭， 王文仲

(南京市長江河道管理處， 江蘇 南京 210011)

水利工程建設涉及地理環境、地質條件、交通、經濟等多方面，需要復雜且龐大的數據支持，傳統的二位CAD設計圖難以充分利用多源數據，無法直觀展示設計方案，制約了設計效率的提高。信息技術的發展為水利行業提供了新的技術手段，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術應運而生，它能夠對單體建筑進行三維數字化建模[1]。地理信息系統(Geographic Information System，GIS)技術因其強大的空間數據展示、管理和分析能力，也逐漸被應用于水利行業的規劃建設工作中；而逐漸發展起來的BIM與GIS集成技術，能夠構建水利工程及其所處地理環境的三維可視化模型并實現工程項目的信息化管理[2]。目前，中國的水利行業處于從傳統向現代化、信息化轉型的時代，BIM和三維GIS集成技術是水利工程信息化建設研究的重點內容。

1 BIM與GIS簡介

1.1 BIM及GIS特征

BIM是一個工程項目物理和功能特性的數字化表達。BIM能夠呈現建筑工程的三維數字模型并整合項目全生命周期各個階段(包括設計、施工和運維)的信息。當前BIM技術已在建筑工程領域得到一定的發展和應用，越來越多的設計和施工運營單位開始利用BIM技術進行建筑工程的精細化設計和信息管理，但我國水利行業的BIM應用尚處于起步階段。

GIS是在計算機硬軟件支持下對地球表面空間信息進行采集、存儲、管理、分析和顯示的信息系統，三維GIS技術能夠實現地球表面三維模型構建，展現建筑工程的地理環境及外觀。當前，GIS技術因其強大的空間分析和三維可視化功能已在大型基礎設施工程中得到廣泛應用。IFC(Industry Foundation Classes，工業基礎類)與CityGML(City Geography Markup Language，城市地理標記語言)的區別見表1。

表1 IFC與CityGML的區別

BIM模型包含了豐富的建筑物微觀層面的數據，它側重建筑本身的幾何特征、空間結構模型以及屬性信息的管理，但基于BIM技術開發的軟件無法加載大范圍的地理空間數據，而GIS能夠從宏觀上提供地理空間數據，它側重建筑物外部的地理環境信息的顯示和分析，但不包含建筑物內部信息。因此，BIM與GIS恰是一種互補關系，二者融合可以同時展示宏觀和微觀數據，運用在水利工程中將能夠使工程的規劃設計和建設管理實現數字化、信息化和精細化[3-4]。

1.2 數據標準格式

BIM技術和GIS 技術是分別針對不同的應用領域而設計的，二者數據標準不同，其幾何表達和語義描述存在較大差別。BIM數據標準格式為IFC，它包含了建筑模型的幾何屬性以及拓撲關系等所有相關信息。GIS數據標準格式為CityGML，它描述了地物的幾何、拓撲、語義、外觀等方面的屬性，且通過5個細節層次(LOD0～LOD4)實現不同尺度的模型表達。

2 BIM與GIS集成方法

將BIM和三維GIS進行集成，最終在同一個三維模型上顯示空間和地理信息，涉及集成模式和數據集成方法的選擇。

2.1 系統集成模式

BIM與GIS的集成通常可以選擇在GIS應用中集成BIM功能或在BIM應用中集成GIS功能。前者是基于GIS平臺進行二次開發，將BIM模型和相應的功能如碰撞檢測、成本管理、進度控制等集成到GIS平臺中，同時也能夠延伸出GIS與BIM集成模型的新功能，如建筑物內部的定位導航；后者即在BIM系統中集成GIS模型并開發相應功能，如規劃選址、定位等。

此外，BIM與GIS深度集成也是一種選擇，即不借助BIM或GIS平臺，開發全新的系統實現BIM與GIS數據和功能的集成，此開發工作量過大，但能夠實現功能的高度定制。

2.2 數據集成方法

實現BIM與GIS數據的集成一般考慮利用數據接口集成或數據標準融合兩種方式。

利用數據接口集成是松散型的集成，即BIM與GIS系統和數據仍各自獨立，只需通過開發特定的接口將BIM和GIS的數據及功能集成到目標系統之中，該接口可以是數據庫接口、網絡服務數據接口或軟件的開放性數據接口。

數據標準融合則需通過不同數據標準之間的映射和轉換實現數據的集成。對于BIM和GIS數據的集成來說，由于CityGML能夠表現更加豐富的紋理貼圖，因此較為常見的做法是基于幾何信息過濾和語義映射實現IFC向CityGML的轉換。

2.2.1 幾何信息過濾

IFC標準中包含眾多實體類型，但對于水利工程建筑來說，并不是所有類型都能夠或有必要映射到CityGML標準中，幾何信息過濾的核心即在于確定需要保留的信息類型，實現水利BIM模型的輕量化。

2.2.2 語義映射

語義映射是將IFC轉換為CityGML的直接手段，但由于CityGML的5個LOD層級表示的信息精度不同，IFC需通過一對一、一對多以及間接映射等不同的方式映射到CityGML框架中。

3 水利工程建設管理BIM與GIS集成系統

目前常見的BIM與GIS集成的應用系統大多基于三維GIS平臺進行二次開發，集成BIM模型，并結合用戶的需求定制相應的功能，總體結構見圖1。

圖1 系統架構

3.1 集成系統在規劃設計階段的應用

在規劃階段，GIS技術能夠實現真實地形三維建模，直觀地展現水工建筑物與周邊環境的空間關系和數據情況，同時可基于空間分析功能實現工程的自動選址。

在設計階段，基于GIS技術可實現土方計算、縱橫斷面繪制等設計與計算功能，可利用BIM三維參數化設計模型直觀生動地表達出水工建筑物的各部分細節，同時能夠提供碰撞檢測的功能，結合GIS與BIM，集成模型還能夠仿真模擬洪水淹沒情景并實現預警和演練。

3.2 集成系統在施工建設階段的應用

施工階段BIM技術發揮主要作用，可融入時間進度信息、資源管理信息和成本造價信息等實現施工進度設計和管控。對于大型的水利樞紐工程，BIM與GIS集成系統可開展全范圍的工程管理，實現對項目施工建設的綜合把握[5]。

3.3 集成系統在運行管理階段的應用

工程建設完成后，最終形成的竣工模型包含了項目整體的空間三維模型和建筑三維模型，從圖3可以看出在后續運維管理過程中，GIS可以提供覆蓋整個項目區域的三維可視化模型，而BIM 則包含了水利建筑、機電設備、閘門等實體三維模型和屬性信息，為水利工程維護管理提供了直觀的信息和輔助決策的依據。

4 結 語

BIM與GIS的結合，彌補了其各自在水利工程建設和管理領域的不足，使實現水利工程信息的數字化管理與應用、項目高效實施、管理與運營成為可能。目前BIM與GIS的集成技術在水利工程方面的應用，在理論框架研究的基礎上已有一些實踐，但由于集成系統開發復雜，BIM與GIS模型在格式轉換中仍存在數據丟失等情況，尚需進一步在實踐改進，IFC與CityGML數據自動轉換工具的發展和BIM+GIS集成平臺的發展都將進一步推動水利信息化、智能化進程。