GIS+BIM集成技術在房地產項目運維階段的應用研究

姚 健 閆曉韌 李 彤

(1.中國鐵建房地產集團有限公司 北京 100039；2.中鐵房地產集團設計咨詢有限公司 北京 102300)

1 引言

建筑全生命周期分為決策、設計、施工、運維、拆除五個階段，其中運維階段是建筑全生命期中時間最長、能夠真正產生價值、發揮社會效益的階段。傳統的物業運維管理，存在成本高、運營缺乏應變性、總控性差和處理問題不及時等弊端。此外，人口紅利消失后帶來的高額人工成本影響，也是運維管理時需要考慮的問題。GIS和BIM的出現，為解決這些問題帶來了可能。目前GIS和BIM在房地產行業各有應用，但二者技術集成在房地產領域未見很好的先例。

2 GIS與BIM特點及應用

2.1 GIS特點及應用

地理信息系統(Geography Information System)，簡稱GIS，是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟、硬件支持下，可采集、輸入、管理、編輯、查詢、分析、模擬和顯示空間數據，并采用空間模型分析方法，提供多種空間和動態信息，為地理研究和決策服務而建立起來的計算機技術系統[1]。

GIS的核心是利用空間數據和空間分析解決問題，廣泛應用在資源管理、資源配置、城市規劃和管理、土地信息系統和地籍管理、生態環境管理與模擬、應急響應等不同領域。在城市規劃領域，主要體現在道路交通、基礎設施、空間開發、未來規劃、城市發展、工程管理、廢物管理、空間分析、考古管理和其他應用[2-3]。

2.2 BIM特點及應用

建筑信息模型(Building Information Modeling)，簡稱BIM，通過計算機圖形學和數字化技術構建三維模型，并將建筑中各構件的幾何信息及非幾何信息集成到三維模型中[4]。

BIM技術在方案階段創建建筑三維實體模型，對建筑方案進行評審和多方案比選。利用BIM相關軟件分析建筑物所處的環境，對建筑物進行性能分析，包括日照采光、通風、能耗、人員疏散等，提高項目的合理性。在設計階段，BIM技術將各專業集中在同一個平臺，進行協同設計和信息共享，各專業提前在軟件中進行碰撞檢查，及時做出調整，有效避免因圖紙設計錯誤造成的返工[5]。使用BIM技術統計各種材料的工程量，對預算成本進行有效控制，并及時輸出BIM圖紙[6]。根據施工組織方案，利用BIM技術合理布局施工場地。在施工前，模擬施工進度，優化施工工藝，進行可視化交底；通過BIM技術快速統計工程量，能夠及時查看材料使用情況，從而制定相應的物資需用量計劃和資金使用計劃，進行物資的采購和隊伍領用[7]。在運維階段，以施工完成后的竣工模型為基礎，合理刪減模型中的數據，添加相關運維信息，與IoT、云計算技術等結合，實現消防管理、空間管理、設備管理、信息管理、資金管理等功能[8]。

3 GIS+BIM集成應用

GIS與BIM的技術集成，可以充分發揮各自的優勢。GIS可提供各種空間查詢及空間分析能力，并能為房地產項目的各個階段提供基于BIM的可視化展示、管理、決策支持等技術方法。BIM技術能夠提供精度高的模型數據，為GIS更深入應用提供了三維數據支撐。二者的結合，可有效支持對大規模工程的協同分析和共享應用。

3.1 建造階段

運用GIS強大的空間測量功能，可在設計階段對用地范圍內部建筑、外部設施及道路布置的空間和功能性之間的關系實現三維可視的結果呈現[9]，同時可實現在高密度、高樓層群體建(構)筑物場地內量算時提供精確結果，并結合GIS分析技術獲得視覺阻礙、限高等可視分析結果。結合BIM模型，可提供樓內單層單戶布置，實現從總體到細部相結合的設計方案體現[10]。

在施工階段，將GIS提供的地理環境信息與BIM提供的建筑模型信息相結合，并在施工過程中與設計模型、計劃進度安排進行對照，保證工程在滿足質量要求下，有條不紊地施工。除此以外，GIS+BIM結合IoT技術，可將人員、機械、物料等管理要素連接在一起，實現要素的精確定位、狀態的實時獲取等目標，動態管理整個施工過程[11]。

3.2 運維階段

搭建以GIS+BIM為基礎的運維平臺，可為運維管理提供更加直觀、可視化的結果反饋。施工階段累積的大量BIM建造數據，經結構化處理后，便可作為運維階段的基礎數據，以供運維階段查詢包括采購信息及特性參數等在內的多類信息。GIS系統賦予BIM模型地理定位屬性后，可讓其在三維場景中提供準確的空間定位信息，為室內巡檢、檢修工作提供位置參照。

4 GIS+BIM集成應用的技術難點與解決方案

4.1 集成應用面臨的技術難點

GIS和BIM分別屬于不同的領域，兩者在技術上通常存在差異。首先，二者進行空間管理基于的坐標系統不同，GIS系統以大地經緯度進行定位，而BIM模型則采用笛卡爾坐標系定位。此外，GIS在圖形顯示方面通常使用多精細級別的“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，應用到三維GIS領域就產生了3D瓦片，即將模型的三角網根據LOD的需要進行多級緩存。作為對比，BIM通常以構件為單位對模型進行拆分及加載、顯示控制方式。

具體到房地產項目運維階段，可將建造階段產生的大量、真實且有價值的BIM數據與GIS相集成，應用可視化平臺對運維管理模式升級。但GIS和BIM的集成應用并非水到渠成，二者在數據格式特性、模型特性及應用特性上存在差異，見表1。

表1 GIS和BIM特性對比

實現GIS+BIM在運維階段集成應用的難點，是二者在數據層面上的轉換與融合，以及大規模模型的加載與流暢度。圖1為運維階段GIS+BIM集成平臺化解決方案工作流程圖。

圖1 運維階段GIS+BIM集成平臺化解決方案工作流程

4.2 數據轉換

GIS+BIM集成在運維階段的應用所涉及的三維數據類型頗多，其集成應用常涉及的數據格式見表2。

表2 GIS+BIM集成常見的數據格式

Revit目前是房地產工程建設領域BIM建模常用的軟件之一[12]，可創建并承載全專業BIM模型。使用轉換工具，可實現BIM和GIS數據接口的跨領域無縫銜接，為BIM與GIS集成應用提供數據基礎，同時可導出BIM構件幾何頂點信息、屬性信息和族分類信息，確保BIM信息完整。導出的模型滿足大規模數據的高效渲染和多細節層次(LOD)模型需求，支持實例化繪制，并可進行空間關系判斷、空間運算和空間分析等GIS分析功能。BIM模型數據轉換后效果如圖2所示。

圖2 Revit導出模型在GIS空間中的效果

4.3 模型優化處理

4.3.1 模型數據量優化

模型數據是三維GIS的核心。三維GIS模型由大量頂點及三角網組成，以住宅的單層BIM全專業模型(面積約700 m2)導出的頂點數統計為例，從表3可看出，BIM模型導出的頂點數量超200萬個，其中機電模型的頂點數約占97.5%，這對于GIS平臺來說，加載海量機電專業BIM幾何數據無疑是影響流暢度的主因。此外，管件、管道作為機電模型的主要組成部分，二者頂點之和占比為79.76%，而構件數量原本較少的機械設備模型，因BIM模型的幾何表達較為詳細，其單個構件頂點平均值較大，也存在優化空間。針對GIS+BIM模型加載優化，可在業務和技術兩個層面協同考慮。

表3 典型的700 m2單層住宅全專業BIM模型頂點數統計

4.3.2 業務層面優化

按照業務應用的場景定義模型加載邏輯，充分發揮GIS在管理位置信息時具備的優勢，以及BIM技術在聚焦構件幾何、屬性信息的特性，達到在不同業務應用場景下，有序加載不同模型數據的目的。圖3為不同場景下模型加載方案，在展現項目總體數據或查詢項目周邊設施信息時，除加載GIS模型外，僅加載BIM土建模型和小市政模型；而在檢索樓棟內設備信息或查看平面布置時，則應加載全專業BIM模型，GIS模型僅起到輔助空間定位的作用。

圖3 不同場景下模型有序加載方案

4.3.3 技術層面優化

技術層面的優化包括模型輕量化處理技術、LOD技術和實例化技術。

模型輕量化技術是簡化構建模型頂點及三角面的技術，通常的處理方法包括提取外殼、三角網簡化、刪除子對象等。以使用刪除子對象的方式簡化模型為例，如表4所示，單獨一個“門”對象，門把手、鎖芯占據80%～90%的數據量，而這些部件并沒有起到輔助業務管理的作用，屬于可刪除的冗余的子對象。

表4 BIM門構件頂點數統計分析

LOD技術(Levels of Detail)意為多細節層次技術。根據對象在顯示場景中所處的位置和重要程度，由系統計算對象渲染的資源配比，降低非重要物體顯示渲染級別，而重要物體的顯示精度則相對較高，實現提高渲染效率的目的，如圖4所示。

圖4 不同LOD加載等級的模型顯示細度

實例化技術可識別對象的幾何參數，對幾何參數相同的對象只繪制一次，從而降低顯卡、內存等硬件設備的壓力，適用于重復模型較多的情況。例如，樓座中存在大量相同的標準層，利用實例化技術，只繪制一個標準層，可提高模型加載及瀏覽的性能。

在滿足業務應用場景的前提下，通過優化不同場景下的模型加載方式和模型處理方法，可實現最佳的模型加載優化效果，使模型瀏覽和應用更加流暢、數據應用更加充分。

5 結束語

在房地產項目中，GIS提供了基礎框架，為BIM模型賦予了地理位置信息。建造階段，創建的建筑、結構、給排水、暖通、電氣等各專業BIM模型，為房地產項目運維階段提供了模型基礎。目前研發團隊自主開發了基于GIS+BIM集成的智慧運維平臺，已在中國鐵建·理想家項目開展試點應用。本文提出了將GIS和BIM集成應用及二者數據轉換的方式，使GIS和BIM模型及數據更好地結合；在業務層面，提出了不同場景加載不同詳細程度模型的方案；在技術層面，運用實例化技術、LOD技術、模型輕量化處理技術等技術優化模型。在此基礎上，與IoT技術緊密結合，逐步建立以GIS+BIM為基礎的智慧運維平臺，全方位、全天候地掌握運維階段的各類信息，為房地產運維管理提供更加高效、便捷的管理方式。