BIM 和SuperMap三维 GIS融合的技术探索

1 引 言

　　建筑信息模型 (BuildingInformation Modeling,BIM),目前国内并没有官方定义,根据美国国家BIM 标准 (NationalBuildingInformation ModelingStandard),BIM 是创建与管理设施物理与功能特性的数字化三维表达过程,是关于设施的共享知识资源,从最早期的概念阶段到最终的拆除阶段,为设施全生命周期的决策制定提供可靠的信息支持[1]。BIM 目前在建筑以及一些设计领域应用越来越普遍。

　　“BIM+GIS”是 BIM 多维度应用的一个重要方向,GIS提供的专业空间查询分析能力及宏观地理环境基础,可深度挖掘 BIM 的应用价值[2]。一方面,BIM 弥补了三维 GIS缺乏精准建筑模型的空白,是三维 GIS的一个重要的数据来源,能够让其从宏观走向微观,从室外进入室内,同时可以实现精细化管理。另一方面,GIS独有的空间分析功能拓展了 BIM 的应用领域,BIM 与 GIS融合将满足查询与分析宏观微观一体化、室内外一体化的地理空间信息的需求,发挥 GIS的位置服务与空间分析特长,并与 BIM 融合产生无限应用可能。

　　BIM 与 GIS数据融合与应用拓展成为学术界和产业界研究热点。但 BIM 与 GIS应用领域不同,遵循的标准各异,BIM 模型数据不能直接与 GIS数据融合。为解决这一问题,本文在 SuperMapGIS软件的技术基础上,针对BIM 模型数据的特点,探索了BIM 和三维 GIS的融合技术。SuperMapGIS是一款专业的大型地理信息系统软件平台,具备大数据、跨平台、三维、云端一体化等关键技术,支持各类信息系统建设,在国内各个 GIS行业中深入应用。为实现SuperMapGIS与 BIM 领域的结合,进行了此项研究。

2 BIM 模型数据与三维 GIS的融合

　　从 GIS的角度,BIM 模型的数据结构可以分为空间数据 (模型)及属性数据 (参数)两部分,其中空间数据包含空间位置、表现纹理、几何形状等,属性数据包含设计参数、施工参数、运维参数等,两者通过ID相关联 (图1)。这与三维 GIS数据结构类似。因此三维 GIS理论上可以支持 BIM 的数据结构(空间数据和属性数据),支持 BIM 的数据表现形式 (三维模型),支持 BIM 数据对象 (如建筑物对象等)。同时 BIM 和 GIS各有独特的功能, “BIM+GIS”将拓展各自的应用领域。

　　基于对 BIM 模型数据结构的分解,本文探讨了 BIM模型数据与 SuperMapGIS融合的方法。该方法概括为三个方面,分别是 BIM 模型与 GIS系统的对接,大体量BIM 精模在 GIS中的高性能渲染,BIM 模型与 GIS融合后的空间分析。这也是目前 BIM 模型与 GIS系统融合需要解决的主要问题 (即数据如何对接,性能如何保证,具备哪些能力)。

2.1 BIM 模型数据导入 GIS系统

　　国内外 BIM 软 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。格式的不统一,增加了 BIM 数据导入 GIS系统的难度。

　　我们的做法是开发SuperMapExport插件,从各类BIM 软件中将不同格式的BIM 数据导出为SuperMapGIS软件直 接 支 持 的 模 型 数 据 格 式。目 前 该 插 件 只 适 用 于 Revit软 件,后 续 将 支 持 更 多 的 软 件(图2)。对于 CATIA 等其他软件,暂时采用3dsMax插件导出为SuperMapGIS支持的中转格式。

图2 SuperMapExport插件导出 BIM 模型的效果图

　　BIM 模式 数 据 导 入 GIS 系 统 时, 需 要 具 备 投 影 信 息 才 能 与 GIS 中 的 其 他 数 据 匹 配[3]。 因 此SuperMapExport插件在研发的时候设置了两种导出模式:插入点模式和投影模式。插入点模式可以选择BIM 模型待插入位置的信息,并设置为球面坐标或平面坐标。投影模式支持自定义投影。

2.2 高性能渲染

　　以一栋建筑数据为例,其图元类别有6600多个,每个图元又包含诸多属性数据,如此大体量的数据同时渲染会给显 卡 带 来 很 大 压 力。目 前 我 们 采 用 了 一 些 性 能 优 化 的 技 术 来 满 足 大 体 量 数 据 对 性 能 的需求[4-6]。

　　第一个技术是实例化,这种技术适用于重复模型较多的情况,可以实现对相同的几何模型只绘制一次,降低显卡等硬件设备的压力[4,5]。

　　另一个技术是模型轻量化,将模型的某些骨架进行删除或者简化。以图3中的门对象为例,单独一个门对象,顶点个数980个,三角面片920个,其中门把手、锁芯等占据80%~90%的数据量,从中可以推断整栋大楼的数据情况 (图3)。对于非精细设施管理类的 GIS应用,这类部件缺乏实用价值,可以采用删除或简化这些子对象来达到模型轻量化的目的 (图3)。

　　第三个技术是生成 BIM 缓存,在 SuperMapGIS软件中有相应的缓存设置选项 (如缓存格式、LOD层级等)。缓存是 GIS系统中普遍采用的一种图形显示手段,可以提高数据的浏览速度[4,6]。同时,在通过SuperMapExport插件导出时,可按照 BIM 模型的族进行分类,分别存储在数据集中,再通过生成缓存数据,实现单独调整图层的 LOD缩放比例系数,保证大场景的渲染性能。

图3 一个门对象的数据量 (顶点个数980个,三角面片920个)

2.3 BIM 与 GIS融合后空间查询与分析

　　通过 BIM 与 GIS的融合,GIS可以为 BIM 添加空间查询和空间分析等 GIS独有的功能。空间查询可细分为图查属性 (如点击 BIM 模型部件查看其属性)和属性查图 (如根据某一类型的元素查询该类型对应的所有部件)。空间分析是将SuperMapGIS已经实现的通视分析、日照分析、可视域分析等功能添加到 BIM 的分析能力之上,还可以量算 BIM 模型数据的面积、体积、高程等。对于 BIM 数据中的管线类数据 (如风管、电缆、管道等),空间分析还包括通过 SuperMapExport插件将其导出为三维点、线数据集,再通过SuperMapGIS的拓扑构网功能构建三维网络数据集,进行网络分析。此外,在大规模工程应用中,还需要将 BIM 模型数据与地形数据进行匹配,以了解其所处的宏观地理环境 (图4)。

图4 BIM 模型数据与大规模地形数据的匹配

3 结束语

　　地理信息系统作为存储、管理和分析空间信息的技术,本质上可以充分利用 BIM 包含的建筑几何和语义信息。本文通过将 BIM 模式数据分解为三维 GIS数据结构类似的几何和属性两部分,探索了其与SuperMap3DGIS的融合技术,包括实例化、模型轻量化、缓存技术等,并以功能模块的形式,包括SuperMapExport插件、模型轻量化功能项、空间查询与分析功能项等实现 BIM 模型数据导入 SuperMapGIS以及在SuperMapGIS中的高性能加渲染、空间分析与可视化。

　　“BIM+GIS”拥有无限可能。一方面, “BIM+GIS”可以为建设过程提供查询、空间分析的工具,支持施工进度模拟,施工质量管理,施工安全管理,重点结构监测,人员管理,材料管理,大型工程的建设与维护等实际应用。目前已有研究将 “BIM+GIS”技术用于整个建筑供应链各个过程的可视化监控,在不同阶段利用 BIM 和 GIS解决不同的问题,减少供应链运行成本,提高整体竞争力[7]。

　　另一方面,“BIM+GIS”也为 GIS从室外走向室内,从城市宏观走向建筑物微观提供了丰富的数据源,扩展 GIS的应用空间。如有研究将原始铁路设计的中线数据导入3D 可视化平台,自动生成铁路路基、桥梁、隧道、接触网、护坡等横断面模型,进行土方量分析与量测、纵断面信息采集等;或者将地下管廊 BIM 数据用于解决城市内涝、反复开挖路面、架空线网密集等问题。

　　我们的工作仍有很多需要改进的地方。包括:SuperMapExport插件目前支持 Revit软件的BIM 模型导出,后续将进行改进使其支持更多的 BIM 软件的模型导出到 GIS,并对数据导出时的信息有无损失进行评估;在模型轻量化方面,目前只是通过删除子对象的方式实现,后续将开发模型简化、子对象简化等功能,以满足不同的应用需求。

参 考 文 献

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

[2] 覃健. 浅谈 GIS与 BIM 的联系与未来 [J]. 工程技术:文摘版,2016,0 (10):27.

[3] 倪苇,王玮.BIM 与3DGIS集成中视点统一探讨 [J]. 铁路技术创新,2015,0 (3):69-72.

[4] CozziP,RingK.3DEngineDesignforVirtualGlobes [M].BocaRaton,Florida,USA:CrcPress,2011.

[5] 范一峰,孙晓勇. 实例化技术在植物仿真中的应用 [J]. 黑龙江科技信息,2008,0 (4):66.

[6] LIJ,WU H,YANGC,etal.Visualizingdynamicgeosciencesphenomenausinganoctree-basedview-dependent LOD strategywithinvirtualglobes [J].Computers&geosciences,2011,37 (9):1295-1302.

[7] 郑云,苏振民,金少军.BIM-GIS技术在建筑供应链可视化中的应用研究 [J]. 施工技术,2015,44 (6):59-63.

【作者简介】

　　冯振华 (1982-),男,硕士。主要研究方向为三维地理信息技术。