BIM與3DGIS的集成技術(shù)及在鐵路橋梁施工中的應(yīng)用

張文勝，吳 強(qiáng)，祁平利，伍忠國(guó)1，，王丙占

(1.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 河北省交通安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844；4.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究處，北京 102600；5.石家莊交通勘察設(shè)計(jì)院 總工辦，河北 石家莊 050071)

建筑物信息模型(Building Information Modeling，BIM)與三維地理信息系統(tǒng)(Three-Dimensional Geographic Information System，3DGIS)集成技術(shù)是微觀信息和宏觀場(chǎng)景的結(jié)合。美國(guó)斯坦福大學(xué)的工程中心(CIFE)最先提出了應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建4D施工信息理論[1]。在BIM與GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))的轉(zhuǎn)換與集成研究方面，Song Y和Karan E P等[2-3]使用語(yǔ)義Web技術(shù)確?，F(xiàn)有BIM和GIS之間語(yǔ)義的互操作性，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)信息的查詢(xún)。Alvarado等[4]構(gòu)建了AEC+FM(Architecture Engineering Construction，AEC；Facility Management，F(xiàn)M)集成框架，研究了應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)施工計(jì)劃編制進(jìn)行集中安排的方法。BIM具有可交換的標(biāo)準(zhǔn)三維格式文件，即IFC(Industry Foundation Class，工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi))格式文件，Donkers等[5]提出了一種整合BIM中IFC格式文件和城市地理標(biāo)記語(yǔ)言CityGML(City Geography Markup Language)數(shù)據(jù)格式的方法，將IFC格式文件的模型信息提取出來(lái)形成表面模型，并賦予語(yǔ)義信息。De Laat R等[6]提出了CityGML的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)GeoBIM，并應(yīng)用GeoBIM將IFC格式文件的語(yǔ)義信息集成到3DGIS框架中。Wu B等[7]從語(yǔ)義和幾何信息的角度進(jìn)行了BIM與GIS之間轉(zhuǎn)換的優(yōu)缺點(diǎn)分析，提出了用BIM數(shù)據(jù)集與GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的優(yōu)化方法。Liu Xin等[8-9]研究了BIM與GIS集成解決方案，確定了BIM與GIS集成的數(shù)據(jù)模型。趙霞、朱亮、湯圣君等[10-13]提出BIM常用軟件Revit有語(yǔ)義約束的模型格式RVT到CityGML模型格式的轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)建立IFC格式文件到CityGML各層級(jí)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了IFC格式文件到CityGML幾何與語(yǔ)義信息的轉(zhuǎn)換。秦勇等[14-16]探討了基于GIS技術(shù)構(gòu)建智能化鐵路建設(shè)與管理信息系統(tǒng)的方法，為鐵路施工管理提供輔助決策。彭雷、吉章偉等[17-18]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將典型BIM(Revit格式)幾何及其語(yǔ)義集成到3DGIS的技術(shù)方案，整合了鐵路建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的空間數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)施工數(shù)據(jù)。Kang T W等[19]提出了一種將BIM集成到基于GIS的設(shè)施管理系統(tǒng)中的軟件體系結(jié)構(gòu)，并使用ETL(Extract-Transform-Load)概念將帶有FM的BIM信息轉(zhuǎn)換為GIS信息。Irizarry J等[20-21]研究了集成的BIM-GIS系統(tǒng)，基于GIS和決策支持系統(tǒng)DSS(Decision Support System)技術(shù)，建立了人機(jī)交互子系統(tǒng)、模型庫(kù)子系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。上述文獻(xiàn)介紹了BIM與GIS的標(biāo)準(zhǔn)格式、BIM與GIS的集成方法等，但這些集成方法存在步驟繁瑣、易發(fā)生空間信息及屬性信息丟失與改變的不足，并且對(duì)BIM與3DGIS集成技術(shù)的論述較少。

Revit軟件是BIM的四大建模軟件之一，Skyline軟件是目前應(yīng)用較廣的3DGIS軟件，因此，本文提出并實(shí)現(xiàn)了BIM與3DGIS的集成技術(shù)，即首先將Revit軟件產(chǎn)生的BIM進(jìn)行針對(duì)3DGIS的快速無(wú)損格式轉(zhuǎn)換，然后再集成到3DGIS的軟件Skyline中；構(gòu)建基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，并在蒙華鐵路某特大橋的施工中進(jìn)行應(yīng)用與驗(yàn)證。

1 BIM與3DGIS集成技術(shù)

BIM與3DGIS的集成技術(shù)包括2部分：一是將Revit軟件生成的BIM針對(duì)3DGIS的快速無(wú)損格式轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換包括幾何信息(如形狀、位置等信息)和屬性信息(如建筑信息)的轉(zhuǎn)換；二是BIM與3DGIS的集成，主要包括坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一，姿態(tài)、方位及比例因子的信息讀取與變換，模型轉(zhuǎn)換文件的遍歷讀取與保存，BIM與3DGIS的綜合集成與空間表達(dá)。

1.1 格式轉(zhuǎn)換方法

Revit軟件生成的BIM針對(duì)3DGIS的格式轉(zhuǎn)換方法包括2步：第1步是將BIM的幾何信息轉(zhuǎn)換成3DGIS可以接受的*.dae格式文件；第2步是將BIM的屬性信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并采用元素的ID作為唯一字段，將*.dae格式文件與數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，使3DGIS可以接收并導(dǎo)入BIM信息。具體方法是：解析Revit軟件生成的BIM的幾何信息和屬性信息，將BIM按照不同族類(lèi)型(Category)進(jìn)行分類(lèi)；對(duì)分類(lèi)完成的BIM進(jìn)行過(guò)濾，分解成不可再分的最小單元元素(Element)；對(duì)最小單元元素的幾何信息進(jìn)行遍歷，將結(jié)果保存到*.dae格式文件中，并以元素ID為文件名；對(duì)最小單元元素的屬性信息進(jìn)行遍歷，將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，設(shè)置元素的ID為唯一字段。此方法的優(yōu)點(diǎn)：在針對(duì)3DGIS的轉(zhuǎn)化過(guò)程中提供具有唯一ID值的無(wú)歧義的最小轉(zhuǎn)換單元元素，不會(huì)產(chǎn)生信息的丟失或改變，而且可以通過(guò)族庫(kù)批量進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)BIM對(duì)3DGIS的快速無(wú)損轉(zhuǎn)換。Revit軟件生成的BIM針對(duì)3DGIS的格式轉(zhuǎn)換方法如圖1所示。

圖1 Revit軟件生成的BIM針對(duì)3DGIS的轉(zhuǎn)換方法

1.2 格式轉(zhuǎn)換算法

1.2.1 幾何信息的格式轉(zhuǎn)換

幾何信息格式轉(zhuǎn)換的算法步驟如下。

步驟1：設(shè)置族類(lèi)型過(guò)濾器，獲取需要轉(zhuǎn)換的最小單元元素。Revit中BIM的族可以分為用戶(hù)自建標(biāo)準(zhǔn)族和系統(tǒng)族2類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)族由FamilyInstance派生，通過(guò)ElementClassFilter(typeof(FamilyInstance))過(guò)濾。系統(tǒng)族由HostObject派生，通過(guò)ElementClassFilter(typeof(HostObject))過(guò)濾。用邏輯Or過(guò)濾器LogicOrFilter把2個(gè)類(lèi)過(guò)濾器(ElementClassFilter)進(jìn)行合并，獲得所需的元素。

步驟2：通過(guò)saveFileDialog設(shè)置*.dae格式文件保存路徑。根據(jù)元素的族類(lèi)別自動(dòng)建立文件夾，每個(gè)元素按照族類(lèi)別分別保存到相應(yīng)的族類(lèi)別文件夾中。

步驟3：遍歷元素，獲取元素的幾何信息GeometryElement。首先導(dǎo)出類(lèi)ExportFactory，其主要函數(shù)為ElementExport，在函數(shù)ElementExport中調(diào)用函數(shù)GetGeometryObject獲取元素的GeometryElement。然后對(duì)GeometryElement進(jìn)行遍歷，如果得到的幾何圖元類(lèi)型為實(shí)體(Solid)，即可繼續(xù)執(zhí)行步驟5。否則，得到幾何圖元類(lèi)型為GeometryInstance，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4：根據(jù)GeometryInstance的屬性對(duì)SymbolGeometry遍歷，如果得到的為GeometryElement，則轉(zhuǎn)步驟3；否則，轉(zhuǎn)步驟5。

濃香型白酒作為四大香型白酒之一，在我國(guó)白酒行業(yè)中占有舉足輕重的地位。眾所周知，白酒品質(zhì)及風(fēng)格往往是由各種風(fēng)味物質(zhì)的含量與比例關(guān)系所決定。優(yōu)質(zhì)濃香型白酒中，四大酯類(lèi)的比例為己酸乙酯＞乳酸乙酯＞乙酸乙酯＞丁酸乙酯[1]。而雜醇油是白酒中最重要的三大芳香組分之一，是3個(gè)碳以上的一元醇類(lèi)物質(zhì)的總稱(chēng)，其主要成分是正丙醇、正丁醇、異丁醇、異戊醇等高級(jí)醇[2]。但是，如果白酒中雜醇油含量過(guò)高，對(duì)人體有毒害作用，它對(duì)人體的中毒和麻醉作用比乙醇強(qiáng)，能使神經(jīng)系統(tǒng)充血，使人感覺(jué)頭疼。它還是白酒苦味和澀味的主要來(lái)源之一，同時(shí)也是造成白酒出現(xiàn)白色渾濁的原因之一[3-4]。

步驟5：遍歷元素，獲取元素中的幾何信息。實(shí)體(Solid)由面組成，通過(guò)solid.Faces函數(shù)獲取實(shí)體的所有面(Face)，通過(guò)Face.Triangulate函數(shù)對(duì)面進(jìn)行三角化處理得到三角網(wǎng)格模型(Mesh)。遍歷Mesh中每個(gè)三角面獲取元素的幾何信息。通過(guò)triangle.get_Index獲取點(diǎn)索引信息，通過(guò)triangle.get_Vertex獲取點(diǎn)信息，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣transform轉(zhuǎn)換成全局坐標(biāo)系坐標(biāo)；同時(shí)對(duì)于三角面法線信息，如果是1個(gè)平面，則由planarFace.FaceNormal函數(shù)直接獲取三角面法線，如果不是平面，則需要通過(guò)三角面點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算三角面的向量外積，進(jìn)而得到法線；最后通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣transform將法線轉(zhuǎn)成全局坐標(biāo)系坐標(biāo)。

步驟6：將上面形成的數(shù)據(jù)文件通過(guò)文件流的方式將數(shù)據(jù)寫(xiě)入，并保存為*.dae格式。

其中步驟3—步驟5為算法的核心，其計(jì)算框圖如圖2所示。

1.2.2 屬性信息的格式轉(zhuǎn)換

首先對(duì)每個(gè)元素的屬性進(jìn)行遍歷，得到屬性信息；然后以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)為存貯載體，將屬性信息進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)庫(kù)表文件由3個(gè)字段ElementName、ElementParam和ElementParamValue組成，每條數(shù)據(jù)保存BIM的1個(gè)屬性信息；最后以Revit文件名自動(dòng)命名數(shù)據(jù)庫(kù)表文件名，通過(guò)SQL插入語(yǔ)句將BIM屬性信息數(shù)據(jù)保存到3DGIS數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而完成了BIM屬性信息到3DGIS的格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)在3DGIS中進(jìn)行BIM屬性信息的查詢(xún)和分析。

1.3 BIM與3DGIS的集成

將BIM轉(zhuǎn)換生成*.dae格式文件后，按照如下流程完成到3DGIS的集成。需要注意的是，采用Revit格式建立的BIM是按照族類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)的，在與3DGIS集成時(shí)，也需將*.dae格式文件按照族類(lèi)別劃分入相應(yīng)的文件夾，從而避免類(lèi)別不一致帶來(lái)的兼容性問(wèn)題。具體的集成步驟如下。

圖2 遍歷元素獲取幾何信息的算法框圖

步驟1：BIM坐標(biāo)系與3DGIS坐標(biāo)系的統(tǒng)一。BIM坐標(biāo)系是模型坐標(biāo)系，能夠保持整個(gè)BIM中各個(gè)構(gòu)件間的空間拓?fù)潢P(guān)系和空間位置關(guān)系的正確；而3DGIS的坐標(biāo)系多為WGS-84坐標(biāo)系。研究發(fā)現(xiàn)，BIM按照模型基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行建模，將模型基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)和實(shí)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行一致性轉(zhuǎn)換，可以得到BIM模型在3DGIS中的坐標(biāo)。具體做法是：將模型基準(zhǔn)點(diǎn)在建模軟件中設(shè)置成坐標(biāo)原點(diǎn)，該坐標(biāo)原點(diǎn)的值設(shè)置成3DGIS坐標(biāo)系中的WGS-84坐標(biāo)原點(diǎn)的值，從而實(shí)現(xiàn)BIM坐標(biāo)系和3DGIS坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

步驟2：確定3DGIS的WGS-84坐標(biāo)系中的模型坐標(biāo)，輸入高程、航偏角、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角和模型縮放比例等模型姿態(tài)信息。

步驟3：遍歷文件夾中的*.dae格式文件，獲取*.dae格式文件的絕對(duì)路徑。

步驟4：根據(jù)*.dae格式文件絕對(duì)路徑、坐標(biāo)和模型姿態(tài)信息，通過(guò)sgworld.Creator.CreatePosition函數(shù)將*.dae格式文件集成到3DGIS中。

1.4 BIM與3DGIS的集成效果

以1組架空房屋為例，采用Revit軟件建立的BIM與集成到3DGIS中的模型效果圖如圖3所示，可見(jiàn)，Revit軟件中的BIM已被完整地集成到3DGIS系統(tǒng)軟件Skyline中，且沒(méi)有發(fā)生幾何信息與屬性信息的丟失。

圖3 采用Revit軟件建立的BIM和集成到3DGIS中的對(duì)比

2 BIM與3DGIS集成的可靠性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文的BIM與3DGIS集成方法的可靠性，以蒙華鐵路某特大橋?yàn)槔?，采用Revit軟件構(gòu)建該特大橋的BIM，并按照設(shè)計(jì)要求添加橋梁屬性信息，構(gòu)建后的部分模型如圖4所示。應(yīng)用本文方法，將建立的特大橋BIM按照構(gòu)件類(lèi)型針對(duì)3DGIS進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后集成到3DGIS中，集成后的模型姿態(tài)如圖5所示，可見(jiàn)橋梁的空間幾何信息及屬性信息均完整準(zhǔn)確，驗(yàn)證了本文提出的BIM與3DGIS轉(zhuǎn)換集成技術(shù)正確可靠。

圖4 橋梁的BIM模型

圖5 BIM模型集成到3DGIS中

3 基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)的研發(fā)

根據(jù)提出的BIM與3DGIS集成技術(shù)，采用C#編程語(yǔ)言和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，并在蒙華鐵路某特大橋施工項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。蒙華鐵路特大橋共包含橋墩215個(gè)，梁體212個(gè)，連續(xù)梁2個(gè)。構(gòu)建BIM的橋梁構(gòu)件種類(lèi)多、數(shù)量大?；贐IM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。該信息系統(tǒng)包含了橋梁BIM與3DGIS的轉(zhuǎn)換與集成模塊及基于BIM的橋梁施工管理模塊，可以實(shí)現(xiàn)BIM與3DGIS的集成、BIM模型的管理編輯、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與管理、橋梁BIM構(gòu)件的查詢(xún)、3DGIS空間分析、橋梁施工沖突檢測(cè)、基于BIM的施工動(dòng)態(tài)模擬及施工進(jìn)度管理等功能。系統(tǒng)部分功能圖形展示如圖7—圖10所示。

圖6 基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖7 系統(tǒng)主界面

圖8 施工橫道圖

圖9 基于BIM的分階段施工進(jìn)度模擬

基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，應(yīng)用于蒙華鐵路某特大橋施工管理項(xiàng)目中，將大批量橋梁構(gòu)件BIM對(duì)3DGIS進(jìn)行快速無(wú)損轉(zhuǎn)換，并集成到3DGIS系統(tǒng)后，利用3DGIS強(qiáng)大的空間管理與分析功能，實(shí)現(xiàn)了從3DGIS可視化、漫游和三維空間分析，到BIM施工管理、施工動(dòng)態(tài)模擬和施工進(jìn)度總覽等功能。

圖10 基于BIM的3DGIS施工進(jìn)度總覽

4 結(jié) 語(yǔ)

3DGIS是空間信息管理與分析的重要手段，BIM集成了建筑工程各階段的多種信息。本文對(duì)BIM與3DGIS集成技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了BIM快速無(wú)損集成到3DGIS的方法及步驟，實(shí)現(xiàn)了BIM三維微觀模型與3DGIS宏觀場(chǎng)景的集成。

研發(fā)的基于BIM與3DGIS集成的鐵路橋梁施工管理信息系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)蒙華鐵路某特大橋1年多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與實(shí)踐證明，系統(tǒng)應(yīng)用穩(wěn)定可靠，完成了大批量橋梁BIM構(gòu)件到3DGIS的快速無(wú)損集成，實(shí)現(xiàn)了大批量橋梁構(gòu)件BIM與3DGIS的集成，解決了設(shè)計(jì)、施工與管理不同階段之間的數(shù)據(jù)共享與挖掘利用的難題。