融合BIM與GIS的社區(qū)給排水管網(wǎng)多尺度建模研究

【摘要】文章對BIM技術(shù)提供細節(jié)豐富、精細化程度高的建筑三維模型數(shù)據(jù)，GIS技術(shù)在地理環(huán)境下的三維空間應(yīng)用進行了分析研究，使兩者在數(shù)字城市全生命周期信息化管理中完美融合。同時，報告了不同層次的給排水管網(wǎng)BIM與GIS相結(jié)合的方式實現(xiàn)深度融合的現(xiàn)狀，使得社區(qū)給排水管網(wǎng)的可視化呈現(xiàn)更加生動形象，從而有助于更好地解決優(yōu)化管網(wǎng)業(yè)務(wù)分析以及進行可視化效率等關(guān)鍵問題調(diào)查。

【關(guān)鍵詞】BIM；GIS技術(shù)；社區(qū)給排水管網(wǎng)；建模

【中圖分類號】TU991 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）10-0004-03

0 引言

在當前城市化進程不斷加速的背景下，城市規(guī)模迅速擴大，地下給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的組成元素多樣化且結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜，這無疑加大了對城市給排水管網(wǎng)的管理難度。由于給排水管網(wǎng)規(guī)劃與管理機制的滯后，各類問題屢見不鮮，嚴重威脅到廣大民眾的生命財產(chǎn)安全以及社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。

1 BIM與GIS集成發(fā)展現(xiàn)狀

BIM技術(shù)已經(jīng)逐步滲透到建筑設(shè)計、工程建造以及其他相關(guān)行業(yè)之中。以三維立體模式建立起的模型，不僅包含了建筑物內(nèi)外結(jié)構(gòu)的空間幾何信息，還涵蓋了非幾何性質(zhì)的功能性語義信息。這種BIM技術(shù)具備極高的構(gòu)件精細程度、豐富的語義屬性信息以及特征參數(shù)化的特性，使得它能夠在整個項目生命周期內(nèi)，對項目進行精細化的管理控制。積極推動BIM技術(shù)的發(fā)展，更好地利用BIM技術(shù)所帶來的獨特優(yōu)勢，有助于提升對項目工程決策、規(guī)劃設(shè)計、實際施工以及后期運營等各個環(huán)節(jié)的管理水平。目前，一些人員已經(jīng)針對此問題采取了相應(yīng)的措施。例如，可以借助現(xiàn)有軟件中的一些工具或者插件來實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

GIS系統(tǒng)有著極為重要的地位，它具備數(shù)據(jù)存儲、管理及分析的功能，能為規(guī)劃方案展示及城市管理服務(wù)提供有力的支撐，而它的三維空間數(shù)據(jù)分析、查詢能力，更是可以在大范圍空間和室外環(huán)境中進行空間分析，從而有效地彌補BIM技術(shù)在設(shè)施外部環(huán)境表達和空間分析上的不足[1]。

BIM技術(shù)與GIS系統(tǒng)的深度整合工作，主要涉及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及專項應(yīng)用兩部分內(nèi)容。在數(shù)據(jù)格式的處理上，可以選擇運用兩種方式實現(xiàn)BIM與GIS基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)的互換及緊密結(jié)合：①通過對不同格式的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換；②從源頭入手，直接將兩者進行整體性的集成。以基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換為例，湯圣君及其團隊曾提出一種全新的思路，即通過將BIM與GIS數(shù)據(jù)進行集成，并對其中的IFC幾何元素進行篩選，同時制定出IFC至CityGML的語義映射規(guī)則。然而，這種方法僅為后續(xù)相關(guān)研究提供了新的視角，尚需進一步完善。另一方面，M.EI-Mekawy及其團隊則提出了基于統(tǒng)一建筑模型的解決方案，旨在將IFC轉(zhuǎn)化為CityGML語義模型。然而，此方法在實際操作中仍存在一定的局限性，如轉(zhuǎn)換過程較為繁瑣，且轉(zhuǎn)換后的效果并不盡如人意[2]。

2 社區(qū)給排水管網(wǎng)模型表達

2.1 常見的管網(wǎng)可視化技術(shù)

1）三維軟件平臺的模型建立方法。這種方法是目前最為普遍使用的一種，它借助于三維軟件工具，如AutodeskCAD、3DMax、SketchUP、Revit等，實現(xiàn)管線三維可視化建模的目的。在實際應(yīng)用中，這些軟件工具的建模方式主要依賴于手動操作，可以根據(jù)項目的具體需求，靈活調(diào)整模型的尺寸大小及細節(jié)程度。尤其是Revit建模軟件，只需要基于CAD圖紙，用戶按照平面圖紙即可輕松構(gòu)建出逼真的精細三維模型，甚至還可以構(gòu)建出包含內(nèi)部詳細結(jié)構(gòu)的模型，并對構(gòu)建屬性信息進行便捷編輯。

2）圖像和三維激光掃描相結(jié)合的模型建立方法。這種方法主要是通過圖像處理技術(shù)生成精確的三維幾何模型，可以細分為主動法和被動法兩大類。主動法是指通過主動控制光源，從而獲取物體的三維模型，例如激光掃描法和結(jié)構(gòu)光法。盡管此方法所獲得的物體表面特征精準無誤，但是由于成本較高、操作難度較大，因此并不適用于所有場景。而被動法則不直接控制光源，而是反向推導(dǎo)出物體的三維模型。其優(yōu)點在于成本相對較低、技術(shù)成熟可靠、操作簡便易行，并且對于光照條件的要求也比較寬松。

3）計算機程序設(shè)計語言的模型建立方法。在此過程中，需要選擇Java3D、OpenGL、DirectX3D等開放性的編程語言進行建模，這就需要開發(fā)者具備深厚的數(shù)學(xué)知識背景和出色的編程技巧，以便成功構(gòu)建出符合要求的管網(wǎng)模型。同時，也可以考慮將計算機程序設(shè)計、圖像技術(shù)等多種手段相結(jié)合，以編程的形式對物體進行三維模擬[3]。

2.2 社區(qū)給排水管網(wǎng)多尺度建模實現(xiàn)技術(shù)

針對社區(qū)的給排水管網(wǎng)進行三維建模，其核心目標在于準確地展示各類管線在地理位置和空間構(gòu)型上的具體狀況，為后續(xù)的決策制定以及資源配置提供參考依據(jù)，從而有效滿足各種管線運營管理方面的實際需求。

1）運用CSG法來描述社區(qū)給排水管網(wǎng)中的彎頭類、三通類、四通類等管件實體，按照樹狀結(jié)構(gòu)將它們分解為最小單位的幾何對象。然后，利用Revit軟件對這些CSG組件進行實體的幾何融合、拉伸、放樣等操作，最終成功構(gòu)建出包含三個細節(jié)層次的管件模型族，并將相關(guān)屬性參數(shù)進行關(guān)聯(lián)。

2）利用Revit軟件本身配備的機電系統(tǒng)功能，對所有管道進行分類，同時根據(jù)實踐需要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，以完成各層級管段模型的創(chuàng)建。然后，利用管件的關(guān)聯(lián)屬性參數(shù)，隨機將不同類型的管段與管件族進行匹配，從而順利完成多尺度社區(qū)給排水管網(wǎng)模型的構(gòu)建。

3 社區(qū)給排水管網(wǎng)BIM建模流程

社區(qū)給排水管網(wǎng)構(gòu)成相對較為繁復(fù)，涵蓋了室內(nèi)與室外的眾多管網(wǎng)以及相關(guān)設(shè)備，數(shù)據(jù)量頗為龐大，并不適宜使用3DMax這類軟件來構(gòu)建相應(yīng)的模型。相較之下，BIM技術(shù)具備精細度極高、特征參數(shù)化、建筑空間和語義豐富等諸多優(yōu)點，能夠迅速地構(gòu)建出完整且真實的三維模型。

3.1 數(shù)據(jù)準備環(huán)節(jié)

Revit軟件的BIM技術(shù)建模工作是基于現(xiàn)有的CAD圖紙或者CAD的實測數(shù)據(jù)等資源展開的。在此次研究中，所構(gòu)建的社區(qū)給排水管網(wǎng)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)便是來源于現(xiàn)有的CAD圖紙。因此，在著手構(gòu)建三維模型之前，首先需要獲取試驗社區(qū)給排水管網(wǎng)系統(tǒng)CAD圖紙資料，然后選定某個城市的住宅小區(qū)作為BIM的建模對象。

3.2 圖紙信息識別階段

CAD圖紙信息的識別與檢查提煉是BIM構(gòu)建過程中的關(guān)鍵步驟之一。為了方便后續(xù)的項目樣板設(shè)計以及模型參數(shù)設(shè)定，需要對圖紙中所包含的信息進行細致的分類識別。這些信息主要涉及構(gòu)件的屬性信息以及結(jié)構(gòu)信息。

1）依據(jù)CAD二維平面圖紙來識別所用到的基本單位、標高軸網(wǎng)、建筑構(gòu)件的類別、管道及配件平面圖的表示方式、結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備等方面的信息。

2）通過分析圖紙信息來確定構(gòu)件的規(guī)格。CAD施工圖紙通常會提供全面且重要的尺寸信息，以便于進行構(gòu)筑物和管網(wǎng)系統(tǒng)的尺寸信息等方面的判斷，如果某些尺寸信息有所缺失，可以通過實地測量來獲取大致的尺寸信息。

3）判斷構(gòu)件的材質(zhì)屬性。二維的CAD圖紙無法充分展示構(gòu)件的屬性信息，所以圖紙通常會以表格或文字的形式來表述構(gòu)件的材質(zhì)等屬性信息。通過查閱設(shè)計說明、材料表與工藝說明等途徑可以獲取社區(qū)給排水管網(wǎng)的構(gòu)件材質(zhì)信息，并將獲取的屬性信息進行分類保存[4]。

3.3 項目樣板設(shè)計環(huán)節(jié)

1）根據(jù)CAD圖紙信息創(chuàng)建標高與軸網(wǎng)，這對于后續(xù)建立三維模型至關(guān)重要。模型樣板的設(shè)計內(nèi)容包括公共系統(tǒng)設(shè)置、建筑樣板和機電樣板。其中，公共系統(tǒng)設(shè)置主要包括尺寸標注、線型、圖框等方面的設(shè)置。建筑結(jié)構(gòu)樣板和機電樣板的設(shè)置則包括對象樣式、材質(zhì)、線形寬度、過濾器等方面的設(shè)置。以社區(qū)給排水管網(wǎng)的管線為例，在機電系統(tǒng)中，各種管道和管件都有著各自的功能和用途。為了更好地區(qū)分給排水管網(wǎng)系統(tǒng)中管道和附件的功能，對不同的管道進行顏色、線形和圖像等方面的設(shè)置。

2）根據(jù)建模CAD圖紙的圖形信息和材料說明表來明確建模時所需的信息，這樣在建模過程中就能快速地從系統(tǒng)族中調(diào)取所需的族類型。然而，系統(tǒng)中的族往往不能完全滿足建模者的需求，此時就需要建模者根據(jù)實際的建模需求來構(gòu)建適當?shù)臉?gòu)件族，以便在建模階段直接調(diào)用，從而顯著提升建模效率。

3.4 模型構(gòu)建環(huán)節(jié)

Revit軟件主要適用于單體實體模型的構(gòu)建，但是管件及附件的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)量較大，因此需要將社區(qū)給排水管網(wǎng)拆分成建筑結(jié)構(gòu)和機電系統(tǒng)兩個部分分別建模，以便于后期的模型管理與應(yīng)用。在構(gòu)建模型的過程中，會導(dǎo)入CAD施工圖紙作為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時參照圖紙上的族實例來構(gòu)建模型。創(chuàng)建時，需要先選定建筑內(nèi)部的門窗構(gòu)件族，并設(shè)置好該族實例的屬性參數(shù)（如基準標高、偏移量、高度等），然后根據(jù)圖紙上的指示找到相應(yīng)的位置進行創(chuàng)建，最后在三維視圖中觀察模型的表現(xiàn)效果，若發(fā)現(xiàn)存在問題，則需要進行相應(yīng)的修正。

3.5 模型整合以及優(yōu)化環(huán)節(jié)

以社區(qū)的總CAD平面為基礎(chǔ)，在已經(jīng)構(gòu)建完畢的建筑模型中鏈接室內(nèi)給排水管網(wǎng)模型，進而實現(xiàn)對建筑室內(nèi)給排水管網(wǎng)模型的綁定整合。在整合過程中，將各條管道進行連接，然后利用檢查管道系統(tǒng)來確認模型中的管道系統(tǒng)是否連接完備。此外，對管道進行碰撞檢查，通過檢查報告來查看管道是否存在沖突的情況，借助碰撞檢查，能快速定位發(fā)生碰撞的管道位置及其類型。

4 BIM與GIS在排水管網(wǎng)建模中的應(yīng)用

BIM和GIS是兩種不同的信息技術(shù)，在建筑和地理信息領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在排水管網(wǎng)建模中，將BIM和GIS進行融合應(yīng)用，可以有效提高建模的精度和效率，為城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃和管理提供更好的支持。

4.1 BIM在排水管網(wǎng)建模中的應(yīng)用

1）三維建模。BIM技術(shù)可以實現(xiàn)對建筑物和管線等排水系統(tǒng)組成部分進行精確的三維建模。建立建筑物和管線的三維模型，直觀地展示排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局，有助于管網(wǎng)進行設(shè)計、分析和優(yōu)化。

2）數(shù)據(jù)管理。BIM系統(tǒng)可以集成多種數(shù)據(jù)來源，包括建筑設(shè)計圖紙、工程數(shù)據(jù)、地理信息等，實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的全面管理。通過BIM系統(tǒng)，快速查詢和更新管網(wǎng)信息，提高數(shù)據(jù)的可視化和協(xié)作性。

3）沖突檢測。BIM系統(tǒng)可以進行碰撞檢測，通過模擬排水系統(tǒng)的運行過程，及時發(fā)現(xiàn)管線之間、管線與建筑物之間的沖突，避免在施工過程中出現(xiàn)問題，保障排水系統(tǒng)的正常運行。

4）可視化分析。BIM系統(tǒng)可以將排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化信息，通過三維模型、圖表等形式展示排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能，幫助決策者更好地了解排水系統(tǒng)的情況，從而制定合理的管理策略[5]。

4.2 GIS在排水管網(wǎng)建模中的應(yīng)用

1）空間分析。GIS系統(tǒng)可以對排水系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)進行分析，包括管線的位置、連接關(guān)系、覆蓋范圍等，通過空間分析可以發(fā)現(xiàn)管線布局存在的問題，為排水系統(tǒng)的規(guī)劃提供參考。

2）網(wǎng)絡(luò)分析。GIS系統(tǒng)可以對排水系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行分析，包括管線的流向、管網(wǎng)的連接方式、管網(wǎng)的流量分布等，通過網(wǎng)絡(luò)分析可以評估排水系統(tǒng)的性能，并對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3）數(shù)據(jù)可視化。GIS系統(tǒng)可以將排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以地圖的形式展示出來，通過地圖上的符號、顏色等表示方法，直觀地顯示排水系統(tǒng)的情況，方便用戶進行數(shù)據(jù)的查看和分析。

4）模擬預(yù)測。GIS系統(tǒng)可以模擬排水系統(tǒng)在不同條件下的運行情況，通過建立模型進行模擬，預(yù)測排水系統(tǒng)在不同情景下的運行效果，為規(guī)劃者和管理者提供決策支持。

5 結(jié)語

總之，社區(qū)給排水管網(wǎng)是構(gòu)成城市管網(wǎng)紐帶的關(guān)鍵要素之一，承擔著輸送各種媒介物質(zhì)與傳遞各項能量的重大使命。因此，其管理上的周全與否，為城市的運轉(zhuǎn)及社會經(jīng)濟的繁榮穩(wěn)定帶來深遠而直接的影響。本文研究借助BIM與GIS相結(jié)合的創(chuàng)新型建模策略，成功地實現(xiàn)了對社區(qū)給排水管網(wǎng)的多層次、全方位的精細化建模，從而顯著提升了模型構(gòu)建的精確度與可靠性，為城市給排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計以及管理工作注入了全新的思維模式與技術(shù)支持。

參考文獻

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[4] 呂華權(quán)，郭小玉.GIS+BIM融合探討與應(yīng)用展望[J].測繪與空間地理信息，2024，47（2）：98-100.

[5] 莫栩琪.融合BIM與GIS的社區(qū)給排水管網(wǎng)多尺度建模研究[D].桂林：桂林理工大學(xué)，2022.

[作者簡介]余鎮(zhèn)根（1985—），男，廣東河源人，本科，助理工程師，研究方向：建筑和市政給排水規(guī)劃、設(shè)計、施工和運行管理。