淺談BIM+GIS在水利工程中的應(yīng)用前景

賀 賢

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，蘭州 734000)

0 前 言

BIM多維度擴(kuò)展應(yīng)用的一個重要組成部分就是BIM和三維GIS的結(jié)合使用。GIS具有專業(yè)的宏觀地理環(huán)境基礎(chǔ)，空間查詢和分析能力。因此，可以拓展BIM的應(yīng)用前景。BIM則可以解決當(dāng)前GIS缺乏精準(zhǔn)建筑模型的問題，豐富GIS的數(shù)據(jù)來源，使得三維的GIS突破宏觀限制從而進(jìn)入微觀領(lǐng)域，從室外到室內(nèi)實現(xiàn)精細(xì)化管理。GIS獨有的空間分析功能拓展了BIM的應(yīng)用領(lǐng)域，BIM與三維GIS的結(jié)合使查詢與分析、宏觀與微觀以及室內(nèi)外一體化的地理空間信息功能得以實現(xiàn)。GIS發(fā)揮了的空間分析和位置服務(wù)的功能，與BIM融合在水利工程中會產(chǎn)生無限的應(yīng)用可能(見圖1)。

圖1 BIM+GIS圖

1 BIM簡介

作為建筑界最新出現(xiàn)的一項技術(shù)，建筑信息模型來源于三維數(shù)字技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用到建筑工程當(dāng)中，以有效解決工程軟件描述當(dāng)中存在的問題，幫助設(shè)計人員準(zhǔn)確判斷各種建筑信息，提高項目的運行效率，降低項目出現(xiàn)問題的可能。BIM可以收納項目當(dāng)中的多種數(shù)據(jù)模型。因此，設(shè)計人員可以從BIM當(dāng)中直接了解到與項目相關(guān)的信息。它可以被使用到項目的建造設(shè)計和管理當(dāng)中，提高項目運行效率，降低風(fēng)險產(chǎn)生的可能性，而且還可以使整個項目處于一種集成化管理的環(huán)境當(dāng)中，突破傳統(tǒng)的粗糙管理的限制，幫助建筑行業(yè)逐漸走向高效化和信息化，提高工程的集成程度。該模型與水利工程的結(jié)合，不但是水利工程的質(zhì)量和效率得到了明顯的提高，而且還降低了整個項目的運行成本。BIM當(dāng)中有行為模型和數(shù)據(jù)模型2種，數(shù)據(jù)模型主要與項目的幾何圖形和數(shù)據(jù)相關(guān)，而行為模型則是管理當(dāng)中所構(gòu)建的模型，二者的結(jié)合可以在虛擬世界中模擬真實世界。當(dāng)前BIM已經(jīng)被軟件開發(fā)商和學(xué)術(shù)界高度重視，許多先進(jìn)的建筑設(shè)計軟件都是在BIM的基礎(chǔ)上研發(fā)而來，而且它還可以幫助建筑工程實現(xiàn)全周期的集成管理。設(shè)計人員使用BIM建立模型，可以突破外掛和仿真軟件的限制，直接觀察到項目的結(jié)構(gòu)、施工進(jìn)度等，解決設(shè)計過程中常出現(xiàn)的一些問題。BIM構(gòu)建的建筑模型特征主要有以下幾點：

(1) 每個組件的更改會統(tǒng)一更動，展現(xiàn)于各個視圖中。

(2) 使程序可識別對象，且參數(shù)化規(guī)則可以更加智能化操控對象。

(3) 使用數(shù)字化方式呈現(xiàn)的建筑組件具有可計算的圖形和數(shù)據(jù)屬性。

(4) 用戶可以將自己的經(jīng)驗與數(shù)據(jù)結(jié)合起來，對工作流程進(jìn)行分析，提高分析效率。

2 三維GIS簡介

作為一種特定的空間信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information Systen，GIS)又被叫做地學(xué)信息系統(tǒng)或者資源與環(huán)境信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助電子計算機(jī)的軟件和硬件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、管理、運行、儲存、顯示和描述操作。這些數(shù)據(jù)描述的是部分或整個地球表層空間的地理分布情況。三維GIS最基本的能力是空間數(shù)據(jù)處理，例如數(shù)據(jù)表現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)操縱和數(shù)據(jù)獲取。因此，它可以直觀地展現(xiàn)出空間信息的具體情況。作為三維GIS的基礎(chǔ)，二維GIS只能利用圖形化的形式對空間信息進(jìn)行表達(dá)，因此它具有專業(yè)人員的局限性。三維GIS平臺可以展現(xiàn)更加的豐富多彩，普通用戶也可以通過可視化和直觀化的三維圖像了解抽象的空間信息，而三維GIS與計算機(jī)軟件和硬件的結(jié)合進(jìn)一步拓展了三維GIS的應(yīng)用范圍。此外，工作人員研發(fā)的投影設(shè)備工作站也提高了三維GIS的展示效果。

3 BIM與三維GIS結(jié)合前景

BIM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)和模型兩部分組成，其中參數(shù)包括運維施工和設(shè)計參數(shù)?？臻g數(shù)據(jù)模型和三維GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大致相同，包含空間位置、形狀、外觀等，在信息管理和空間分析方面有重疊功能，其涵蓋了BIM的數(shù)據(jù)對象、三維模型數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。因此，BIM和三維GIS結(jié)合應(yīng)用的前景十分廣闊，會創(chuàng)造無限的可能性。

(1) 從宏觀與微觀角度。一方面，BIM可以被貫徹使用到建筑的施工運行維護(hù)設(shè)計等全過程，但是它必須與周邊宏觀地理環(huán)境相結(jié)合，而三維GIS就反映的是宏觀的地理環(huán)境，它可以通過空間分析和查詢功能為 BIM提供決策支持，所以 BIM需要三維GIS的輔助；另一方面， BIM可以滿足三維GIS的需求，彌補(bǔ)三維GIS在微觀領(lǐng)域的欠缺，輔助GIS進(jìn)行查詢和分析，所以GIS對BIM也有很大需求。

(2) 從室內(nèi)室外角度，BIM可以彌補(bǔ)三維GIS在微觀領(lǐng)域的欠缺，三維GIS與BIM數(shù)據(jù)相結(jié)合之后，可以對室內(nèi)室外進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)精細(xì)化操作。

4 BIM與三維GIS結(jié)合的應(yīng)用

4.1 水利水電行業(yè)數(shù)字化管理應(yīng)用

“十二五”科技支撐計劃中提出解決“數(shù)字流域”關(guān)鍵技術(shù)，目標(biāo)是實現(xiàn)水利水電行業(yè)數(shù)字化、信息化、智慧化，對流域內(nèi)的水能開發(fā)涉及的自然環(huán)境、生產(chǎn)管理、工程設(shè)備等實現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化集成管理。因為流域水能資源開發(fā)涉及的管理面廣、內(nèi)容繁多，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須要有先進(jìn)技術(shù)手段做保障?；贐IM和三維GIS，再結(jié)合其他先進(jìn)信息采集技術(shù)，可以獲取流域的社會經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)管理、自然環(huán)境、工程設(shè)備及運行等過程的數(shù)據(jù)，集成管理全流域、全業(yè)務(wù)、全層級數(shù)據(jù)，并在三維GIS平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源和流域環(huán)境的可視化綜合展現(xiàn)、決策會商等功能。

首先，當(dāng)前許多企業(yè)已經(jīng)開展云平臺技術(shù)、集群技術(shù)、計算資源虛擬化技術(shù)等相關(guān)方面的研究，構(gòu)建了完整的數(shù)字管理平臺。該平臺可以將企業(yè)的各種業(yè)務(wù)進(jìn)行一體化的應(yīng)用，完善各個領(lǐng)域當(dāng)中的數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)字化管理。利用衛(wèi)星、航測、衛(wèi)星定位、無線通信、智能傳感器、射頻識別等智能采集技術(shù)，探索構(gòu)建完整的流域水電全生命周期信息獲取技術(shù)體系，實現(xiàn)了流域水電工程全生命周期信息采集的實時性、準(zhǔn)確性和高效性。

4.2 三維空間分析應(yīng)用

三維空間分析基于GIS的空間分析功能，與BIM進(jìn)行結(jié)合后，可以實現(xiàn)包括通視分析、可視區(qū)域分析、日照分析、視頻投放以及Box裁剪等應(yīng)用。

4.3 BIM模型獲取剖面應(yīng)用

通過獲取BIM模型的剖面，包括縱斷面和橫斷面，將三維數(shù)據(jù)降維成二維數(shù)據(jù)。同時，與BIM模型保持全部相同屬性的信息以二維數(shù)據(jù)形式被記錄。

4.4 BIM模型與大場景地形的匹配應(yīng)用

通過使用插件提供的投影和插入點導(dǎo)出方式，可以把BIM模型放在某大地坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行分析。對應(yīng)用范圍較大的BIM模型和精度較高的使用場景，可以與地形影像進(jìn)行空間匹配。

4.5 其他水利工程中的應(yīng)用

面積、距離、高程量的計算；重點結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，如高溫、高壓、材料統(tǒng)計、成本預(yù)算、上報施工安全與質(zhì)量管理隱患、施工進(jìn)度模擬、動態(tài)模擬施工過程等。

5 BIM與三維GIS結(jié)合應(yīng)用的問題

5.1 數(shù)據(jù)匹配與對接

當(dāng)前國內(nèi)外BIM的研究越來越多。因此，已出現(xiàn)了眾多的 BIM軟件與之相對應(yīng)的BIM文件格式，以下將論述幾種常見的 BIM文件格式：

(1) RVT：AutodeskRevit軟件使用的BIM數(shù)據(jù)格式，還包括：RFA、ADSK等格式；

(2) DGN：Bentley公司開發(fā)的支持其Microstation系列產(chǎn)品的數(shù)據(jù)格式；

(3) CATPart：CATIA軟件的數(shù)據(jù)格式，還包括：CATProduct、CATdrawing等格式。

GIS平臺如何接入BIM數(shù)據(jù)也是難題。BIM軟件是BIM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，像Revit的rvt文件本身不帶貼圖，于Revit安裝目錄的材質(zhì)庫中存在，Revit數(shù)據(jù)的完整信息要想被讀取，必須依賴Revit軟件本身。目前，基于BIM到GIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換插件或工具是讀取BIM數(shù)據(jù)最現(xiàn)實的方法，BIM數(shù)據(jù)通過BIM軟件庫的原生支撐轉(zhuǎn)換到GIS數(shù)據(jù)庫。因此，必須開發(fā)與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)化或插件工具，將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)變?yōu)?BIM模型，并且將其指定地點進(jìn)行保存，完成數(shù)據(jù)的導(dǎo)出工作。

5.2 BIM模型在GIS平臺的表現(xiàn)形式

首先，如果解決了在GIS平臺表示BIM模型的難題，BIM模型的查詢、分析及統(tǒng)計等功能就可以被實現(xiàn)。GIS要從室外走向室內(nèi)，室內(nèi)數(shù)據(jù)可以通過BIM獲取。其次，BIM模型不僅是表面模型，還具備完善的閉合性及拓?fù)渫暾?。因此，這樣的建筑可以用三維體對象模型來表述。BIM模型統(tǒng)一到三維體對象模型，被三角化后可以進(jìn)化三維空間運算和三維空間關(guān)系判斷，并且支持多種三維空間分析、面積和體積計算、構(gòu)建三維緩沖區(qū)等，為制定城市設(shè)計規(guī)則提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

5.3 BIM鏈接網(wǎng)絡(luò)在三維GIS中的實現(xiàn)

GIS空間數(shù)據(jù)模型包括二維和三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。三維網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)能夠表示諸如管線、管廊、道路等數(shù)據(jù)之間的連接拓?fù)潢P(guān)系。而BIM的應(yīng)用對象往往是單體建筑，如地下鐵路、隧道、管線、港口等規(guī)模比較大的區(qū)域性對象，則需要三維GIS來實現(xiàn)，BIM單體之間的鏈接網(wǎng)絡(luò)通過三維網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)表示，比如管線數(shù)據(jù)，可以提取出帶拓?fù)溥B接關(guān)系的線對象和三維點，構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。

這樣各種復(fù)雜的實際工程領(lǐng)域中就可以應(yīng)用BIM模型。例如，引水線路網(wǎng)絡(luò)分析，若某一干渠的一段暗渠發(fā)生了破損，可以根據(jù)三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的拓?fù)潢P(guān)系明確該關(guān)閉哪些閘門，哪些支渠受到了影響，從而及時、快速的解決問題，免得產(chǎn)生不必要的水資源浪費。

5.4 三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

BIM一般采用獨立坐標(biāo)系，但是GIS數(shù)據(jù)來源的采集方式眾多，導(dǎo)致采用的坐標(biāo)成果也存在諸多差異。不同坐標(biāo)系無法匹配是BIM與GIS集成應(yīng)用面臨的問題之一。GIS可以進(jìn)行不同坐標(biāo)系之前的轉(zhuǎn)換，而且點、線、面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換已經(jīng)十分成熟，但怎么把轉(zhuǎn)換能力應(yīng)用到三維模型數(shù)據(jù)中，對GIS平臺來說也是新的挑戰(zhàn)。

5.5 BIM與多源數(shù)據(jù)的匹配

GIS集成了海量多源數(shù)據(jù)，比如地形影像、激光點云、地下管線、精細(xì)模型、水面數(shù)據(jù)等。如何使BIM與多源數(shù)據(jù)融合匹配去提高數(shù)據(jù)的利用價值，是BIM和GIS應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。

通過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將BIM模型與傾斜攝影模型和地形等數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系，實現(xiàn)各種信息對齊。再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和操作，進(jìn)行諸如鑲嵌、裁剪、壓平等操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)紋理拼接自然和平滑銜?？梢赃M(jìn)行BIM與多源數(shù)據(jù)的融合匹配。

5.6 三維空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

BIM與GIS結(jié)合雖然得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但沒有統(tǒng)一的規(guī)范和三維空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，三維空間數(shù)據(jù)的開放共享和互操作是難點，使得BIM與GIS結(jié)合的深入應(yīng)用受到制約。國內(nèi)外先后推出了眾多的數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)，如3DTiles、I3S、S3M等。這些格式和標(biāo)準(zhǔn)的推出，推動了三維數(shù)據(jù)的開放共享和標(biāo)準(zhǔn)化。

6 BIM與三維GIS結(jié)合應(yīng)用的解決方法

以一幢樓的建筑數(shù)據(jù)為例，如果用Revit軟件打開，會有至少6 000多個圖元類別，其中每個圖元又包含了非常多的屬性信息，所以要想滿足大體量數(shù)據(jù)的性能，就需要采用性能優(yōu)化技術(shù)來實現(xiàn)。目前軟件開發(fā)商提到的技術(shù)有以下3種方法。

6.1 實例化方法

重復(fù)模型較多的情況適用于該技術(shù)，相同的幾何模型只繪制1次，這樣就可以降低硬件和顯卡等設(shè)備的壓力。

6.2 模型輕量化方法

精簡或刪除模型中的一些骨架。比如:1扇窗戶、三角面和頂點數(shù)分別近上千，但是把手、卡扣占將近1/2的數(shù)據(jù)量，那么1幢樓或者1個小區(qū)內(nèi)窗戶的數(shù)量就非常多，但對于GIS來說這些部件卻沒有可用的價值，所以刪除或者精簡這些骨架就可以達(dá)到模型輕量化的目的。

6.3 生成BIM緩存方法

通過設(shè)置參數(shù)，生成需要的格式的緩存數(shù)據(jù)。按照BIM模型的族在插件導(dǎo)出時進(jìn)行分類并存儲在數(shù)據(jù)集中，生成緩存后就可以單獨調(diào)整圖層的LOD縮放比例系數(shù)，保證大場景的性能。

7 結(jié) 語

近年來，BIM徹底改變了建筑項目的設(shè)計、建設(shè)以及運維方式，也由“以建模為主”的BIM1.0跨向“以多維度數(shù)據(jù)應(yīng)用”的BIM2.0。BIM結(jié)合三維GIS是BIM多維度應(yīng)用的重要方向之一，三維GIS特有的宏觀地理環(huán)境基礎(chǔ)和專業(yè)的空間分析查詢能力使BIM的價值逐漸被深度挖掘。與此同時，三維GIS技術(shù)也越來越成熟，國內(nèi)有些公司研究出的專業(yè)三維GIS基于云端一體化技術(shù)體系為BIM提供“云+端”的應(yīng)用技術(shù)，使BIM輕量化運維情景下的管理及技術(shù)問題被解決。二維、三維一體化技術(shù)的發(fā)展帶動了GIS空間分析能力和炫麗三維可視化效果的發(fā)展，為 BIM與GIS的結(jié)合提供了更多基礎(chǔ)。

GIS可以整合建筑物外部的環(huán)境， BIM則貫徹于建筑物生命的各個周期。BIM和三維GIS雖然身處不同的行業(yè)領(lǐng)域，但二者實質(zhì)上可以互補(bǔ)。實際應(yīng)用中，GIS提供空間參考，BIM則提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，兩者結(jié)合后應(yīng)用將會非常廣泛。BIM開拓三維GIS的應(yīng)用領(lǐng)域，BIM全生命周期的管理也需要GIS的參與，將GIS從宏觀領(lǐng)域帶入微觀領(lǐng)域。

現(xiàn)有的軟件平臺僅提供基礎(chǔ)功能，需要做二次開發(fā)來實現(xiàn)特定的功能，二者的結(jié)合也會為建設(shè)多要素，全周期的水利數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)貢獻(xiàn)巨大的力量。