嚴(yán)亞敏，李偉哲，陳 科，張 力，管林杰

(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001；2. 長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

GIS與BIM為何需要集成，一方面在于兩者的本質(zhì)，GIS與BIM的原理基本一致，都是管理與現(xiàn)實世界相關(guān)的幾何對象及其屬性信息，但數(shù)據(jù)的尺度不同，GIS關(guān)注的數(shù)據(jù)一般是大尺度、宏觀的，而BIM關(guān)注的數(shù)據(jù)往往是小尺度、微觀的，所以將兩者結(jié)合起來，能夠發(fā)揮更大的效應(yīng)；另一方面在于市場的發(fā)展，GIS與BIM的集成可謂是雙贏。在對接了BIM之后，GIS能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)室外一體化、宏觀微觀一體化，豐富了新一代GIS技術(shù)體系。同時，BIM在結(jié)合了GIS之后，能夠基于地理空間實現(xiàn)對BIM模型的有效管理，進(jìn)一步拓展了BIM模型在建筑物全生命期的應(yīng)用價值。工程完結(jié)交付的不僅是一個建筑，還有一套完整的數(shù)字資產(chǎn)。BIM在建設(shè)期間只能用幾年，結(jié)合了GIS之后，則可以延續(xù)使用幾十年，大大延長了BIM的生命周期。

GIS與BIM的集成是兩者多維度應(yīng)用的一個重要方向，二者的整合已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究熱點和關(guān)注焦點[1- 4]。其中，GIS所構(gòu)建的宏觀的地理空間環(huán)境，提供的空間定位、查詢、分析能力，可以有效解決BIM無法進(jìn)行空間定位、統(tǒng)一管理以及決策預(yù)測等難題，并可深度挖掘BIM在建筑物全生命期的應(yīng)用價值；同時，BIM解決了GIS向微觀發(fā)展的技術(shù)瓶頸，BIM模型作為GIS的一個新數(shù)據(jù)源，將GIS管理對象的尺度向微觀尺度延伸，使得GIS從室外走向室內(nèi)、從地上走向地下，大大提升了GIS的一體化管理和可視化能力。BIM模型中包含了建筑物多層次的幾何圖形信息以及各階段所產(chǎn)生的相關(guān)屬性信息，將其與GIS進(jìn)行集成，實現(xiàn)在統(tǒng)一地理空間框架下的定位、管理和可視化，可有效提升多專業(yè)之間的信息協(xié)同共享能力，從各階段獨(dú)立應(yīng)用到為全生命期服務(wù)，對于工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維和退役成本的降低及效率的提高有著積極的推動作用，可為深度挖掘數(shù)據(jù)價值、科學(xué)決策管理提供強(qiáng)有力的綜合性技術(shù)支持。

BIM與GIS的集成實現(xiàn)了宏觀尺度的地理空間信息和微觀尺度的建筑物信息的有機(jī)融合，一方面提升了BIM應(yīng)用的深度，將BIM的應(yīng)用從單體延伸到建筑群甚至城市級，一方面也為GIS行業(yè)發(fā)展帶來了新的契機(jī)，同時也帶來了一些新的挑戰(zhàn)。目前，各大型設(shè)計院都在大力推進(jìn)三維設(shè)計，BIM成果越來越多，大量高精度的BIM模型可以作為GIS的一個重要的數(shù)據(jù)來源。GIS與BIM集成主要包括數(shù)據(jù)集成、功能集成和集成應(yīng)用3個方面(如圖1所示)，其中，集成應(yīng)用是建立在數(shù)據(jù)和功能集成基礎(chǔ)上的。

圖1 GIS與BIM集成

1 現(xiàn)狀分析

1.1 數(shù)據(jù)集成

GIS與BIM在數(shù)據(jù)集成方面的研究較多，大致可以分為兩類，一類是將GIS(或BIM)數(shù)據(jù)格式直接轉(zhuǎn)換為BIM(或GIS)的數(shù)據(jù)交換格式；另一類是利用GIS與BIM通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)間的互相轉(zhuǎn)換實現(xiàn)兩者的集成。比較通用且認(rèn)可度較高的方式是通過兩者通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IFC和CityGML實現(xiàn)GIS與BIM的數(shù)據(jù)集成[5- 6]，這種方式相對于直接將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS平臺對應(yīng)的數(shù)據(jù)，或直接將GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BIM平臺數(shù)據(jù)的方法，通用性強(qiáng)，且工作量小。目前已經(jīng)有一些工具可以將IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CityGML標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但由于這兩個標(biāo)準(zhǔn)之間的差異較大，往往在轉(zhuǎn)換過程中存在信息丟失和幾何不準(zhǔn)確的問題。湯圣君等[7]提出了IFC幾何要素過濾方法以及IFC到CityGML的語義映射規(guī)則，為IFC與CityGML建筑模型的幾何和語義信息互操作提供了一種通用方法。該方法一方面在轉(zhuǎn)換過程中未考慮BIM數(shù)據(jù)幾何圖形的化簡；另一方面，未形成通用、完整的語義映射規(guī)則；周忠等[8]論述了IFC與CityGML的語義解析描述、兩者的差異以及兩者間的映射轉(zhuǎn)換原理，形成基于IFC向CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與GIS集成方法。采用該方法將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CityGML格式數(shù)據(jù)后，由于部分屬性信息以及大量紋理信息的丟失，導(dǎo)致對CityGML模型進(jìn)行可視化后顯示效果不佳；聞平等[9]實現(xiàn)了針對AutoDesk系列軟件的FBX、DWG、IPT 等格式自動轉(zhuǎn)換為.OBJ模型的方法，該方法通用性不強(qiáng)；呂慧玲等[10]通過分析IFC數(shù)據(jù)模型與CityGML模型中所有的建筑構(gòu)件類型以及其關(guān)聯(lián)的語義信息，分別建立IFC數(shù)據(jù)模型到CityGML各層級的映射模型，描述了一種從BIM數(shù)據(jù)到多層次細(xì)節(jié)GIS模型的完整轉(zhuǎn)換方法；Laat等[11]提出了一種CityGML的擴(kuò)展模式GeoBIM，并利用GeoBIM實現(xiàn)將IFC與CityGML的轉(zhuǎn)換；Kang等[12]提出了一種BG-ETL的體系架構(gòu)，利用ETL概念實現(xiàn)BIM與GIS的數(shù)據(jù)集成；Karan等[13]采用語義Web技術(shù)，通過構(gòu)建本體庫，利用語義集成及異構(gòu)信息源查詢等方法實現(xiàn)BIM與GIS之間的語義互操作；劉金巖等[14]對BIM的數(shù)據(jù)特征、IFC格式數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)層次、GIS系統(tǒng)的City GML數(shù)據(jù)格式以及City GML中語義信息和幾何信息的細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上提出了BIM和GIS集成的IFC和City GML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架；朱亮等[15]提出了一種基于語義映射的方法，實現(xiàn)了IFC到CityGML幾何與語義信息的轉(zhuǎn)換；Deng等[16]開發(fā)了一種城市語義模型的本體庫，并采用基于實例的方法生成基于同一模型中代表相同組件的實體之間IFC和CityGML的映射規(guī)則；蔡文文等[17]設(shè)計了超圖三維GIS數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)的集成框架。

在利用IFC和CityGML實現(xiàn)GIS與BIM數(shù)據(jù)集成的方法中，大多僅提出了理論框架，實際可操作的方法較少，且在提出的具體方法中往往注重集成過程中屬性的對應(yīng)轉(zhuǎn)換，而在保持模型體特征的數(shù)據(jù)化簡方面研究較少，由于BIM一般數(shù)據(jù)量較大，在數(shù)據(jù)集成過程中若不考慮對模型本身化簡，僅實現(xiàn)模型的LOD分級，在后續(xù)具體應(yīng)用過程中，當(dāng)加載的BIM數(shù)據(jù)較多時，往往會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的加載速度慢、渲染效率低、系統(tǒng)內(nèi)存崩潰等問題，從而無法滿足實際應(yīng)用的需求。

1.2 功能集成

GIS與BIM的功能集成主要體現(xiàn)在一體化和全生命期管理兩個方面(如圖2所示)，通過兩者在功能上的合并和互補(bǔ)，實現(xiàn)可視化功能的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)全生命期管理的統(tǒng)一。利用BIM整合和管理建筑物本身所有階段信息，利用3DGIS整合及管理建筑物外部環(huán)境空間信息，把微觀領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的3DGIS信息進(jìn)行交換和互操作，滿足瀏覽、查詢、分析和管理三維空間信息的功能，使兩者在功能上做到互聯(lián)互通。在3DGIS和BIM功能集成方面，楊國華等[18]提出3DGIS和BIM的數(shù)據(jù)存儲和顯示融合是兩者集成的關(guān)鍵問題；倪葦?shù)萚19]研究了3DGIS與BIM在集成過程中，模型在大范圍地形場景下瀏覽與局部獨(dú)立坐標(biāo)系下的視點統(tǒng)一問題；劉茂華等[20]通過分析3DGIS與BIM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計了室內(nèi)外三維一體化的實施路線。3DGIS和BIM的功能集成主要包括信息可視化和數(shù)據(jù)管理功能的整合；Rafiee A等[21]設(shè)計了3DGIS與BIM可視化與空間分析功能的集成方法。

圖2 GIS+BIM一體化和全生命期管理集成

1.3 集成應(yīng)用

在3DGIS和BIM集成應(yīng)用方面，目前在眾多領(lǐng)域(如水利水電工程、城市建筑規(guī)劃、軌道交通、鐵路橋梁工程、地下管網(wǎng)工程、應(yīng)急響應(yīng)等)以及工程建設(shè)的全生命期(規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維和退役)進(jìn)行了許多有益的嘗試[21- 27]，在規(guī)劃設(shè)計階段3DGIS能夠為BIM提供真實的客觀環(huán)境和強(qiáng)大的地理信息分析能力，更好地輔助規(guī)劃師進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃決策。在建造階段還可更好地幫助BIM建設(shè)者進(jìn)行物料的管理、運(yùn)輸、存儲等，以實現(xiàn)資源的高效利用。在運(yùn)營階段3DGIS能夠把BIM與周邊環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)宏觀、微觀一體化的BIM運(yùn)營解決方案。但大多數(shù)僅分析和提出了應(yīng)用設(shè)想和系統(tǒng)平臺的架構(gòu)設(shè)計，成熟的3DGIS與BIM集成應(yīng)用產(chǎn)品很少。

2 研究方向及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 GIS與BIM數(shù)據(jù)集成關(guān)鍵技術(shù)

3DGIS與BIM數(shù)據(jù)集成主要針對目前國際上比較著名的，在國內(nèi)使用較多且能輸出IFC標(biāo)準(zhǔn)文件的BIM軟件Autodesk，Bentley，CATIA生產(chǎn)的BIM數(shù)據(jù)與3DGIS的通用信息模型CityGML之間的集成進(jìn)行研究。兩者集成的目標(biāo)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)流在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運(yùn)維、退役等全生命期中的順暢流轉(zhuǎn)和價值最大化應(yīng)用，這其中涉及的核心就是3DGIS與BIM數(shù)據(jù)的互融互通，在數(shù)據(jù)集成過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括3DGIS與BIM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、模型材質(zhì)與屬性語義信息映射、BIM模型輕量化以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。

3DGIS與BIM的數(shù)據(jù)集成是實現(xiàn)兩者集成應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，兩者數(shù)據(jù)集成包括幾何數(shù)據(jù)和屬性信息的集成，其中屬性信息包括模型本身屬性(如模型尺寸、材質(zhì)、紋理、顏色等)和過程屬性信息，集成的價值在于數(shù)據(jù)信息是否能自由提取和利用，避免不同的數(shù)據(jù)格式種類和標(biāo)準(zhǔn)阻礙了信息的共享。課題擬通過深入分析兩者在數(shù)據(jù)上的通用標(biāo)準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)間的擴(kuò)展和映射，實現(xiàn)兩者模型幾何數(shù)據(jù)和屬性信息的融合，并基于3DGIS與BIM集成應(yīng)用的目的，制定BIM的輕量化方法。從模型數(shù)據(jù)和過程信息集成，以及BIM輕量化兩個方面進(jìn)行綜合考慮，最終實現(xiàn)3DGIS與BIM的數(shù)據(jù)集成。其中，數(shù)據(jù)集成的初步實施技術(shù)方案設(shè)計如圖3所示。首先，將Autodesk、Bentley、CATIA生產(chǎn)的BIM數(shù)據(jù)輸出為IFC標(biāo)準(zhǔn)的模型數(shù)據(jù)，其中，針對CATIA中的基礎(chǔ)設(shè)施模型，根據(jù)自定義的基于IFC的基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸出；然后，將BIM中的過程信息，基于COBie標(biāo)準(zhǔn)中定義的各屬性進(jìn)行數(shù)字化，并導(dǎo)出為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，根據(jù)設(shè)計的過程信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行入庫。利用提出和設(shè)計的目標(biāo)驅(qū)動的過程信息篩選、幾何模型形狀化簡、模型參數(shù)化表達(dá)方法分別對BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何形狀和過程信息的輕量化；最后，利用構(gòu)建的IFC與CityGML語義映射庫，材質(zhì)映射庫，以及IFC中掃描提和實體幾何在CityGML中的表達(dá)方法實現(xiàn)輕量化后IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)和CityGML標(biāo)準(zhǔn)的GIS模型數(shù)據(jù)的融合。

圖3 3DGIS+BIM信息融合實施技術(shù)路線

2.2 GIS與BIM功能集成關(guān)鍵技術(shù)

BIM通過建立信息流模型的方式減少信息在建筑各階段傳遞過程中的流失，如何在與3DGIS集成過程中，結(jié)合兩者的信息可視化和管理功能，對BIM各階段的信息和3DGIS外部地理環(huán)境空間信息進(jìn)行統(tǒng)一的存儲管理，從而實現(xiàn)三維場景的宏觀微觀、室內(nèi)室外、地上地下一體化無縫漫游，以及信息的全生命期和空間管理，是實現(xiàn)3DGIS與BIM功能集成的關(guān)鍵，如圖4所示。3DGIS與BIM功能集成主要包括兩個方面的內(nèi)容，可視化功能集成和數(shù)據(jù)管理集成。其中可視化功能集成涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括BIM模型與3DGIS地形的精確匹配技術(shù)、BIM數(shù)據(jù)LOD構(gòu)建技術(shù)、支持海量空間數(shù)據(jù)的三維碰撞漫游技術(shù)；數(shù)據(jù)管理功能集成涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括BIM全生命期過程屬性信息的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定義，以及幾何模型、模型語義、拓?fù)?、外觀，以及過程屬性等的關(guān)聯(lián)。

圖4 3DGIS與BIM功能集成

2.3 GIS與BIM集成應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

GIS與BIM數(shù)據(jù)集成和功能集成過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容和范圍見表1。GIS與BIM集成應(yīng)用基于數(shù)據(jù)和功能集成，在實際工程項目中結(jié)合應(yīng)用需求，可輔助工程全生命期規(guī)劃階段中規(guī)劃選址、方案對比、場景可視化、紅線分析、控高分析、壓覆分析、日照分析等規(guī)劃分析，以及規(guī)劃報建管理等，設(shè)計階段結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、金結(jié)等協(xié)同設(shè)計、錯漏碰缺等檢查分析，以及二三維出圖等，施工階段質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本等管理管控，運(yùn)維階段設(shè)備臺賬、履歷和監(jiān)測檢測等管理、退役階段資產(chǎn)報廢、回收再利用等管理。

表1 3DGIS與BIM數(shù)據(jù)集成和功能集成研究內(nèi)容

3 結(jié)語

本文深入了分析GIS與BIM兩者之間的關(guān)系及其各自的數(shù)據(jù)、功能和應(yīng)用特點，圍繞數(shù)據(jù)集成、功能集成及其集成應(yīng)用3個方面展開研究工作，分析了研究現(xiàn)狀和存在的問題，提出了GIS與BIM數(shù)據(jù)、功能和應(yīng)用集成的關(guān)鍵技術(shù)和實施路線。GIS與BIM的集成融合，使微觀尺度的BIM信息與宏觀尺度的GIS信息可以有效實現(xiàn)共享和互操作，通過將BIM數(shù)據(jù)植入真實的地理環(huán)境中，用戶可以從多個角度查看真實環(huán)境中的三維模型，從而擴(kuò)展GIS的可視化能力，挖掘BIM管理潛在價值，增強(qiáng)GIS與BIM在工程全生命期的服務(wù)能力。