BIM+GIS技術(shù)在冬奧場(chǎng)館智能化管理平臺(tái)中的應(yīng)用

張曉燕 姚勇

一、引言

隨著BIM與GIS技術(shù)的日漸成熟，我國(guó)一些大型項(xiàng)目都會(huì)采用BIM+GIS技術(shù)，而在2022年將要舉行的冬奧會(huì)項(xiàng)目中，延慶賽區(qū)的冬奧會(huì)場(chǎng)館及賽道就運(yùn)用了BIM和GIS技術(shù)，除了完成建筑物的設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)外，BIM和GIS的融合以及與多源建筑物設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的融合將為冬奧會(huì)場(chǎng)館、賽事運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)有力的支持。BIM+GIS的三維特性，是進(jìn)行可視化運(yùn)營(yíng)的天然載體，通過(guò)對(duì)三維模型融合、多源數(shù)據(jù)融合、智能管理系統(tǒng)的研究，完成冬奧會(huì)智能化管理平臺(tái)建設(shè)。

二、BIM和GIS融合的關(guān)鍵技術(shù)

（一） BIM和GIS的特點(diǎn)與融合

BIM（Building Information Model），即建筑信息模型，是將項(xiàng)目的整個(gè)生命周期內(nèi)的所有信息集合在一個(gè)模型中，并包含施工進(jìn)度，建造過(guò)程，運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全部過(guò)程，并集合了所有幾何信息、功能要求和構(gòu)件性能。BIM既可以認(rèn)為是建筑信息模型，也可以被理解為建筑信息建模。

BIM的概念雖然早在上個(gè)世紀(jì)七十年代被提出，但直到本世紀(jì)才開始興起，特別是隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的提升、三維可視化技術(shù)和激光掃描等技術(shù)的成熟，日益受到重視，并在國(guó)內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目中開始得到應(yīng)用。

BIM技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

BIM是一個(gè)由三維模型形成的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了建筑物從設(shè)計(jì)、施工到建成后運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程信息。

該三維建筑模型所包含的信息之間是相互關(guān)聯(lián)的，對(duì)其中一個(gè)信息的任何更改，都會(huì)引起關(guān)聯(lián)信息的改變。

基于開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)—IFC（Industry Foundation Classes）標(biāo)準(zhǔn)，BIM模型有效地支持建筑行業(yè)內(nèi)各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和建筑物全生命周期的數(shù)據(jù)管理。

GIS（Geographic Information System），即地理信息系統(tǒng)，是對(duì)地理空間信息進(jìn)行描述、采集、處理、存儲(chǔ)、管理、分析和應(yīng)用。GIS技術(shù)集成了地圖視覺(jué)效果與地理信息的分析，對(duì)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的數(shù)字化統(tǒng)計(jì)管理和處理，具有成熟的空間管理功能。與BIM相比，GIS技術(shù)的開發(fā)使用相對(duì)成熟，已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市應(yīng)急、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。

GIS技術(shù)具有四大特點(diǎn)：

數(shù)據(jù)管理，是GIS中最核心的組成部分，通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)關(guān)系型的圖形與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、瀏覽、查詢。

空間定位，具有統(tǒng)一空間參考的GIS數(shù)據(jù)具有空間位置信息，可實(shí)現(xiàn)空間定位功能。

空間分析，具有強(qiáng)大的空間分析功能，可提供拓?fù)浞治?、緩沖區(qū)分析、空間插值等空間分析功能。

多元展示，GIS技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)的展示、瀏覽，也可對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行加工建模，以三維模型展示空間數(shù)據(jù)。

BIM技術(shù)側(cè)重于建筑物內(nèi)部信息的管理，GIS則側(cè)重于與建筑物相關(guān)的室外地理空間數(shù)據(jù)分析。近幾年，隨著各地“智慧城市”建設(shè)步伐的加快，將海量的建筑數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市地理信息的管理，提升城市精細(xì)化管理水平，BIM和GIS的融合已經(jīng)大勢(shì)所趨。

首先，BIM在整個(gè)建筑物生命周期都是精細(xì)化的單體建模，但如果脫離了與周圍地理環(huán)境的聯(lián)系只能是空中樓閣。而GIS研究宏觀地理世界，有強(qiáng)大的空間查詢和分析能力，可以為BIM模型的信息管理提供決策支持，可以更好的協(xié)助BIM。同時(shí)BIM大量的建筑信息又是GIS重要的數(shù)據(jù)源，可以讓GIS由宏觀走向微觀實(shí)現(xiàn)精細(xì)的組織管理，BIM和GIS的融合真正實(shí)現(xiàn)了室外到室內(nèi)的一體化管理。

其次，BIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括空間圖形數(shù)據(jù)（三維模型）和屬性數(shù)據(jù)（建筑參數(shù)），這與GIS數(shù)據(jù)構(gòu)成類似。GIS包含了BIM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（空間數(shù)據(jù)+屬性數(shù)據(jù)），但BIM主要針對(duì)建筑數(shù)據(jù)，而GIS包含除建筑數(shù)據(jù)外廣闊的地理數(shù)據(jù)，二者都有信息管理、空間分析等功能重疊。因此兩者有融合的可能性。

（二） BIM和GIS融合的關(guān)鍵技術(shù)

1、BIM的輕量化處理技術(shù)

BIM模型對(duì)于建筑物和其內(nèi)部構(gòu)件的表達(dá)是極其精細(xì)的，對(duì)于構(gòu)件的細(xì)節(jié)表達(dá)很細(xì)致，且記錄了豐富的幾何語(yǔ)義信息和屬性信息，這意味著龐大的數(shù)據(jù)量。而GIS更多的是分析管理功能，比如一面墻在BIM中可能有5層：外層、面層、氣層、核心層、內(nèi)層等等，在GIS中我們可能不關(guān)心這5層，我們更關(guān)心墻體的長(zhǎng)寬體積，5層墻會(huì)被抽象成1層墻體。

在BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行不同程度的輕量化處理，即將模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者簡(jiǎn)化。不同的領(lǐng)域BIM數(shù)據(jù)的精細(xì)程度也不盡相同。對(duì)GIS應(yīng)用來(lái)說(shuō)，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，將BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維GIS平臺(tái)需要進(jìn)行不同程度的輕量化操作。不同的開發(fā)平臺(tái)提供了不同的輕量化功能，如在SuperMap產(chǎn)品中提供了多種BIM輕量化和三角網(wǎng)的操作，包括：提取外殼（外殼和內(nèi)部分離）、三角網(wǎng)簡(jiǎn)化、子對(duì)象簡(jiǎn)化（刪除）、刪除重復(fù)頂點(diǎn)、計(jì)算（刪除）法線、模型拆分、模型合并等諸多實(shí)用功能。

2、三維模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換技術(shù)

三維模型結(jié)構(gòu)大體分線框模型一類、表面模型一類、實(shí)體模型一類。BIM建模主要是實(shí)體建模，如采用幾何實(shí)體創(chuàng)建法（Constructive Solid Geometry， CSG）。一般復(fù)雜的空間實(shí)體經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)體元素如圓錐、圓柱、三角錐、長(zhǎng)方體、正方體、球體經(jīng)過(guò)一系列布爾運(yùn)算組合、求交集、求差集等構(gòu)建。BIM中的每個(gè)模型都是一個(gè)實(shí)體，因此可以對(duì)每個(gè)室內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)體查詢。

而大部分GIS模型是表面模型，這區(qū)別于BIM的實(shí)體模型，它主要用邊界表示法表示。邊界表示法B-rep指的是GIS模型進(jìn)行建模時(shí)通過(guò)三角網(wǎng)形成三角面或者曲面然后將這些表面進(jìn)行粘合形成封閉的空間區(qū)域，表層記載了大量點(diǎn)、線、面幾何信息與屬性信息。這些模型對(duì)三維空間關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)不足，無(wú)法支持三維的空間分析與計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)有效的三維城市建模。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，一種方案是基于B-rep與CSG的轉(zhuǎn)換算法來(lái)對(duì)三維圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，過(guò)程中需要進(jìn)行不同BIM數(shù)據(jù)格式到標(biāo)準(zhǔn)IFC格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（見圖1）；另一種方案，是直接在GIS系統(tǒng)建立三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型，可以實(shí)現(xiàn)BIM主流數(shù)據(jù)的無(wú)損接入以及BIM數(shù)據(jù)到GIS平臺(tái)的精準(zhǔn)匹配。

圖1 BIM與GIS模型的轉(zhuǎn)換流程

三、BIM與多源數(shù)據(jù)的融合

BIM技術(shù)的發(fā)展為三維GIS提供了更為精細(xì)的三維模型，讓GIS更精細(xì)化的管理成為可能。同時(shí)，隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅速發(fā)展，空間多源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生為GIS數(shù)據(jù)的集成與應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)海量、不同來(lái)源、不同分辨率空間數(shù)據(jù)的高效融合，對(duì)降低GIS應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)成本、提高空間數(shù)據(jù)的使用效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

多源數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行融合匹配，首先應(yīng)該是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，將BIM、三維攝影、地形測(cè)繪數(shù)據(jù)和多源傳感的時(shí)空數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系。

（一） BIM與三維地形數(shù)據(jù)的融合

將BIM數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，BIM提供了微觀的數(shù)據(jù)信息，地形數(shù)據(jù)提供BIM模型在宏觀環(huán)境中的位置信息及周邊環(huán)境。融合過(guò)程中，需要進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證遙感/航飛影像數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，以及施工區(qū)域的地表環(huán)境、地形、地貌的數(shù)字化信息與分析。具體工作包括坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)化裁切、相對(duì)坐標(biāo)與絕對(duì)坐標(biāo)校準(zhǔn)匹配、不同格式數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換和集成融合等技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)多源信息的融合，為用戶提供更加真實(shí)、準(zhǔn)確的可視化體驗(yàn)，以及三維空間分析數(shù)據(jù)支撐。

（二）BIM與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合

BIM將建筑物數(shù)據(jù)化、模型化，用來(lái)標(biāo)明整個(gè)建筑內(nèi)各類要素發(fā)生的位置。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種建筑運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器收集起來(lái)，并通過(guò)NB-IoT或者4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到本地運(yùn)營(yíng)中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和分析到遠(yuǎn)程用戶手上。

圖2 BIM與物聯(lián)網(wǎng)融合系統(tǒng)效果圖

圖3智能化管理平臺(tái)的功能架構(gòu)

基于BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合是實(shí)現(xiàn)智能建筑的基礎(chǔ)，而BIM是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，基于統(tǒng)一的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以深入建筑物的內(nèi)部，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其融合平臺(tái)效果如圖2所示。

四、基于BIM+GIS的冬奧場(chǎng)館智能化管理平臺(tái)

（一） 開發(fā)平臺(tái)選擇

目前三維GIS平臺(tái)主要以國(guó)外ESRI公司的ArcGIS Pro，Skyline公司的SkylineGlobe軟件，國(guó)內(nèi)比較大的有SuperMap和偉景行公司的三維GIS平臺(tái)等。其中SuperMap的三維GIS平臺(tái)采用三維實(shí)體模型，提供了BIM Revit格式數(shù)據(jù)的無(wú)縫導(dǎo)入，并且提供了多種數(shù)據(jù)接口支持多源數(shù)據(jù)的匹配，因此本項(xiàng)目選用SuperMap平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

（二） 平臺(tái)功能架構(gòu)

本平臺(tái)是針對(duì)高山滑雪賽事賽后場(chǎng)地場(chǎng)館的智能化管理服務(wù)平臺(tái)，結(jié)合場(chǎng)館精細(xì)化BIM+GIS融合模型和多源傳感技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)森林防火監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施智能化管理、安防分析與管理以及場(chǎng)館智能引導(dǎo)，并支持與醫(yī)療、電商、旅游、應(yīng)急救援等第三方平臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)接。平臺(tái)的總體功能架構(gòu)如圖3所示。

高山滑雪場(chǎng)館賽事賽后智能化管理平臺(tái)在功能上重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館BIM綜合展示、場(chǎng)館室內(nèi)導(dǎo)航、數(shù)字化講解、森林防火監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施管理、場(chǎng)館智能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、容災(zāi)救援輔助等功能。

（三） 核心功能介紹

1、BIM場(chǎng)館展示

首頁(yè)將三維GIS和場(chǎng)館精細(xì)化BIM模型進(jìn)行融合展示，構(gòu)建高山滑雪賽事賽后場(chǎng)館智能化管理服務(wù)平臺(tái)，并結(jié)合場(chǎng)館設(shè)備設(shè)施管理功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備智能化監(jiān)測(cè)和管理。通過(guò)設(shè)備列表能快速準(zhǔn)確的找到對(duì)應(yīng)設(shè)備的位置以及運(yùn)行情況。

2、場(chǎng)館室內(nèi)導(dǎo)航

通過(guò)場(chǎng)館和設(shè)備的BIM以及獲取到的用戶實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館的智能化導(dǎo)航功能。

3、設(shè)備設(shè)施管理

平臺(tái)總共統(tǒng)計(jì)11類設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，針對(duì)每類設(shè)備，點(diǎn)擊該左側(cè)列表設(shè)備類別，在BIM模型中顯示該類設(shè)備在模型中的位置，并在下方顯示設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)的各種統(tǒng)計(jì)，不同種類的設(shè)備具有不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)展示方式。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)BIM和GIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了BIM和GIS融合的關(guān)鍵技術(shù)即BIM輕量化處理技術(shù)及三維模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換技術(shù)；為BIM和GIS的融合方法提供了一種方法，此項(xiàng)融合技術(shù)利于在數(shù)據(jù)融合之上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，可大大拓寬BIM+GIS的應(yīng)用空間，在三維展示、室內(nèi)導(dǎo)覽、設(shè)備智能管理等方面可進(jìn)行較為創(chuàng)新的應(yīng)用示范。

作者單位：北京北控智慧城市科技發(fā)展有限公司

【基金項(xiàng)目】國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技冬奧專項(xiàng)“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場(chǎng)館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2018YFF0300300）