BIM 和SuperMap三維 GIS融合的技術(shù)探索

1 引 言

　　建筑信息模型 (BuildingInformation Modeling,BIM),目前國內(nèi)并沒有官方定義,根據(jù)美國國家BIM 標(biāo)準(zhǔn) (NationalBuildingInformation ModelingStandard),BIM 是創(chuàng)建與管理設(shè)施物理與功能特性的數(shù)字化三維表達(dá)過程,是關(guān)于設(shè)施的共享知識資源,從最早期的概念階段到最終的拆除階段,為設(shè)施全生命周期的決策制定提供可靠的信息支持[1]。BIM 目前在建筑以及一些設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用越來越普遍。

　　“BIM+GIS”是 BIM 多維度應(yīng)用的一個重要方向,GIS提供的專業(yè)空間查詢分析能力及宏觀地理環(huán)境基礎(chǔ),可深度挖掘 BIM 的應(yīng)用價值[2]。一方面,BIM 彌補(bǔ)了三維 GIS缺乏精準(zhǔn)建筑模型的空白,是三維 GIS的一個重要的數(shù)據(jù)來源,能夠讓其從宏觀走向微觀,從室外進(jìn)入室內(nèi),同時可以實現(xiàn)精細(xì)化管理。另一方面,GIS獨有的空間分析功能拓展了 BIM 的應(yīng)用領(lǐng)域,BIM 與 GIS融合將滿足查詢與分析宏觀微觀一體化、室內(nèi)外一體化的地理空間信息的需求,發(fā)揮 GIS的位置服務(wù)與空間分析特長,并與 BIM 融合產(chǎn)生無限應(yīng)用可能。

　　BIM 與 GIS數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用拓展成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究熱點。但 BIM 與 GIS應(yīng)用領(lǐng)域不同,遵循的標(biāo)準(zhǔn)各異,BIM 模型數(shù)據(jù)不能直接與 GIS數(shù)據(jù)融合。為解決這一問題,本文在 SuperMapGIS軟件的技術(shù)基礎(chǔ)上,針對BIM 模型數(shù)據(jù)的特點,探索了BIM 和三維 GIS的融合技術(shù)。SuperMapGIS是一款專業(yè)的大型地理信息系統(tǒng)軟件平臺,具備大數(shù)據(jù)、跨平臺、三維、云端一體化等關(guān)鍵技術(shù),支持各類信息系統(tǒng)建設(shè),在國內(nèi)各個 GIS行業(yè)中深入應(yīng)用。為實現(xiàn)SuperMapGIS與 BIM 領(lǐng)域的結(jié)合,進(jìn)行了此項研究。

2 BIM 模型數(shù)據(jù)與三維 GIS的融合

　　從 GIS的角度,BIM 模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為空間數(shù)據(jù) (模型)及屬性數(shù)據(jù) (參數(shù))兩部分,其中空間數(shù)據(jù)包含空間位置、表現(xiàn)紋理、幾何形狀等,屬性數(shù)據(jù)包含設(shè)計參數(shù)、施工參數(shù)、運(yùn)維參數(shù)等,兩者通過ID相關(guān)聯(lián) (圖1)。這與三維 GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似。因此三維 GIS理論上可以支持 BIM 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)),支持 BIM 的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式 (三維模型),支持 BIM 數(shù)據(jù)對象 (如建筑物對象等)。同時 BIM 和 GIS各有獨特的功能, “BIM+GIS”將拓展各自的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　基于對 BIM 模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分解,本文探討了 BIM模型數(shù)據(jù)與 SuperMapGIS融合的方法。該方法概括為三個方面,分別是 BIM 模型與 GIS系統(tǒng)的對接,大體量BIM 精模在 GIS中的高性能渲染,BIM 模型與 GIS融合后的空間分析。這也是目前 BIM 模型與 GIS系統(tǒng)融合需要解決的主要問題 (即數(shù)據(jù)如何對接,性能如何保證,具備哪些能力)。

2.1 BIM 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入 GIS系統(tǒng)

　　國內(nèi)外 BIM 軟 件 很 多, 文 件 格 式 各 不 相 同, 如 Autodesk Revit 的 RVT、RFA、ADSK 格 式,CATIA 的 CATPart、CATProduct、CATdrawing格式,Bentley的 DGN 格式等。格式的不統(tǒng)一,增加了 BIM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入 GIS系統(tǒng)的難度。

　　我們的做法是開發(fā)SuperMapExport插件,從各類BIM 軟件中將不同格式的BIM 數(shù)據(jù)導(dǎo)出為SuperMapGIS軟件直 接 支 持 的 模 型 數(shù) 據(jù) 格 式。目 前 該 插 件 只 適 用 于 Revit軟 件,后 續(xù) 將 支 持 更 多 的 軟 件(圖2)。對于 CATIA 等其他軟件,暫時采用3dsMax插件導(dǎo)出為SuperMapGIS支持的中轉(zhuǎn)格式。

圖2 SuperMapExport插件導(dǎo)出 BIM 模型的效果圖

　　BIM 模式 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 入 GIS 系 統(tǒng) 時, 需 要 具 備 投 影 信 息 才 能 與 GIS 中 的 其 他 數(shù) 據(jù) 匹 配[3]。 因 此SuperMapExport插件在研發(fā)的時候設(shè)置了兩種導(dǎo)出模式:插入點模式和投影模式。插入點模式可以選擇BIM 模型待插入位置的信息,并設(shè)置為球面坐標(biāo)或平面坐標(biāo)。投影模式支持自定義投影。

2.2 高性能渲染

　　以一棟建筑數(shù)據(jù)為例,其圖元類別有6600多個,每個圖元又包含諸多屬性數(shù)據(jù),如此大體量的數(shù)據(jù)同時渲染會給顯 卡 帶 來 很 大 壓 力。目 前 我 們 采 用 了 一 些 性 能 優(yōu) 化 的 技 術(shù) 來 滿 足 大 體 量 數(shù) 據(jù) 對 性 能 的需求[4-6]。

　　第一個技術(shù)是實例化,這種技術(shù)適用于重復(fù)模型較多的情況,可以實現(xiàn)對相同的幾何模型只繪制一次,降低顯卡等硬件設(shè)備的壓力[4,5]。

　　另一個技術(shù)是模型輕量化,將模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者簡化。以圖3中的門對象為例,單獨一個門對象,頂點個數(shù)980個,三角面片920個,其中門把手、鎖芯等占據(jù)80%~90%的數(shù)據(jù)量,從中可以推斷整棟大樓的數(shù)據(jù)情況 (圖3)。對于非精細(xì)設(shè)施管理類的 GIS應(yīng)用,這類部件缺乏實用價值,可以采用刪除或簡化這些子對象來達(dá)到模型輕量化的目的 (圖3)。

　　第三個技術(shù)是生成 BIM 緩存,在 SuperMapGIS軟件中有相應(yīng)的緩存設(shè)置選項 (如緩存格式、LOD層級等)。緩存是 GIS系統(tǒng)中普遍采用的一種圖形顯示手段,可以提高數(shù)據(jù)的瀏覽速度[4,6]。同時,在通過SuperMapExport插件導(dǎo)出時,可按照 BIM 模型的族進(jìn)行分類,分別存儲在數(shù)據(jù)集中,再通過生成緩存數(shù)據(jù),實現(xiàn)單獨調(diào)整圖層的 LOD縮放比例系數(shù),保證大場景的渲染性能。

圖3 一個門對象的數(shù)據(jù)量 (頂點個數(shù)980個,三角面片920個)

2.3 BIM 與 GIS融合后空間查詢與分析

　　通過 BIM 與 GIS的融合,GIS可以為 BIM 添加空間查詢和空間分析等 GIS獨有的功能。空間查詢可細(xì)分為圖查屬性 (如點擊 BIM 模型部件查看其屬性)和屬性查圖 (如根據(jù)某一類型的元素查詢該類型對應(yīng)的所有部件)?？臻g分析是將SuperMapGIS已經(jīng)實現(xiàn)的通視分析、日照分析、可視域分析等功能添加到 BIM 的分析能力之上,還可以量算 BIM 模型數(shù)據(jù)的面積、體積、高程等。對于 BIM 數(shù)據(jù)中的管線類數(shù)據(jù) (如風(fēng)管、電纜、管道等),空間分析還包括通過 SuperMapExport插件將其導(dǎo)出為三維點、線數(shù)據(jù)集,再通過SuperMapGIS的拓?fù)錁?gòu)網(wǎng)功能構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。此外,在大規(guī)模工程應(yīng)用中,還需要將 BIM 模型數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,以了解其所處的宏觀地理環(huán)境 (圖4)。

圖4 BIM 模型數(shù)據(jù)與大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的匹配

3 結(jié)束語

　　地理信息系統(tǒng)作為存儲、管理和分析空間信息的技術(shù),本質(zhì)上可以充分利用 BIM 包含的建筑幾何和語義信息。本文通過將 BIM 模式數(shù)據(jù)分解為三維 GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似的幾何和屬性兩部分,探索了其與SuperMap3DGIS的融合技術(shù),包括實例化、模型輕量化、緩存技術(shù)等,并以功能模塊的形式,包括SuperMapExport插件、模型輕量化功能項、空間查詢與分析功能項等實現(xiàn) BIM 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入 SuperMapGIS以及在SuperMapGIS中的高性能加渲染、空間分析與可視化。

　　“BIM+GIS”擁有無限可能。一方面, “BIM+GIS”可以為建設(shè)過程提供查詢、空間分析的工具,支持施工進(jìn)度模擬,施工質(zhì)量管理,施工安全管理,重點結(jié)構(gòu)監(jiān)測,人員管理,材料管理,大型工程的建設(shè)與維護(hù)等實際應(yīng)用。目前已有研究將 “BIM+GIS”技術(shù)用于整個建筑供應(yīng)鏈各個過程的可視化監(jiān)控,在不同階段利用 BIM 和 GIS解決不同的問題,減少供應(yīng)鏈運(yùn)行成本,提高整體競爭力[7]。

　　另一方面,“BIM+GIS”也為 GIS從室外走向室內(nèi),從城市宏觀走向建筑物微觀提供了豐富的數(shù)據(jù)源,擴(kuò)展 GIS的應(yīng)用空間。如有研究將原始鐵路設(shè)計的中線數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D 可視化平臺,自動生成鐵路路基、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、護(hù)坡等橫斷面模型,進(jìn)行土方量分析與量測、縱斷面信息采集等;或者將地下管廊 BIM 數(shù)據(jù)用于解決城市內(nèi)澇、反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集等問題。

　　我們的工作仍有很多需要改進(jìn)的地方。包括:SuperMapExport插件目前支持 Revit軟件的BIM 模型導(dǎo)出,后續(xù)將進(jìn)行改進(jìn)使其支持更多的 BIM 軟件的模型導(dǎo)出到 GIS,并對數(shù)據(jù)導(dǎo)出時的信息有無損失進(jìn)行評估;在模型輕量化方面,目前只是通過刪除子對象的方式實現(xiàn),后續(xù)將開發(fā)模型簡化、子對象簡化等功能,以滿足不同的應(yīng)用需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] NationalBIM Standard.Frequently Asked Questions Aboutthe NationalBIM Standard [EB/OL]. [2014-10-16] (2017-06-12)http:∥www.nationalbimstandard.org.

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【作者簡介】

　　馮振華 (1982-),男,碩士。主要研究方向為三維地理信息技術(shù)。