GIS+BIM集成技術(shù)在房地產(chǎn)項(xiàng)目運(yùn)維階段的應(yīng)用研究

姚 健 閆曉韌 李 彤

(1.中國(guó)鐵建房地產(chǎn)集團(tuán)有限公司 北京 100039；2.中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)設(shè)計(jì)咨詢有限公司 北京 102300)

1 引言

建筑全生命周期分為決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、拆除五個(gè)階段，其中運(yùn)維階段是建筑全生命期中時(shí)間最長(zhǎng)、能夠真正產(chǎn)生價(jià)值、發(fā)揮社會(huì)效益的階段。傳統(tǒng)的物業(yè)運(yùn)維管理，存在成本高、運(yùn)營(yíng)缺乏應(yīng)變性、總控性差和處理問題不及時(shí)等弊端。此外，人口紅利消失后帶來的高額人工成本影響，也是運(yùn)維管理時(shí)需要考慮的問題。GIS和BIM的出現(xiàn)，為解決這些問題帶來了可能。目前GIS和BIM在房地產(chǎn)行業(yè)各有應(yīng)用，但二者技術(shù)集成在房地產(chǎn)領(lǐng)域未見很好的先例。

2 GIS與BIM特點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 GIS特點(diǎn)及應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)(Geography Information System)，簡(jiǎn)稱GIS，是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟、硬件支持下，可采集、輸入、管理、編輯、查詢、分析、模擬和顯示空間數(shù)據(jù)，并采用空間模型分析方法，提供多種空間和動(dòng)態(tài)信息，為地理研究和決策服務(wù)而建立起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)[1]。

GIS的核心是利用空間數(shù)據(jù)和空間分析解決問題，廣泛應(yīng)用在資源管理、資源配置、城市規(guī)劃和管理、土地信息系統(tǒng)和地籍管理、生態(tài)環(huán)境管理與模擬、應(yīng)急響應(yīng)等不同領(lǐng)域。在城市規(guī)劃領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在道路交通、基礎(chǔ)設(shè)施、空間開發(fā)、未來規(guī)劃、城市發(fā)展、工程管理、廢物管理、空間分析、考古管理和其他應(yīng)用[2-3]。

2.2 BIM特點(diǎn)及應(yīng)用

建筑信息模型(Building Information Modeling)，簡(jiǎn)稱BIM，通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建三維模型，并將建筑中各構(gòu)件的幾何信息及非幾何信息集成到三維模型中[4]。

BIM技術(shù)在方案階段創(chuàng)建建筑三維實(shí)體模型，對(duì)建筑方案進(jìn)行評(píng)審和多方案比選。利用BIM相關(guān)軟件分析建筑物所處的環(huán)境，對(duì)建筑物進(jìn)行性能分析，包括日照采光、通風(fēng)、能耗、人員疏散等，提高項(xiàng)目的合理性。在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)將各專業(yè)集中在同一個(gè)平臺(tái)，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和信息共享，各專業(yè)提前在軟件中進(jìn)行碰撞檢查，及時(shí)做出調(diào)整，有效避免因圖紙?jiān)O(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的返工[5]。使用BIM技術(shù)統(tǒng)計(jì)各種材料的工程量，對(duì)預(yù)算成本進(jìn)行有效控制，并及時(shí)輸出BIM圖紙[6]。根據(jù)施工組織方案，利用BIM技術(shù)合理布局施工場(chǎng)地。在施工前，模擬施工進(jìn)度，優(yōu)化施工工藝，進(jìn)行可視化交底；通過BIM技術(shù)快速統(tǒng)計(jì)工程量，能夠及時(shí)查看材料使用情況，從而制定相應(yīng)的物資需用量計(jì)劃和資金使用計(jì)劃，進(jìn)行物資的采購(gòu)和隊(duì)伍領(lǐng)用[7]。在運(yùn)維階段，以施工完成后的竣工模型為基礎(chǔ)，合理刪減模型中的數(shù)據(jù)，添加相關(guān)運(yùn)維信息，與IoT、云計(jì)算技術(shù)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)消防管理、空間管理、設(shè)備管理、信息管理、資金管理等功能[8]。

3 GIS+BIM集成應(yīng)用

GIS與BIM的技術(shù)集成，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。GIS可提供各種空間查詢及空間分析能力，并能為房地產(chǎn)項(xiàng)目的各個(gè)階段提供基于BIM的可視化展示、管理、決策支持等技術(shù)方法。BIM技術(shù)能夠提供精度高的模型數(shù)據(jù)，為GIS更深入應(yīng)用提供了三維數(shù)據(jù)支撐。二者的結(jié)合，可有效支持對(duì)大規(guī)模工程的協(xié)同分析和共享應(yīng)用。

3.1 建造階段

運(yùn)用GIS強(qiáng)大的空間測(cè)量功能，可在設(shè)計(jì)階段對(duì)用地范圍內(nèi)部建筑、外部設(shè)施及道路布置的空間和功能性之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)三維可視的結(jié)果呈現(xiàn)[9]，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在高密度、高樓層群體建(構(gòu))筑物場(chǎng)地內(nèi)量算時(shí)提供精確結(jié)果，并結(jié)合GIS分析技術(shù)獲得視覺阻礙、限高等可視分析結(jié)果。結(jié)合BIM模型，可提供樓內(nèi)單層單戶布置，實(shí)現(xiàn)從總體到細(xì)部相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案體現(xiàn)[10]。

在施工階段，將GIS提供的地理環(huán)境信息與BIM提供的建筑模型信息相結(jié)合，并在施工過程中與設(shè)計(jì)模型、計(jì)劃進(jìn)度安排進(jìn)行對(duì)照，保證工程在滿足質(zhì)量要求下，有條不紊地施工。除此以外，GIS+BIM結(jié)合IoT技術(shù)，可將人員、機(jī)械、物料等管理要素連接在一起，實(shí)現(xiàn)要素的精確定位、狀態(tài)的實(shí)時(shí)獲取等目標(biāo)，動(dòng)態(tài)管理整個(gè)施工過程[11]。

3.2 運(yùn)維階段

搭建以GIS+BIM為基礎(chǔ)的運(yùn)維平臺(tái)，可為運(yùn)維管理提供更加直觀、可視化的結(jié)果反饋。施工階段累積的大量BIM建造數(shù)據(jù)，經(jīng)結(jié)構(gòu)化處理后，便可作為運(yùn)維階段的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以供運(yùn)維階段查詢包括采購(gòu)信息及特性參數(shù)等在內(nèi)的多類信息。GIS系統(tǒng)賦予BIM模型地理定位屬性后，可讓其在三維場(chǎng)景中提供準(zhǔn)確的空間定位信息，為室內(nèi)巡檢、檢修工作提供位置參照。

4 GIS+BIM集成應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

4.1 集成應(yīng)用面臨的技術(shù)難點(diǎn)

GIS和BIM分別屬于不同的領(lǐng)域，兩者在技術(shù)上通常存在差異。首先，二者進(jìn)行空間管理基于的坐標(biāo)系統(tǒng)不同，GIS系統(tǒng)以大地經(jīng)緯度進(jìn)行定位，而BIM模型則采用笛卡爾坐標(biāo)系定位。此外，GIS在圖形顯示方面通常使用多精細(xì)級(jí)別的“瓦片”作為地圖加載和LOD顯示的控制方式，以滿足大范圍模型顯示的需要，應(yīng)用到三維GIS領(lǐng)域就產(chǎn)生了3D瓦片，即將模型的三角網(wǎng)根據(jù)LOD的需要進(jìn)行多級(jí)緩存。作為對(duì)比，BIM通常以構(gòu)件為單位對(duì)模型進(jìn)行拆分及加載、顯示控制方式。

具體到房地產(chǎn)項(xiàng)目運(yùn)維階段，可將建造階段產(chǎn)生的大量、真實(shí)且有價(jià)值的BIM數(shù)據(jù)與GIS相集成，應(yīng)用可視化平臺(tái)對(duì)運(yùn)維管理模式升級(jí)。但GIS和BIM的集成應(yīng)用并非水到渠成，二者在數(shù)據(jù)格式特性、模型特性及應(yīng)用特性上存在差異，見表1。

表1 GIS和BIM特性對(duì)比

實(shí)現(xiàn)GIS+BIM在運(yùn)維階段集成應(yīng)用的難點(diǎn)，是二者在數(shù)據(jù)層面上的轉(zhuǎn)換與融合，以及大規(guī)模模型的加載與流暢度。圖1為運(yùn)維階段GIS+BIM集成平臺(tái)化解決方案工作流程圖。

圖1 運(yùn)維階段GIS+BIM集成平臺(tái)化解決方案工作流程

4.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

GIS+BIM集成在運(yùn)維階段的應(yīng)用所涉及的三維數(shù)據(jù)類型頗多，其集成應(yīng)用常涉及的數(shù)據(jù)格式見表2。

表2 GIS+BIM集成常見的數(shù)據(jù)格式

Revit目前是房地產(chǎn)工程建設(shè)領(lǐng)域BIM建模常用的軟件之一[12]，可創(chuàng)建并承載全專業(yè)BIM模型。使用轉(zhuǎn)換工具，可實(shí)現(xiàn)BIM和GIS數(shù)據(jù)接口的跨領(lǐng)域無縫銜接，為BIM與GIS集成應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)可導(dǎo)出BIM構(gòu)件幾何頂點(diǎn)信息、屬性信息和族分類信息，確保BIM信息完整。導(dǎo)出的模型滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效渲染和多細(xì)節(jié)層次(LOD)模型需求，支持實(shí)例化繪制，并可進(jìn)行空間關(guān)系判斷、空間運(yùn)算和空間分析等GIS分析功能。BIM模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后效果如圖2所示。

圖2 Revit導(dǎo)出模型在GIS空間中的效果

4.3 模型優(yōu)化處理

4.3.1 模型數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)化

模型數(shù)據(jù)是三維GIS的核心。三維GIS模型由大量頂點(diǎn)及三角網(wǎng)組成，以住宅的單層BIM全專業(yè)模型(面積約700 m2)導(dǎo)出的頂點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)為例，從表3可看出，BIM模型導(dǎo)出的頂點(diǎn)數(shù)量超200萬個(gè)，其中機(jī)電模型的頂點(diǎn)數(shù)約占97.5%，這對(duì)于GIS平臺(tái)來說，加載海量機(jī)電專業(yè)BIM幾何數(shù)據(jù)無疑是影響流暢度的主因。此外，管件、管道作為機(jī)電模型的主要組成部分，二者頂點(diǎn)之和占比為79.76%，而構(gòu)件數(shù)量原本較少的機(jī)械設(shè)備模型，因BIM模型的幾何表達(dá)較為詳細(xì)，其單個(gè)構(gòu)件頂點(diǎn)平均值較大，也存在優(yōu)化空間。針對(duì)GIS+BIM模型加載優(yōu)化，可在業(yè)務(wù)和技術(shù)兩個(gè)層面協(xié)同考慮。

表3 典型的700 m2單層住宅全專業(yè)BIM模型頂點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.3.2 業(yè)務(wù)層面優(yōu)化

按照業(yè)務(wù)應(yīng)用的場(chǎng)景定義模型加載邏輯，充分發(fā)揮GIS在管理位置信息時(shí)具備的優(yōu)勢(shì)，以及BIM技術(shù)在聚焦構(gòu)件幾何、屬性信息的特性，達(dá)到在不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景下，有序加載不同模型數(shù)據(jù)的目的。圖3為不同場(chǎng)景下模型加載方案，在展現(xiàn)項(xiàng)目總體數(shù)據(jù)或查詢項(xiàng)目周邊設(shè)施信息時(shí)，除加載GIS模型外，僅加載BIM土建模型和小市政模型；而在檢索樓棟內(nèi)設(shè)備信息或查看平面布置時(shí)，則應(yīng)加載全專業(yè)BIM模型，GIS模型僅起到輔助空間定位的作用。

圖3 不同場(chǎng)景下模型有序加載方案

4.3.3 技術(shù)層面優(yōu)化

技術(shù)層面的優(yōu)化包括模型輕量化處理技術(shù)、LOD技術(shù)和實(shí)例化技術(shù)。

模型輕量化技術(shù)是簡(jiǎn)化構(gòu)建模型頂點(diǎn)及三角面的技術(shù)，通常的處理方法包括提取外殼、三角網(wǎng)簡(jiǎn)化、刪除子對(duì)象等。以使用刪除子對(duì)象的方式簡(jiǎn)化模型為例，如表4所示，單獨(dú)一個(gè)“門”對(duì)象，門把手、鎖芯占據(jù)80%～90%的數(shù)據(jù)量，而這些部件并沒有起到輔助業(yè)務(wù)管理的作用，屬于可刪除的冗余的子對(duì)象。

表4 BIM門構(gòu)件頂點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

LOD技術(shù)(Levels of Detail)意為多細(xì)節(jié)層次技術(shù)。根據(jù)對(duì)象在顯示場(chǎng)景中所處的位置和重要程度，由系統(tǒng)計(jì)算對(duì)象渲染的資源配比，降低非重要物體顯示渲染級(jí)別，而重要物體的顯示精度則相對(duì)較高，實(shí)現(xiàn)提高渲染效率的目的，如圖4所示。

圖4 不同LOD加載等級(jí)的模型顯示細(xì)度

實(shí)例化技術(shù)可識(shí)別對(duì)象的幾何參數(shù)，對(duì)幾何參數(shù)相同的對(duì)象只繪制一次，從而降低顯卡、內(nèi)存等硬件設(shè)備的壓力，適用于重復(fù)模型較多的情況。例如，樓座中存在大量相同的標(biāo)準(zhǔn)層，利用實(shí)例化技術(shù)，只繪制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，可提高模型加載及瀏覽的性能。

在滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的前提下，通過優(yōu)化不同場(chǎng)景下的模型加載方式和模型處理方法，可實(shí)現(xiàn)最佳的模型加載優(yōu)化效果，使模型瀏覽和應(yīng)用更加流暢、數(shù)據(jù)應(yīng)用更加充分。

5 結(jié)束語(yǔ)

在房地產(chǎn)項(xiàng)目中，GIS提供了基礎(chǔ)框架，為BIM模型賦予了地理位置信息。建造階段，創(chuàng)建的建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣等各專業(yè)BIM模型，為房地產(chǎn)項(xiàng)目運(yùn)維階段提供了模型基礎(chǔ)。目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了基于GIS+BIM集成的智慧運(yùn)維平臺(tái)，已在中國(guó)鐵建·理想家項(xiàng)目開展試點(diǎn)應(yīng)用。本文提出了將GIS和BIM集成應(yīng)用及二者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式，使GIS和BIM模型及數(shù)據(jù)更好地結(jié)合；在業(yè)務(wù)層面，提出了不同場(chǎng)景加載不同詳細(xì)程度模型的方案；在技術(shù)層面，運(yùn)用實(shí)例化技術(shù)、LOD技術(shù)、模型輕量化處理技術(shù)等技術(shù)優(yōu)化模型。在此基礎(chǔ)上，與IoT技術(shù)緊密結(jié)合，逐步建立以GIS+BIM為基礎(chǔ)的智慧運(yùn)維平臺(tái)，全方位、全天候地掌握運(yùn)維階段的各類信息，為房地產(chǎn)運(yùn)維管理提供更加高效、便捷的管理方式。