重大交通基礎設施項目信息化管理GIS 與 BIM 融合方法探討

曹超男，胡國祥，王壯飛，閔小雙

（1.武漢工程大學；2.美好置業集團股份有限公司；3.安徽省新路建設工程集團有限責任公司）

1 引言

BIM（Building Information Modeling，

建筑信息模型）是近幾年建設行業最熱門的技術，但對于線路長、跨度大、空間分布復雜的重大交通基礎設施項目，采用現有BIM 技術難以有效表達和管理，存在 先 天 不 足。GIS（Geographic Information system：地理信息系統）適用于大廣度、大范圍的空間數據分析和呈現，但在顯示微觀細節方面存在明顯缺陷。因此，BIM 與GIS 應用于重大交通基礎設施項目各有優勢但又都存在明顯不足，迫切需要將兩種技術進行集成融合，實現二者的互補和優勢共存。然而，由于兩者使用了截然不同的數據模型標準和技術，兩者之間存在明顯的信息壁壘。迄今，GIS 與BIM 融合技術主要處于概念階段，缺乏系統完善的解決方法。

2 GIS 與BIM 融合的難點分析

GIS 與BIM 分屬兩個不同領域，GIS 主要采用City GML（虛擬三維城市模型數據交換與存儲的格式）數據格式表達三維地理信息。BIM 服務于三維建模設計和信息化管理，通常采用IFC（Industry Foundation Class）開放性格式輸出三維可視化模型[1]。City GML 與IFC 標準具有本質區別，二者在語義、幾何、外觀等方面呈現巨大差異[2]，如表1 所示。

由表1 可見，GIS 與BIM 模型間精度與數據格式存在較大差異。GIS 可對重大交通基礎設施進行宏觀抽象表達，隨著多細節層次（LOD0-LOD4）增加，對三維模型外觀由簡到繁分級加載，大范圍的呈現地理空間場景[3]。BIM 模型具有豐富的幾何、語義信息，能夠精細化表達交通基礎設施的全部必要構件，包含構件的規格、型號、材質、價格等參數[4]。由于不同精度、不同標準間的語義信息存在天然鴻溝，致使二者兼容性差、可重用性低，集成后的數據不完整，降低了GIS 與BIM 模型的靈活性。因此，在模型轉換時，多源異構數據融合困難，導致參數化信息大量丟失，使得融合模型未能充分發揮GIS 與BIM 各自的 優勢[5]。

表1 BIM 與GIS 數據格式對比

3 GIS 與BIM 融合的方法

為了彌補現有GIS 與BIM 融合技術的不足，結合模型輕量化技術，依據GIS 中不同LOD 細節層次表達內容來研究二者的轉換方式，提出基于對BIM 模型與屬性進行同步抽稀，以及對同質構件進行分類剔除的綜合轉化方法，從信息集成、數據集成、可視化集成三方面著手，解決融合過程中信息交互和數據轉換的問題，從而實現GIS 與BIM 深度融合關聯。基于此，GIS 與BIM 的融合方法如圖1 所示。

3.1 信息集成

首先，基于Autodesk Revit 建模軟件創建道路、橋梁、隧道等交通基礎設施的典型族庫構件，將幾何構件的空間數據及屬性信息設定為變量，對構件編制統一的編碼，使得每個構件具有唯一的標識，從而完善交通基礎設施的參數化族庫。在建立BIM 模型時，可依據實際工程圖紙修改相關族庫構件的具體參數，通過構件編碼或名稱實現快速查詢與定位，以此有效獲取交通基礎設施模型的基本數據。

圖1 GIS 與BIM 的融合方法示意圖

龐大的BIM 模型和參數化信息極大的增加了數據轉換難度，為了降低模型大小，減少構件的存儲數量，對全部構件以及屬性特征進行解析，僅保存一個標準構件模型，對其他同質構件只記錄少量差異數據，提取和保留通用的屬性集合。這是由于同質構件除個別屬性存在差異外，其他特性基本相同。因此，以BIM 模型中的公共屬性信息為約束條件，對Revit 模型和屬性信息進行輕量化處理，篩選剔除僅描述構件關系卻沒有語義信息的要素，提取GIS 系統中需要的信息和數據載體，建立共享圖元，完成BIM 模型與屬性數據的同步抽稀，達到GIS 與BIM 信息融合的目的。

3.2 數據集成

在信息初步融合的基礎上，為提高模型的顯示效果，將幾何表達相同的構件歸于同一個BIM 數據，剔除GIS 系統中無意義的模型圖元和數據節點，建立以蒙皮和模型骨架為主體的模型描述數據，能有效壓縮和簡化BIM 模型數據庫，降低融合模型的復雜性，提升模型的渲染速度。在確保模型展示效果的條件下，通過抽稀算法剔除幾何模型的頂點、線、面，減少復雜三維模型面片的數量以及頂點、線、面所關聯的數據，保留必要的紋理特征，去除冗余重復信息，從而簡化BIM 模型和三維建模背景，適應GIS 數據大場景的快速渲染和檢索。

圖2 BIM 在GIS 上的加載顯示

幾何圖元經過抽稀處理后，對可矢量化描述的圖形進行矢量化轉換，建立結構化的數據形態，將Revit 模型中的屬性信息抽離并存儲到專用BIM 數據庫，再融合關聯GIS 空間數據庫，實現二者的交叉查詢。同時，對模型的圖元描述、參數化、矢量化等數據實現本地緩存及分類歸檔，便于統一管理。利用3D GIS 引擎將抽稀的模型數據轉換為3D 網格數據格式文件3D Tiles，實現BIM 在GIS 上的分布加載和區域性加載，滿足BIM 模型不同尺度、不同視角的分層級三維顯示。在GIS 中可快速定位BIM 模型的相關構件及屬性信息，也能通過BIM 模型調用GIS 系統的空間數據，實現位置關聯和空間數據索引，從而實現多源異構模型數據在各終端之間的高效傳輸，實現BIM 模型在GIS 中大范圍的呈現加載，其加載示意圖見 圖2。

3.3 可視化集成

GIS 與BIM 模型在完成輕量化轉換后，通過3D GIS 引擎技術實現多源異構數據的融合，為模型的可視化集成奠定了基礎。但由于精細化的BIM 模型一般處于獨立坐標系下，而GIS 在世界坐標系下獲取地理空間數據，坐標系的差異導致融合模型可視化效果差[6]。因此，坐標系轉換是三維可視化集成的關鍵。為解決二者坐標系的差異問題，在信息、數據融合的基礎上，利用GIS+BIM 三維引擎瀏覽器程序，將模型嵌入到Web 瀏覽器中，其前端設備資源可基于Web GL優化。該模型瀏覽器將BIM 模型、矢量地圖、GIS 數據以及交通基礎設施周邊地形地貌等統一到世界坐標系下，支持在世界坐標系的動態投影加載，支持可視化模型的數據聯動與視圖聯動。其中，數據聯動連接二三維聯動、三維之間聯動、GIS 與BIM 的數據共享三個版塊，以達到二維平面和三維立體空間數據的互查互通；視圖聯動可進行GIS 與BIM的切換顯示、宏觀到精細的動畫瀏覽、模型之間的交互查看，以此來優化BIM模型的分層級加載和三維可視化顯示 效果。

通過Web 瀏覽器直接運行，脫離大型軟件或插件環境，支持跨平臺瀏覽，確保GIS+BIM 系統在統一坐標系下適應多種復雜的現實環境，解決可視化集成在不同坐標系下的數據不通、模型丟失等問題，從而提高執行效率及模型呈現效果。為突破GIS+BIM 在可視化集成方面的局限，在GIS+BIM 可視化功能中添加構件目錄樹瀏覽模式，為構件的快速查詢及隱藏顯示提供便利。同時，還可提供三維模型瀏覽查看功能，包括模型的縮放、標記、測量等。此外，還可對重大交通基礎設施的模型及周邊施工環境進行檢索，以便制定施工計劃及部署相關重點工作等。基于此，研制的GIS+BIM 信息化管理平臺能提供更為精準的大規模三維場景，有效提升重大交通基礎設施的數據、模型及空間分析能力，真正實現GIS+BIM 技術的深度融合。

4 結語

通過對BIM 模型與屬性進行同步抽稀，以及對同質構件分類剔除的創新方法，產生符合GIS 與BIM 通用的數據交換格式，解決了語義信息交互困難與多源異構數據融合的問題，實現BIM在GIS 上大廣度的呈現與關聯。基于該方法研制的“重大交通基礎設施項目GIS+BIM 信息化管理平臺”可完成兩個不同領域的信息共享，為重大交通基礎設施項目提供從宏觀到微觀的綜合信息化管理，從而有效提升交通基礎設施項目的信息化管理水平。