基于BIM+GIS技術(shù)融合應(yīng)用及關(guān)鍵點(diǎn)研究

袁耀 袁浩

摘 要：結(jié)合 BIM 與 GIS 兩種技術(shù)各自優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和交互利用，能夠達(dá)到技術(shù)集成應(yīng)用的目的，從而大大提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和使用效率。在對(duì)BIM與GIS技術(shù)對(duì)比分析基礎(chǔ)上，研究BIM + GIS融合技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，解決一些關(guān)鍵問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：BIM；GIS；數(shù)據(jù)融合；關(guān)鍵點(diǎn)；輕量化

中圖分類號(hào)：U215 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）02-0122-03

0 引言

建筑信息模型（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）在不同層面均可為用戶提供三維模型表述。其中基于BIM的表述重在單體建筑管理，不能實(shí)現(xiàn)群體建筑空間信息管理；基于GIS的表述重在尺寸的精確和模擬現(xiàn)實(shí)重合，不能做到建筑構(gòu)件級(jí)和內(nèi)部層面的管理。通過(guò)結(jié)合BIM 與 GIS 各自的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單體建筑的BIM 信息與宏觀區(qū)域的 GIS 信息交互融合，極大延伸了BIM的應(yīng)用廣度，也將GIS應(yīng)用拓寬到建筑內(nèi)部，從而提高 BIM 與GIS各自應(yīng)用的領(lǐng)域。

1BIM與GIS關(guān)系

建筑信息模型（Building Information Modeling）是通過(guò)BIM3D、BIM4D、BIM5D等信息技術(shù)對(duì)建筑項(xiàng)目實(shí)施精細(xì)管理的技術(shù)手段。BIM 應(yīng)用貫穿建筑物的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等整個(gè)生命周期，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、精確可控性等優(yōu)點(diǎn)，使建筑工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三維可視、模擬仿真等[1]。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）是借助地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持下，對(duì)地理空間中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析、計(jì)算等操作，是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。

BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于建筑全生命周期、全流程的管理，GIS 應(yīng)用側(cè)重于大范圍的空間地理環(huán)境信息維護(hù)管理，二者在室內(nèi)外規(guī)劃、空間關(guān)系、三維功能、坐標(biāo)系統(tǒng)等方面存在差異，具體內(nèi)容見表1。

BIM和GIS雖有以上區(qū)別，但二者更有互補(bǔ)關(guān)系，將建筑物BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS中，可建立可視化、能定位的建筑空間環(huán)境，室內(nèi)能夠獲取坐標(biāo)，室外可查看建筑模型，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境的互動(dòng)，達(dá)到建筑宏觀情況全面可視的效果[2]。BIM技術(shù)可為GIS系統(tǒng)提供多種重要數(shù)據(jù)，同時(shí)統(tǒng)一管理全生命周期內(nèi)的全部數(shù)據(jù)信息，使 GIS 空間表達(dá)能力實(shí)現(xiàn)極大提升，便于實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理。

2 BIM+GIS融合應(yīng)用方向及場(chǎng)景

2.1 裝配式建筑中的BIM+GIS融合應(yīng)用

傳統(tǒng)建筑是通過(guò)零碎材料的碎片化組合搭建起來(lái)的，是由小不斷聚大的建造過(guò)程。而裝配式建筑是一種從大到小、從分到合的建造過(guò)程，整個(gè)建筑物分成較小的不同構(gòu)件，先行在工廠內(nèi)制造出來(lái)，再運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)拼接合成建筑整體，再進(jìn)行混凝土澆筑，最終形成完好的建筑。裝配式建筑不同于傳統(tǒng)建筑的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方式，大量的類似于外墻板、樓梯和預(yù)制柱等構(gòu)件在車間生產(chǎn)加工后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)組裝，實(shí)現(xiàn)建筑和裝修一體化設(shè)計(jì)、施工同步進(jìn)行，節(jié)約建筑時(shí)間，提高建筑質(zhì)量。

但裝配式建筑也有成本較高，尺寸受限制，應(yīng)用領(lǐng)域有限等不足，結(jié)合BIM和GIS技術(shù)，可彌補(bǔ)裝配式建筑的缺點(diǎn)，加快工程進(jìn)度，節(jié)約建造成本，推進(jìn)建筑行業(yè)智慧建造，如圖1所示。

BIM和GIS技術(shù)可以應(yīng)用與裝配式建筑的如下場(chǎng)景[3]：①融合裝配式建筑的 BIM 模型、真實(shí)施工環(huán)境下的地理信息，通過(guò) GIS 平臺(tái)開展施工過(guò)程仿真，做到施工工序及工藝過(guò)程的三維仿真模擬，仿真成果還可以成為施工交底文件，相比與傳統(tǒng)紙質(zhì)交底文件具有可視、高效的優(yōu)勢(shì)。②借助BIM和GIS融合提供的構(gòu)件位置信息，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，確保各構(gòu)件精準(zhǔn)對(duì)接，防止因構(gòu)件組合不準(zhǔn)產(chǎn)生的建筑質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)也可避免多次試錯(cuò)的時(shí)間成本，為裝配式建筑的大量應(yīng)用創(chuàng)造條件。

2.2 室內(nèi)導(dǎo)航中的BIM+GIS融合應(yīng)用

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，大量建筑物外部造型越來(lái)越美觀復(fù)雜，內(nèi)部構(gòu)造體量越來(lái)越大，人在室內(nèi)活動(dòng)，很難辨別方向，因此室內(nèi)導(dǎo)航是目前急需解決的重要難題。而像高德地圖、百度地圖等，其路徑選擇和定位都是二維的。GIS 系統(tǒng)可提供相關(guān)地理數(shù)據(jù)，對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行多種分析，但不能提供建筑室內(nèi)信息數(shù)據(jù)，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。BIM 技術(shù)能夠高精度表達(dá)建筑全部信息，但不能顯示建筑的空間位置分布信息；結(jié)合BIM和GIS 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到微觀也就是室內(nèi)的導(dǎo)航和定位。

BIM+GIS融合技術(shù)能夠充分利用位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、地標(biāo)標(biāo)識(shí)等服務(wù)。例如，在布局復(fù)雜的大型室內(nèi)場(chǎng)景中，用戶既可以查詢想購(gòu)買物品的位置，又可以查詢想去的場(chǎng)所，場(chǎng)所服務(wù)者也可以針對(duì)性地進(jìn)行推送，提供個(gè)性化服務(wù)[4]?；蛘咴趶?fù)雜的大型地下停車場(chǎng)中停車后，往往不容易找到停車位，BIM+GIS技術(shù)可以提供室內(nèi)坐標(biāo)，幫助找到停車位與進(jìn)出口，如圖2所示。

2.3 建筑數(shù)字運(yùn)維中的BIM+GIS融合應(yīng)用

建筑設(shè)施管理數(shù)據(jù)量巨大，而BIM模型可以承載海量構(gòu)建信息，再結(jié)合GIS的位置信息，能為建筑數(shù)字運(yùn)維提供強(qiáng)大工具，本文以電梯維保為例展示BIM+GIS在建筑數(shù)字運(yùn)維中的應(yīng)用。使用BIM系統(tǒng)有關(guān)軟件，通過(guò)二維圖紙翻錄，建立電梯的三維BIM模型，從而現(xiàn)實(shí)電梯外形、內(nèi)部構(gòu)造、嵌入墻體和裝飾裝修等信息的數(shù)字化描述。

目前已開發(fā)出 GIS 軟件能夠?qū)崿F(xiàn) BIM 模型的直接導(dǎo)入，進(jìn)而能夠借助類似軟件平臺(tái)查閱電梯的產(chǎn)品信息、所處位置、運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)。一旦電梯發(fā)生故障，其能夠方便地將相關(guān)數(shù)據(jù)信息調(diào)取出來(lái)，隨同維修指令形成維修工單，一并推送給有關(guān)維修方和管理方。維修方處置人員能夠通過(guò)手持終端，接收平臺(tái)推送的信息，可快速定位故障電梯位置，完成維修并將工單處置結(jié)果回傳至軟件平臺(tái)，及時(shí)反映維修處理進(jìn)度。

BIM+GIS在電梯維保方面的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在電梯安全事故應(yīng)急管理中。傳統(tǒng)電梯應(yīng)急過(guò)程，從出現(xiàn)故障到緊急求助，而后救援人員達(dá)到，由于信息割裂，往往需要等待較長(zhǎng)時(shí)間，給被困人員造成巨大心理壓力，甚至出現(xiàn)強(qiáng)行開門產(chǎn)生嚴(yán)重后果[5]。BIM+GIS方案應(yīng)用于應(yīng)急過(guò)程，可以借助平臺(tái)調(diào)取電梯內(nèi)各種基本情況及事故電梯所在建筑外部的相關(guān)信息，從而實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)外統(tǒng)一規(guī)劃和指揮，合理配置救援力量，確保救援人員快速到達(dá)并盡快熟悉周邊環(huán)境，讓救援更加直觀高效，能夠起到減災(zāi)的效果。

3 BIM和GIS融合的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)融合包括數(shù)據(jù)格式融合和多源數(shù)據(jù)融合。目前市場(chǎng)上BIM軟件應(yīng)用種類較多，不同軟件有各自的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存格式。如Revit的RVT格式、Autodesk的DWF格式、Gehry Technology的CGR格式，各種 BIM 軟件生成的模型格式的讀取依賴于BIM 軟件自身，相對(duì)封閉沒(méi)有公開文件結(jié)構(gòu)，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換成為 BIM 與 GIS 融合首先需要解決的問(wèn)題。另外，GIS系統(tǒng)從不同數(shù)據(jù)源集成了巨量數(shù)據(jù)，如地理地形圖像、傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，同時(shí)BIM模型往往也包含了海量數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源的融合匹配是BIM+GIS應(yīng)用的又一挑戰(zhàn)。

3.2 BIM輕量化

BIM建模軟件往往是針對(duì)單個(gè)建筑進(jìn)行建模，但因?yàn)榻ㄖ婕暗臉?gòu)件數(shù)量太多，大型建筑的數(shù)據(jù)量也很巨大。而GIS則需要整合某個(gè)區(qū)域、整個(gè)城市甚至更大空間的BIM數(shù)據(jù)，因此BIM+GIS融合后面對(duì)的數(shù)據(jù)量挑戰(zhàn)更大，并且目前市面上的GIS應(yīng)用終端可能只是一般的PC、Pad或手機(jī)，系統(tǒng)配置較低，難以運(yùn)行大量數(shù)據(jù)，因而對(duì)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)輕量化和優(yōu)化，是BIM+GIS融合應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。

3.3 三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

三維空間數(shù)據(jù)的高效發(fā)布、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GIS應(yīng)用的重要內(nèi)容。目前，BIM+GIS融合廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景，但相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，數(shù)據(jù)的操作和共享成為急需解決的難題。此外，BIM與GIS融合應(yīng)用也存在坐標(biāo)系區(qū)別導(dǎo)致無(wú)法匹配的問(wèn)題，因BIM數(shù)據(jù)來(lái)源單一，具有獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)；而GIS數(shù)據(jù)由于源頭較多，采集方法多樣，坐標(biāo)系各不相同，如何有效實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也是一大挑戰(zhàn)。BIM+GIS融合關(guān)鍵點(diǎn)及解決思路如表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，BIM技術(shù)與 GIS 技術(shù)在各自領(lǐng)域的研究和應(yīng)用不斷深化，兩者融合應(yīng)用的廣度和深度不斷拓展，同時(shí)圍繞兩者融合關(guān)鍵點(diǎn)的解決方案也不斷豐富，融合應(yīng)用的場(chǎng)景也必將更加廣泛，并在生產(chǎn)生活中發(fā)揮更大的效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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