基于BIM+GIS的地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系研究

劉曉玉 北京京能建設集團有限公司助理工程師

張丹丹 北京京能建設集團有限公司助理工程師

于騰龍 北京京能建設集團有限公司助理工程師

張 晨 北京京能建設集團有限公司助理工程師

王云生 北京京能建設集團有限公司助理工程師

近年來，發(fā)達國家在BIM 和3D GIS底層技術上取得了顯著的成就，工程項目及地理信息三維技術得到了大幅度提升。因國外的管理體制和方法存在限制，目前在成系統(tǒng)的全局應用方面非常不足，導致全管網(wǎng)或者全區(qū)域應用水平遠遠落后，使得BIM+GIS 的技術優(yōu)勢在生產中無法充分發(fā)揮。

技術的發(fā)展，特別是新型智慧城市的提出，給地下熱力管網(wǎng)的可視化系統(tǒng)建設帶來了新的契機，為地下熱力管網(wǎng)逆向建模技術、熱力管網(wǎng)實體BIM 模型與周圍環(huán)境GIS 模型融合技術，以及基于現(xiàn)場實物的虛擬仿真信息呈現(xiàn)技術的研發(fā)提供一個首要條件，這對熱力管網(wǎng)的新技術應用提出了更高的要求。無論是對于熱力管網(wǎng)項目立項、建設和運營維護，還是公司和用戶效益，地下熱力管網(wǎng)逆向工程GIS+BIM 數(shù)字化技術體系的研究具有極其重要的意義。

目前，融合技術大體可以分為兩大類：一類是BIM 整合GIS 技術，BIM 將GIS 引入了微觀領域，拓展了三維GIS的應用領域；一類是GIS 整合BIM 技術，GIS 將BIM 引入了宏觀領域，拓展了三維BIM 的應用領域。BIM 與GIS 更傾向于一種互補的關系，BIM 是用來整合和管理建筑物本身所有階段的信息，GIS 則是整合及管理建筑及外部環(huán)境信息。其中，GIS 整合BIM 技術是目前最有前途的區(qū)域信息建模技術，它能夠充分利用BIM 的屬性信息的豐富性和GIS的容納性，能達到既廣域展現(xiàn)又信息豐富的效果。

1 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

當前，BIM 和GIS 集成的研究主要集中在兩方面，一是將基礎數(shù)據(jù)模型進行整合，二是對現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式進行集成。前者分析了BIM 與GIS 模型對象各自不同的表達類型，建立了兩者統(tǒng)一的表達模型。例如EI-Mekawy、HIjazi 等人提出建立UBM（統(tǒng)一建筑模型），用于整合IFC（Industry Foundation Classes） 和CityGML（City Geography Markup Language）中的語義類型，這兩種模型是BIM 和三維GIS 領域通用的數(shù)據(jù)模型標準。Isikdag 等人提出了一種基于CityGML 的模型框架，實現(xiàn)BIM模型按City GML LOD 層級分類進行自動化轉換。GeoBIM 和CityGML 的新擴展標準己經(jīng)開始實行，為BIM 模型匯集到GIS 框架搭建起了橋梁。

統(tǒng)一模型中包含了多種幾何表達模式，但針對不同專業(yè)領域中相同對象的理解存在差異，且實施的方法較為復雜，而對象語義標準還需要進一步的研究，因此，該方法在現(xiàn)階段仍有諸多不足。

現(xiàn)階段大部分研究方向主要集中在后者，主要內容為整合不同格式的模型數(shù)據(jù)，如德國卡爾斯魯厄技術大學研發(fā)的IFC Explorer，荷蘭埃因霍溫理工大學研發(fā)的BIM Server 及Autodesk 公司研發(fā)的Navisworks 軟件。其中，IFC Explorer CityGML 致力于對BIM 模型格式IFC 和GIS標準模型格式CityGML 進行無縫化整合，但其難實現(xiàn)兩類標準模型之間的無差別轉換，且目前仍停留在研究較低細節(jié)層次的模型轉換。BIMServer 軟件支持對多種BIM模型結構進行理解與管理，同時可實現(xiàn)BIM到GIS 模型的簡易轉換，但其功能僅限于數(shù)據(jù)管理與轉換，無法實現(xiàn)應用分析。另外，其BIM 和GIS 模型之間的轉換仍然存在轉換后的模型質量差、語義缺失等問題。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

從BIM與GIS集成上的研究應用來講，BIM 與GIS 的集成已經(jīng)開始應用在公路項目、鐵路項目和大型公共設施中。

清華大學團隊基于BIM、GIS 技術以邢汾高速公路項目施工管理為例建立整段項目的宏觀模型、中觀模型、微觀模型，通過將3D 模型與詳細的施工進度與工程信息相關聯(lián)等相關研究，實現(xiàn)多層次的4D 施工管理[1]。

在昆明新機場航站樓項目運維管理中通過BIM與GIS的集成，形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層，包含大型公建筑運維階段中需要的各種數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)層支撐運維管理的各個功能。整體而言，國內對于校園地下管網(wǎng)有一些案例和研究，但更多是停留在軟件系統(tǒng)層面，前端的無圖紙信息采集和后端的信息在工程現(xiàn)場呈現(xiàn)出研究不足。

2 研究內容及重要性

2.1 研究內容

2.1.1 地下熱力管網(wǎng)逆向建模的研究以及GIS+BIM 平臺開發(fā)

本項目主要開展地下熱力管網(wǎng)逆向建模的研究以及GIS+BIM 平臺開發(fā)，同時進行現(xiàn)場基于實物的信息呈現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1.2 復雜條件下地下熱力管網(wǎng)的逆向建模與校核方法體系的開發(fā)與優(yōu)化

依據(jù)地下管網(wǎng)的以往案例創(chuàng)建覆蓋各種構件和附屬構/建筑物的熱力管網(wǎng)工程構件庫，并依托案例項目對地下熱力管網(wǎng)進行各種探測技術研究，基于探測影像資料結合熱力工程構件庫進行地下管網(wǎng)的逆向建模和實體模型比較和校核。

2.1.3 全信息區(qū)域熱力管網(wǎng)與周邊環(huán)境GIS+BIM 數(shù)字化系統(tǒng)的建立

結合上述熱力地下管網(wǎng)，研發(fā)地上各項設施及入戶系統(tǒng)建模方法體系，匯總形成熱力管網(wǎng)主體BIM 模型建模方法體系。研究周圍構筑物、建筑物和地形地貌快速模型創(chuàng)建體系[2]。

結合熱力管網(wǎng)BIM 模型和周邊環(huán)境GIS 模型，可以對多種格式模型進行圖形轉換、語義匹配和屬性承接，形成全信息的熱力管網(wǎng)查詢管理系統(tǒng)。

2.1.4 現(xiàn)場熱力管線隱性信息顯性化方法體系的研究

運用VR、AR 和MR 等多種手段，將全信息模型中的三維模型直接投射或者附著到工程實體上，使工程技術人員能都直接在現(xiàn)場通過實物來調取三維模型，并進行信息查詢。

2.2 研究的重要性

現(xiàn)階段，地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系建設依然會在實踐階段遇到各項問題，影響城市化發(fā)展成效。對此，還需在此方面引起重視，需各職能部門在實踐階段發(fā)揮職責作用，對日常管理階段易出現(xiàn)的問題進行詳細探究，并提出有針對性的解決方案。同時，應用現(xiàn)代化技術手段加大城市信息化建設體系的創(chuàng)建力度，依據(jù)專業(yè)化的管理制度進行嚴謹管控，設置完善的監(jiān)管制度、約束條件等，將各環(huán)節(jié)中的核心系統(tǒng)進行充分整合，展現(xiàn)出多樣化的信息特征，在集成業(yè)務的影響下，增強各部門協(xié)同意識與管理能力，及時整合分散數(shù)據(jù)，有效提高信息資源利用率[3]。

要特別注意BIM+GIS 的地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系的建設及完善，在對技術不斷創(chuàng)新、升級的過程中，拓展綜合技術應用渠道成為了解決城市建設及管理問題的主要條件之一，依據(jù)各部門的工作內容與要求對不同信息數(shù)據(jù)進行交換、深度共享，在滿足地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系建設與實施要求的同時，現(xiàn)代化城市創(chuàng)新發(fā)展中突出其較強的重要性。

3 研究方法和技術路線

3.1 具體的研究方案

研究方法和技術路線主要包括主體信息采集建模、BIM+GIS 全面信息集成、現(xiàn)場虛實信息呈現(xiàn)3 方面，具體如圖1 所示。

3.1.1 主體信息采集建模

利用探測儀器，能夠得知地下熱力管網(wǎng)的特性；針對BIM 參數(shù)化及模塊化建模的特性，選擇合適的儀器設備，并通過提取特征值模塊匹配等途徑，優(yōu)化逆向建模效率及準確度。

3.1.2 BIM+GIS 全面信息集成

利用BIM 模型信息豐富和GIS 容納性強的特點，通過圖形格式轉換、語義映射和屬性信息轉移等方式研究BIM 和GIS 的融合機理。

3.1.3 現(xiàn)場虛實信息呈現(xiàn)

運用VR/AR/MR 等技術，結合全信息GIS+BIM 模型[4]，建立現(xiàn)場實物映射出虛擬模型、影像及信息裝置，探索并掌握把信息模型運用到現(xiàn)場的方法。

3.2 技術路線

3.2.1 GIS 與BIM 建模

從地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系建設角度分析，其面臨的影響因素較多，在解決常規(guī)問題的同時，還需對新問題做好預防管控工作。提前編制相應的防控措施，應用衛(wèi)星影像完成地下熱力管網(wǎng)各區(qū)域的三維數(shù)據(jù)收集工作，經(jīng)GIS 軟件細致處理，可將多種信息數(shù)據(jù)在同一坐標系中精確匹配，形成電子地圖，對電子地圖中的各項信息數(shù)據(jù)及實際內容進行直觀化呈現(xiàn)，保證地形圖無縫拼接，依據(jù)實際要求編輯、刪除等，完成GIS 模型建立工作[5]。在此基礎上，參照各方提供的施工圖紙、施工規(guī)范等文件建立BIM 模型，通過BIM 技術可視化、實操化等特點進行比對，便于建立及調整地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系，為城市化創(chuàng)新發(fā)展提供有利條件。

現(xiàn)階段，地下熱力管網(wǎng)技術水平顯著，逐步向數(shù)字化方向轉變，在數(shù)字化技術的輔助下可以更加精準地表示城市地下空間的管網(wǎng)連接和拓撲關系。為了保證地下熱力管充分發(fā)揮作用，要對其特點進行細致分析。通常狀況下，城市綜合地下管網(wǎng)分布在地面以下，構成的地下熱力管網(wǎng)非常復雜，具體特征如下。

（1）復雜多樣。結合地下熱力管網(wǎng)的具體分布狀況進行研究，不難發(fā)現(xiàn)分布狀況非常復雜，甚至存在縱橫交錯的現(xiàn)象。

（2）整體統(tǒng)一。地下熱力管網(wǎng)具有整體統(tǒng)一這一特征，主要就是因為城市綜合地下管網(wǎng)在功能方面，會形成一個具有統(tǒng)一性的系統(tǒng)，這樣同一個管線的各個部分可以有效的連接在一起，所以可以共同承擔熱網(wǎng)的功能，有利于發(fā)揮應用價值。

（3）狀態(tài)不斷變化。目前各個城市發(fā)展狀況不斷變化，無形中對地下熱力管網(wǎng)分布工作提出了嚴格要求，使地下熱力管網(wǎng)的布設范圍隨之改變，如地下熱力管網(wǎng)的廢棄和變更問題顯著，具有動態(tài)變化特征。

3.2.2 模型整合

在三維建模工作中，最重要的階段是模型整合，主要是依據(jù)項目設計方案、施工規(guī)范等資料，應用3DMAX 及其他三維建模軟件建立真三維的數(shù)字模型，把各場景所包含的所有模型建筑、道路、地形、小品和綠化等根據(jù)地理坐標要求集合到一個場景中，經(jīng)適當編輯、處理后，利于圖2所示的GIS模型與BIM模型作好融合工作。

圖2 GIS 模型

3.2.3 平臺構建

建議從SuperMap 軟件二次開發(fā)方面入手，通過GIS+BIM融合技術，創(chuàng)建智能化、信息化的地下熱力管網(wǎng)管理平臺，依據(jù)規(guī)劃要求、管理系統(tǒng)設計內容、成本管控等完成實踐工作。

3.3 組織實施與管理措施

項目組織實施將以產學研結合的方式進行，充分發(fā)揮北京工業(yè)大學的學術優(yōu)勢，研究底層格式實現(xiàn)及轉換，進行探測圖片、構件庫比對和建模方法研究，BIM-GIS 格式轉化研究，平臺開發(fā)以及可視化格式及裝置研發(fā)，同時也發(fā)揮京能建設的專業(yè)優(yōu)勢，建立熱力管線構件庫，創(chuàng)建模型，選取試驗項目，探測管網(wǎng)，開發(fā)現(xiàn)場可視化系統(tǒng)等。

4 結語

BIM+GIS 的地下熱力管網(wǎng)數(shù)字化技術體系的研究本身就是基于大數(shù)據(jù)的研究，大數(shù)據(jù)研究的本質上是對變化趨勢的研究，所以需要把數(shù)據(jù)保留主要成分，舍棄次要成分。BIM 偏微觀，GIS 偏宏觀，宏觀和微觀的有機結合，再加以運用其他多種信息手段，不僅可以提高數(shù)據(jù)管理效率，還能加強數(shù)據(jù)的三維可視化效果，能同時管理GIS 和BIM 平臺，形成全體系建模、與環(huán)境一體化應用平臺和現(xiàn)場可視化虛擬仿真信息交互成套技術。