BIM與GIS集成的三維建模方法在水利工程管理中的應(yīng)用

袁 媛，史 赟，丁維馨，張李蓀

（1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水利廳，江西 南昌330009）

0 引 言

隨著三維GIS技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，更精細(xì)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求被提出以適應(yīng)詳盡的空間管理。無論是組件GIS還是WebGIS，為了提供更多的屬性信息與更逼真的實(shí)物展現(xiàn)，都需要提升三維建模技術(shù)。目前，已有數(shù)字模型的建立大多是基于三維GIS和Sketchup、3DsMax、Auto-CAD 等軟件，生成的建筑模型只能實(shí)現(xiàn)外觀上的可視化，沒有工程屬性，不能抽取施工圖紙，也不能導(dǎo)出材料報(bào)表等信息[1]。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)能夠?qū)⒔ㄖ锶S數(shù)字化模擬還原，同時(shí)具備詳細(xì)的內(nèi)部空間幾何及功能語(yǔ)義信息，是信息技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的必然結(jié)果[2]。BIM與GIS的集成與融合對(duì)未來建筑物的精細(xì)化發(fā)展起到重要作用，推動(dòng)了建筑物室內(nèi)外一體化管理的發(fā)展。在軟件平臺(tái)的選取上，SuperMap軟件基于新的行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，可以滿足多元數(shù)據(jù)集成的需要，并具有強(qiáng)大的開發(fā)功能，以完成不同行業(yè)、不同層次、不同領(lǐng)域的GIS應(yīng)用延伸。當(dāng)前各地的水利信息化進(jìn)程不斷推進(jìn)，水利工程的精細(xì)化與智慧化管理逐步加深，利用BIM與GIS的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建新的水利工程三維建模方法，能夠?yàn)樗こ绦畔⒒ㄔO(shè)及智慧化內(nèi)涵的不斷豐富提供技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)水利工程的信息化與智慧化走上新的臺(tái)階。

水利水電工程施工的工程量大,技術(shù)工種多,施工強(qiáng)度高,環(huán)境干擾嚴(yán)重,需要反復(fù)比較論證和優(yōu)化施工方案,保證施工質(zhì)量[3]。BIM技術(shù)借助其在采集、處理、展示建筑物微觀信息數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，為建設(shè)精細(xì)化的建筑物模型提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，能夠支撐建設(shè)過程的各個(gè)階段，可以實(shí)現(xiàn)建筑物建設(shè)全程的信息化、精細(xì)化、智能化管理，特別是在工程的設(shè)計(jì)階段，其可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性[4]的特點(diǎn)能夠持續(xù)保證水利工程信息的精細(xì)化及智慧化管理。

在當(dāng)前的各類工程的設(shè)計(jì)、管理、編制、審批過程中確實(shí)需要借助三維GIS等高新技術(shù)手段,通過將規(guī)劃方案直觀地展現(xiàn)出來,幫助規(guī)劃設(shè)計(jì)與規(guī)劃管理人員對(duì)各種規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與方案評(píng)審,為做最終決策提供科學(xué)有效的幫助,它使得規(guī)劃審批工作變得科學(xué)、直觀、快捷[5]。GIS技術(shù)作為采集、存儲(chǔ)、分析、展示地理空間數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，在處理和展示宏觀地理環(huán)境方面起到重要作用，并可通過3D建模技術(shù)立體展示建筑物的地理位置及建筑物外部特征信息。

BIM和GIS整合已逐漸成為建筑業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)。在建筑領(lǐng)域,建筑從設(shè)計(jì)到施工產(chǎn)生大量的信息,特別是建筑設(shè)計(jì)三維模型,包含了建筑詳細(xì)的空間信息,各種信息集合在一起形成BIM。而在三維GIS領(lǐng)域,主要研究如何對(duì)城市建筑物三維建模,獲得建筑的詳細(xì)空間信息[6]。將GIS與BIM結(jié)合運(yùn)用與水利工程建設(shè)過程中，能夠充分集成并融合水利工程的宏觀與微觀數(shù)據(jù)，有效、精細(xì)的進(jìn)行水利工程的三維建模。將水利工程的微觀BIM數(shù)據(jù)與其周圍宏觀的GIS數(shù)據(jù)共享、集成與融合，并將融合后的數(shù)據(jù)應(yīng)用于水利工程的建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)的分析中，能夠在方案決策階段提供完整、可追溯的電子或全息模型，對(duì)不合理處及時(shí)修改，防止返工，節(jié)約成本，避免資源浪費(fèi)?；谀Ｐ涂蛇M(jìn)行相應(yīng)的工程量及進(jìn)度模擬，方便工程的投資控制和進(jìn)度管理，并可有效提高水利工程信息化、精細(xì)化程度。

1 基于BIM的水利工程模型建設(shè)

1.1 概念模型建立

水利工程是一個(gè)多維的綜合性系統(tǒng)，需獲取、存儲(chǔ)、管理、分析、查詢、輸出、更新工程數(shù)據(jù)及周圍的地理信息數(shù)據(jù)，為水利工程管理提供準(zhǔn)確、詳細(xì)、完備的基礎(chǔ)信息。針對(duì)上述水利工程的特征與實(shí)際管理需求，首先建立水利工程的概念模型，形成三維空間數(shù)據(jù)，概念模型如圖1所示。

水利工程空間數(shù)據(jù)包括泄洪道、攔河壩、電站廠房、溢洪道等多個(gè)不同的單體化數(shù)據(jù)，每個(gè)虛擬的水利工程單體化數(shù)據(jù)都可以具像化為空間對(duì)象實(shí)體的點(diǎn)、線、面。點(diǎn)狀實(shí)體由節(jié)點(diǎn)及標(biāo)記組成，線狀實(shí)體由曲線段及標(biāo)記組成，面狀實(shí)體由多邊形及標(biāo)記組成。點(diǎn)、線、面三種不同類型的數(shù)據(jù)與標(biāo)記組后與地理坐標(biāo)融合，確定水利工程在三維空間地理環(huán)境中的地理位置，最終得到的數(shù)據(jù)則為包含位置信息與具體屬性信息的水利工程整體信息。

1.2 BIM模型建立

BIM模型建立的基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)元素建模，即最小構(gòu)成單元建模，如攔河壩，以CAD底圖為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在Autodesk Revit中進(jìn)行BIM模型制作，BIM建模的核心特征之一是模型參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)于建筑中所需的不同構(gòu)件，Revit軟件中都有對(duì)應(yīng)的族可供選擇，對(duì)于梁、墻、柱、道等，可將Revit中系統(tǒng)族原有尺寸修正為實(shí)際參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用，而對(duì)于孔、閘等構(gòu)件則可在載入族中選擇滿足形狀構(gòu)建族，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行保存可反復(fù)使用。水利工程BIM模型室外圖如圖2所示，室內(nèi)圖如圖3所示。

BIM的可視化建模過程提高了模型重現(xiàn)精度，但各個(gè)結(jié)構(gòu)元素間的碰撞現(xiàn)象仍不可避免，為了模型的精確還原，本研究使用當(dāng)前主流檢查方法，將Revit中的模型以.nwc格式導(dǎo)入Autodesk Navisworks軟件中進(jìn)行碰撞檢查，根據(jù)碰撞檢查結(jié)果修正模型。碰撞檢查流程如圖4所示。

圖1 水利工程概念模型

2 BIM與GIS集成構(gòu)建水利工程信息模型

基于前文已完成的內(nèi)外集成的水利工程BIM模型，發(fā)揮SuperMap在GIS三維展示方面的優(yōu)勢(shì)，將BIM模型與GIS中的傾斜攝影、DEM等多元地理空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水利工程的微觀建筑信息與宏觀地理環(huán)境信息的融合，最終形成對(duì)水利工程從設(shè)計(jì)、運(yùn)行到維護(hù)的精細(xì)化、全面化、一體化管理。

當(dāng)前，在GIS與BIM數(shù)據(jù)融合方面，可主要分為3種方式，分別是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展和地理本體論。通過這3種方式能夠初步實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)融合，但在此過程中仍存在地理信息數(shù)據(jù)與本體屬性數(shù)據(jù)的丟失、地理本體語(yǔ)義信息歧義等問題。但當(dāng)前SuperMap與BIM兩個(gè)不同門類的數(shù)據(jù)信息都以IFC（Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎(chǔ)類）為標(biāo)準(zhǔn)展開建設(shè)，故SuperMap能夠提供BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入入口，以IFC為BIM數(shù)據(jù)格式，通過《三維空間數(shù)據(jù)規(guī)范Spatial 3D Model（S3M）》定義的數(shù)據(jù)格式，形成兩類數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)列表，實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)間的深度融合，最終達(dá)到模型無縫對(duì)接，屬性無損集成，適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和離線環(huán)境下海量多源三維空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸、交換、高性能可視化。轉(zhuǎn)換方式如圖5所示。

圖2 水利工程室外圖

圖3 水利工程室內(nèi)圖

圖4 BIM模型碰撞檢查流程圖

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式

通過上述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與融合，可以將SuperMap提供的GIS通用功能引入BIM的數(shù)據(jù)查詢、分析、展示中，在水利工程實(shí)際建設(shè)過程中能夠模擬建筑物建造過程、進(jìn)行通視分析等功能；在運(yùn)行與維護(hù)過程中能夠發(fā)揮GIS提供的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析及地圖聯(lián)動(dòng)等功能，對(duì)水利工程的精細(xì)化管理具有重要意義。

3 BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)

利用上述數(shù)據(jù)融合方式，充分考慮當(dāng)前BIM文件格式各異的情況，利用SuperMap提供的SuperMap Export插件，將Autodesk Revit中制作的.nwc格式的文件導(dǎo)出為SuperMap的GIS軟件支持的數(shù)據(jù)格式。在完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，需要將GIS系統(tǒng)中的投影信息賦予BIM模型數(shù)據(jù)，才能將GIS數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)精確融合，而SuperMap針對(duì)上述需求，提供的SuperMap Export插件能夠在BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)后對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)式插入及自定義投影，其中插點(diǎn)式投影可在BIM數(shù)據(jù)中編輯插入點(diǎn)信息，對(duì)點(diǎn)位設(shè)置球面坐標(biāo)或平面坐標(biāo)，而自定義投影則可以選擇投影方式導(dǎo)出BIM模型。從而保證BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的精確套合。

除上述基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)套合功能外，SuperMap在保證BIM數(shù)據(jù)裝載、展示方面引入以下技術(shù)：

（1）基于四叉樹的LOD技術(shù)?；谒牟鏄淠Ｐ?，融合視點(diǎn)相關(guān)的LOD（Levels of Detial，層次細(xì)節(jié)）簡(jiǎn)化方法，選擇多分辨率地圖，近視點(diǎn)用高息借的層次表示，遠(yuǎn)視點(diǎn)用粗糙細(xì)節(jié)表示，實(shí)現(xiàn)了在SuperMap中快速顯示海量真三維數(shù)據(jù)，且視點(diǎn)距離越近，真三維數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)越多。

（2）數(shù)據(jù)裁剪技術(shù)。利用遮擋物進(jìn)行可見性測(cè)試，以識(shí)別場(chǎng)景是否被遮擋，對(duì)所有瞬間視點(diǎn)附近的大型遮擋物識(shí)別預(yù)處理，反復(fù)進(jìn)行可見性測(cè)試，保證盡量少的、離視點(diǎn)近的動(dòng)態(tài)遮擋目標(biāo)數(shù)組被處理。

（3）數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載技術(shù)。采用數(shù)據(jù)分層、分塊及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新的算法，實(shí)現(xiàn)多層次的水利工程場(chǎng)景實(shí)時(shí)描繪，并利用多線程運(yùn)行機(jī)制削減場(chǎng)景加載延遲。

利用上述技術(shù)，SuperMap能夠突破BIM模型在GIS平臺(tái)中的數(shù)據(jù)裝載及展示方面的瓶頸，從數(shù)據(jù)層面解決三維場(chǎng)景如何共存BIM與其他海量三維模型，在滿足場(chǎng)景完整性需求的同時(shí)提升瀏覽性能。

4 水利工程三維模型綜合應(yīng)用

與當(dāng)前的智能傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，基于SuperMap提供的二、三維一體化地理信息技術(shù)、BIM數(shù)據(jù)裝載能力與瀏覽能力，與水利工程中包含的各類傳感器（如：溫濕度、水位、水量、降雨量）所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，如圖6所示，也可與視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)相結(jié)合，并在水利工程三維模型上進(jìn)行顯示，提高水利工程管理可視化、精細(xì)化、智慧化程度及管理效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

BIM技術(shù)在水利工程建設(shè)過程中有一定優(yōu)勢(shì)，而集成GIS技術(shù)則可將BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)延伸貫穿整個(gè)工程的生命周期，將BIM與GIS集成的三維建模方法在江西省峽江水利樞紐工程中應(yīng)用，能夠提升峽江水利樞紐工程運(yùn)維人員的管理能力及運(yùn)維能力，也能夠?yàn)楣芾聿块T提供更加高效、便捷的渠道，獲取峽江水利樞紐工程的相關(guān)信息。同時(shí)，BIM與GIS集成的三維建模方法在峽江水利樞紐工程中的成功應(yīng)用，為江西省其他相關(guān)水利工程項(xiàng)目管理手段的提升提供了參考。

圖6 BIM數(shù)據(jù)與溫濕度傳感器數(shù)據(jù)融合

圖7 BIM中的水利樞紐控制設(shè)備