BIM與三維GIS集成在水利工程中的應(yīng)用

朱春光， 王義坤， 祁仰旭， 王文仲

(南京市長江河道管理處， 江蘇 南京 210011)

水利工程建設(shè)涉及地理環(huán)境、地質(zhì)條件、交通、經(jīng)濟(jì)等多方面，需要復(fù)雜且龐大的數(shù)據(jù)支持，傳統(tǒng)的二位CAD設(shè)計圖難以充分利用多源數(shù)據(jù)，無法直觀展示設(shè)計方案，制約了設(shè)計效率的提高。信息技術(shù)的發(fā)展為水利行業(yè)提供了新的技術(shù)手段，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠?qū)误w建筑進(jìn)行三維數(shù)字化建模[1]。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)因其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)展示、管理和分析能力，也逐漸被應(yīng)用于水利行業(yè)的規(guī)劃建設(shè)工作中；而逐漸發(fā)展起來的BIM與GIS集成技術(shù)，能夠構(gòu)建水利工程及其所處地理環(huán)境的三維可視化模型并實現(xiàn)工程項目的信息化管理[2]。目前，中國的水利行業(yè)處于從傳統(tǒng)向現(xiàn)代化、信息化轉(zhuǎn)型的時代，BIM和三維GIS集成技術(shù)是水利工程信息化建設(shè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 BIM與GIS簡介

1.1 BIM及GIS特征

BIM是一個工程項目物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)。BIM能夠呈現(xiàn)建筑工程的三維數(shù)字模型并整合項目全生命周期各個階段(包括設(shè)計、施工和運(yùn)維)的信息。當(dāng)前BIM技術(shù)已在建筑工程領(lǐng)域得到一定的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的設(shè)計和施工運(yùn)營單位開始利用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑工程的精細(xì)化設(shè)計和信息管理，但我國水利行業(yè)的BIM應(yīng)用尚處于起步階段。

GIS是在計算機(jī)硬軟件支持下對地球表面空間信息進(jìn)行采集、存儲、管理、分析和顯示的信息系統(tǒng)，三維GIS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)地球表面三維模型構(gòu)建，展現(xiàn)建筑工程的地理環(huán)境及外觀。當(dāng)前，GIS技術(shù)因其強(qiáng)大的空間分析和三維可視化功能已在大型基礎(chǔ)設(shè)施工程中得到廣泛應(yīng)用。IFC(Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎(chǔ)類)與CityGML(City Geography Markup Language，城市地理標(biāo)記語言)的區(qū)別見表1。

表1 IFC與CityGML的區(qū)別

BIM模型包含了豐富的建筑物微觀層面的數(shù)據(jù)，它側(cè)重建筑本身的幾何特征、空間結(jié)構(gòu)模型以及屬性信息的管理，但基于BIM技術(shù)開發(fā)的軟件無法加載大范圍的地理空間數(shù)據(jù)，而GIS能夠從宏觀上提供地理空間數(shù)據(jù)，它側(cè)重建筑物外部的地理環(huán)境信息的顯示和分析，但不包含建筑物內(nèi)部信息。因此，BIM與GIS恰是一種互補(bǔ)關(guān)系，二者融合可以同時展示宏觀和微觀數(shù)據(jù)，運(yùn)用在水利工程中將能夠使工程的規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)管理實現(xiàn)數(shù)字化、信息化和精細(xì)化[3-4]。

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式

BIM技術(shù)和GIS 技術(shù)是分別針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計的，二者數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，其幾何表達(dá)和語義描述存在較大差別。BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式為IFC，它包含了建筑模型的幾何屬性以及拓?fù)潢P(guān)系等所有相關(guān)信息。GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式為CityGML，它描述了地物的幾何、拓?fù)?、語義、外觀等方面的屬性，且通過5個細(xì)節(jié)層次(LOD0～LOD4)實現(xiàn)不同尺度的模型表達(dá)。

2 BIM與GIS集成方法

將BIM和三維GIS進(jìn)行集成，最終在同一個三維模型上顯示空間和地理信息，涉及集成模式和數(shù)據(jù)集成方法的選擇。

2.1 系統(tǒng)集成模式

BIM與GIS的集成通?？梢赃x擇在GIS應(yīng)用中集成BIM功能或在BIM應(yīng)用中集成GIS功能。前者是基于GIS平臺進(jìn)行二次開發(fā)，將BIM模型和相應(yīng)的功能如碰撞檢測、成本管理、進(jìn)度控制等集成到GIS平臺中，同時也能夠延伸出GIS與BIM集成模型的新功能，如建筑物內(nèi)部的定位導(dǎo)航；后者即在BIM系統(tǒng)中集成GIS模型并開發(fā)相應(yīng)功能，如規(guī)劃選址、定位等。

此外，BIM與GIS深度集成也是一種選擇，即不借助BIM或GIS平臺，開發(fā)全新的系統(tǒng)實現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)和功能的集成，此開發(fā)工作量過大，但能夠?qū)崿F(xiàn)功能的高度定制。

2.2 數(shù)據(jù)集成方法

實現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)的集成一般考慮利用數(shù)據(jù)接口集成或數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)融合兩種方式。

利用數(shù)據(jù)接口集成是松散型的集成，即BIM與GIS系統(tǒng)和數(shù)據(jù)仍各自獨(dú)立，只需通過開發(fā)特定的接口將BIM和GIS的數(shù)據(jù)及功能集成到目標(biāo)系統(tǒng)之中，該接口可以是數(shù)據(jù)庫接口、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)數(shù)據(jù)接口或軟件的開放性數(shù)據(jù)接口。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)融合則需通過不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)之間的映射和轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成。對于BIM和GIS數(shù)據(jù)的集成來說，由于CityGML能夠表現(xiàn)更加豐富的紋理貼圖，因此較為常見的做法是基于幾何信息過濾和語義映射實現(xiàn)IFC向CityGML的轉(zhuǎn)換。

2.2.1 幾何信息過濾

IFC標(biāo)準(zhǔn)中包含眾多實體類型，但對于水利工程建筑來說，并不是所有類型都能夠或有必要映射到CityGML標(biāo)準(zhǔn)中，幾何信息過濾的核心即在于確定需要保留的信息類型，實現(xiàn)水利BIM模型的輕量化。

2.2.2 語義映射

語義映射是將IFC轉(zhuǎn)換為CityGML的直接手段，但由于CityGML的5個LOD層級表示的信息精度不同，IFC需通過一對一、一對多以及間接映射等不同的方式映射到CityGML框架中。

3 水利工程建設(shè)管理BIM與GIS集成系統(tǒng)

目前常見的BIM與GIS集成的應(yīng)用系統(tǒng)大多基于三維GIS平臺進(jìn)行二次開發(fā)，集成BIM模型，并結(jié)合用戶的需求定制相應(yīng)的功能，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 集成系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計階段的應(yīng)用

在規(guī)劃階段，GIS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真實地形三維建模，直觀地展現(xiàn)水工建筑物與周邊環(huán)境的空間關(guān)系和數(shù)據(jù)情況，同時可基于空間分析功能實現(xiàn)工程的自動選址。

在設(shè)計階段，基于GIS技術(shù)可實現(xiàn)土方計算、縱橫斷面繪制等設(shè)計與計算功能，可利用BIM三維參數(shù)化設(shè)計模型直觀生動地表達(dá)出水工建筑物的各部分細(xì)節(jié)，同時能夠提供碰撞檢測的功能，結(jié)合GIS與BIM，集成模型還能夠仿真模擬洪水淹沒情景并實現(xiàn)預(yù)警和演練。

3.2 集成系統(tǒng)在施工建設(shè)階段的應(yīng)用

施工階段BIM技術(shù)發(fā)揮主要作用，可融入時間進(jìn)度信息、資源管理信息和成本造價信息等實現(xiàn)施工進(jìn)度設(shè)計和管控。對于大型的水利樞紐工程，BIM與GIS集成系統(tǒng)可開展全范圍的工程管理，實現(xiàn)對項目施工建設(shè)的綜合把握[5]。

3.3 集成系統(tǒng)在運(yùn)行管理階段的應(yīng)用

工程建設(shè)完成后，最終形成的竣工模型包含了項目整體的空間三維模型和建筑三維模型，從圖3可以看出在后續(xù)運(yùn)維管理過程中，GIS可以提供覆蓋整個項目區(qū)域的三維可視化模型，而BIM 則包含了水利建筑、機(jī)電設(shè)備、閘門等實體三維模型和屬性信息，為水利工程維護(hù)管理提供了直觀的信息和輔助決策的依據(jù)。

4 結(jié) 語

BIM與GIS的結(jié)合，彌補(bǔ)了其各自在水利工程建設(shè)和管理領(lǐng)域的不足，使實現(xiàn)水利工程信息的數(shù)字化管理與應(yīng)用、項目高效實施、管理與運(yùn)營成為可能。目前BIM與GIS的集成技術(shù)在水利工程方面的應(yīng)用，在理論框架研究的基礎(chǔ)上已有一些實踐，但由于集成系統(tǒng)開發(fā)復(fù)雜，BIM與GIS模型在格式轉(zhuǎn)換中仍存在數(shù)據(jù)丟失等情況，尚需進(jìn)一步在實踐改進(jìn)，IFC與CityGML數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換工具的發(fā)展和BIM+GIS集成平臺的發(fā)展都將進(jìn)一步推動水利信息化、智能化進(jìn)程。