BIM數(shù)據(jù)的解析與可視化研究

張振偉

摘 要：三維建筑信息模型（BIM）能夠利用數(shù)字信息來(lái)描述建筑物所擁有的真實(shí)信息，精細(xì)、專(zhuān)業(yè)是其最大的優(yōu)勢(shì)。而傳統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)（GIS）更多地偏向于研究宏觀的三維地域場(chǎng)景。近年來(lái)，BIM與GIS逐步演變?yōu)橐环N互補(bǔ)的干系，BIM用來(lái)整合和管理建筑物本身的所有階段信息，GIS則集成及管理建筑外部宏觀環(huán)境信息。對(duì)此，本文提出一種聯(lián)系桌面端GIS軟件和工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（IFC）的BIM數(shù)據(jù)可視化的研究方法。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);三維可視化;ifcplusplus;IFC標(biāo)準(zhǔn);BIM+GIS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0031-03

Abstract： The three-dimensional building information model （BIM） can use digital information to describe the real information of the building， and its greatest advantage is precision and professionalism. The traditional 3D geographic information system （GIS） is more inclined to study the macroscopic 3D geographic scenes. In recent years， BIM and GIS have gradually evolved into a complementary relationship， BIM is used to integrate and manage all phases of the building itself， while GIS integrates and manages the external macro environment information of the building. In this regard， this paper proposed a research method of BIM data visualization linking desktop GIS software and industry foundation clas （IFC）.

Keywords： BIM technology;three-dimensional visualization;ifcplusplus;IFC standard;BIM+GIS

三維建筑信息模型（BIM）是在建筑工程有關(guān)項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，BIM能夠利用數(shù)字信息來(lái)描述建筑物所擁有的真實(shí)信息，精細(xì)、專(zhuān)業(yè)是其最大的優(yōu)勢(shì)[1]。BIM一向側(cè)重于表達(dá)與實(shí)現(xiàn)微觀建筑構(gòu)件以及建筑物內(nèi)部的精細(xì)模型，而傳統(tǒng)的三維GIS更多地傾向于研究宏觀的三維地域場(chǎng)景，而且能夠在大型宏觀地域環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)、處理和分析[2]。

近年來(lái)，BIM與三維GIS優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比以及BIM和三維GIS集成引發(fā)了人們激烈的探討。從BIM領(lǐng)域來(lái)講，GIS能夠?qū)暧^的大型三維場(chǎng)景空間數(shù)據(jù)開(kāi)展各類(lèi)空間查詢操作并且進(jìn)行相應(yīng)的空間分析，為BIM做出決策支持;而對(duì)于GIS來(lái)說(shuō)，BIM模型可以被看作GIS領(lǐng)域的一個(gè)非常必要的數(shù)據(jù)來(lái)源，使得GIS在表達(dá)宏觀場(chǎng)景的同時(shí)涉及微觀領(lǐng)域，對(duì)建筑的精細(xì)構(gòu)件進(jìn)行描述和管理[3]。

由于BIM與三維GIS行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接并且具備優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)，因此業(yè)界相關(guān)人士紛紛看好兩者的集成應(yīng)用。但是，BIM與GIS的集成依舊存在諸多挑戰(zhàn)和亟待解決的問(wèn)題，例如，不同的行業(yè)領(lǐng)域簡(jiǎn)單地把多種軟件模型格式轉(zhuǎn)換會(huì)造成BIM語(yǔ)義信息部分缺失而難以實(shí)現(xiàn)全面共享的目標(biāo)[4]。一種軟件對(duì)于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的支持本質(zhì)上就是支持對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，IFC標(biāo)準(zhǔn)是BIM行業(yè)中重要的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)[5]，包含豐富的建筑構(gòu)件的語(yǔ)義屬性信息。

1 IFC架構(gòu)概述

1.1 IFC簡(jiǎn)介

IFC是BIM數(shù)據(jù)的公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)，是由國(guó)際協(xié)同工作聯(lián)盟（IAI）建立的主流標(biāo)準(zhǔn)名稱。IFC的目標(biāo)和歸宿是規(guī)定和達(dá)成一個(gè)基于對(duì)象的用于對(duì)信息進(jìn)行共享的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它可以容納幾何、計(jì)算、設(shè)備管理和工程造價(jià)等數(shù)據(jù)，也能成為建筑領(lǐng)域、電氣暖通、地形結(jié)構(gòu)等行業(yè)的數(shù)據(jù)來(lái)源。

采取IFC標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)成為解決軟件協(xié)同問(wèn)題的重要途徑，基于建筑模型的數(shù)據(jù)信息協(xié)同將要向利用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變[6]。

1.2 IFC總體架構(gòu)

IFC標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次，自下向上由資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、共享層（Interoperability Layer）和領(lǐng)域?qū)樱―omain Layer）四個(gè)層次組成[7]。

2 IFC文件信息分析

2.1 文件屬性及屬性集

IFC文件中所有實(shí)體本身的信息都是通過(guò)屬性來(lái)描述的，IFC文件的屬性由直接屬性、導(dǎo)出屬性和反屬性三部分組成[8]。屬性集是屬性的集合。

2.1.1 靜態(tài)屬性集。靜態(tài)屬性集以IFC實(shí)體的方式定義，其屬性以IfcSchema的方式靜態(tài)地定義在屬性集中，如IfcDoorLiningProperties、IfcDoorPanelProperties、IfcSoundProperties等[9]。

2.1.2 動(dòng)態(tài)屬性集。動(dòng)態(tài)屬性集在IfcPropertySet中進(jìn)行表示，可以把它當(dāng)作是一個(gè)裝載屬性以及屬性信息的載體，而IfcProperty則用來(lái)說(shuō)明表達(dá)具體的屬性信息。

2.2 IFC文件幾何表示

IFC文件中的幾何表示主要由Ifc Building Element提供。IfcLocalPlacement用來(lái)描述構(gòu)件的相對(duì)空間位置，而IfcProductDefinitionShape用于定義幾何形狀，主要是在局部坐標(biāo)系中。

2.3 IFC構(gòu)件的位置信息

在IFC標(biāo)準(zhǔn)里，通常采用相對(duì)坐標(biāo)系對(duì)構(gòu)件進(jìn)行位置的確定。例如，人們用Object Placement來(lái)描述一根立柱（IfcColumn）位置的相關(guān)信息。而PlacementRelT和Relative Placement兩部分構(gòu)成了Object Placement。

2.3.1 PlacementRelTo。PlacementRelTo指的是參考坐標(biāo)系，Column的參考坐標(biāo)系也就是高樓IfcBuidlingStorey所在的坐標(biāo)系，IfcBuidlingStorey以IfcBuilding所在的坐標(biāo)系為參考，IfcBuilding以IfcSite所在的坐標(biāo)系為參考，IfcSite定義的是整體坐標(biāo)系，沒(méi)有參考坐標(biāo)系[10]。

2.3.2 Relative Placement。Relative Placement是指坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在相對(duì)坐標(biāo)系內(nèi)完成。

假如坐標(biāo)系擁有多層參考，那么就需要在規(guī)定每一個(gè)構(gòu)件層次邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上獲取每一個(gè)構(gòu)件的絕對(duì)坐標(biāo)信息，所采用的方法是逐級(jí)檢索。

3 三維可視化

3.1 ifcplusplus概述

ifcplusplus是一個(gè)能夠用來(lái)讀取IFC文件的C++類(lèi)模型，這種IFC文件遵循產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范（STEP）標(biāo)準(zhǔn)。

在ifcplusplus和OSG的基礎(chǔ)上，人們可以搭建平臺(tái)來(lái)展示IFC模型，其間需要安裝boost庫(kù)、OSG以及OSG依賴的第三方庫(kù)。

3.2 OSG概述

OSG是一個(gè)開(kāi)源的高性能3D圖形工具包，位于底層渲染API（OpenGL）和3D應(yīng)用程序的中間層[11]，OSG引擎由一系列與圖形學(xué)相關(guān)的功能模塊組成，它的作用在于為圖形圖像應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供場(chǎng)景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能[12]。

3.3 ifcplusplus讀取文件

IFC標(biāo)準(zhǔn)使用EXPRESS語(yǔ)言描述三維建筑信息模型數(shù)據(jù)，EXPRESS語(yǔ)言在STEP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中被定義。ifcplusplus讀取STEP的流程如圖1所示。

3.4 BIM數(shù)據(jù)可視化實(shí)踐

VBF軟件是基于地理信息系統(tǒng)而研發(fā)的地理大數(shù)據(jù)可視化軟件，具有多維度、高仿真、立體直觀的效果。它主要應(yīng)用于時(shí)空數(shù)據(jù)可視化、空間大數(shù)據(jù)分析可視化以及地表環(huán)境模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空信息從全球到微觀尺度的一體化表達(dá)、信息查詢、量算分析、仿真與推演等功能。

在VBF平臺(tái)中，對(duì)IFC文件的讀取經(jīng)歷獲取路徑、獲取數(shù)據(jù)、幾何轉(zhuǎn)換、加載到三維球體上等步驟。部分代碼如下：

4 結(jié)語(yǔ)

本文立足于BIM+GIS的發(fā)展需求，探討了對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并且基于GIS平臺(tái)的可視化的必要性以及實(shí)現(xiàn)的可能性。對(duì)于BIM數(shù)據(jù)的深層解析、ifcplusplus工作原理以及三維可視化的探索仍有漫長(zhǎng)的道路要走。

參考文獻(xiàn)：

[1]王婷，肖莉萍.國(guó)內(nèi)外BIM標(biāo)準(zhǔn)綜述與探討[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2014（5）：108-111.

[2]劉陽(yáng)，李欣.3D GIS中空間數(shù)據(jù)可視化的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006（6）：1090-1092.

[3]周鳳，高平，伊爽.BIM與GIS集成3D可視化校園項(xiàng)目空間管理研究[J].項(xiàng)目管理技術(shù)，2017（6）：90-96.

[4]徐照，徐夏炎，李啟明，等.基于WebGL與ifc的建筑信息模型可視化分析方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（2）：444-449.

[5]危雙豐，王月琴，張建廣，等.ifc深入解析及三維可視化[J].工程勘察，2018（2）：41-45.

[6]馬志明，李嚴(yán)，李勝波.ifc架構(gòu)及模型構(gòu)成分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014（11）：114-118.

[7]劉尚蔚，推曉偉，魏群.基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM信息互用研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（6）：52-56.

[8]李碩.基于BIM的水電站三維結(jié)構(gòu)模型可視化設(shè)計(jì)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2018：18-19.

[9]周洪波，施平望，鄧雪原.基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM構(gòu)件庫(kù)研究[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2017（4）：589-595.

[10]陳遠(yuǎn)，逯瑤.基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM模型空間結(jié)構(gòu)組成與程序解析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2018（4）：162-167.

[11]項(xiàng)杰，靳媛媛，李?lèi)?ài)光.OSG中三維場(chǎng)景構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)[J].地理空間信息，2012（1）：43-45.

[12]韓哲，劉玉明，管文艷，等.osgEarth在三維GIS開(kāi)發(fā)中的研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2017（2）：14-21.