BIM與GIS結合實現三維建模的方法研究

BIM 與GIS結合實現三維建模的方法研究。三維GIS 良好的表面模型分析能力與幾何語義信息豐富的BIM 數據集成是實現從外部環境走向內部部署的必經步驟。本文概述了多種集成方法，主要介紹了基于SuperMap 軟件平臺實現兩者集成的方法應用，其中，精細模型數據由Revit 軟件構建，使用JavaScript 語言進行開發，并通過iServer 向網絡發布三維地圖服務。

關鍵詞: 建筑信息模型( BIM) ; 地理信息系統( GIS) ; 三維建模; SuperMap

隨著三維GIS 技術的不斷進步與發展，更精細化的系統設計要求被提出以適應詳盡的空間管理。無論是組件GIS 還是WebGIS，為了提供更多的屬性信息與更逼真的實物展現，都需要提升三維建模技術。目前，已有數字模型的建立大多是基于三維GIS 和Sketchup、3DsMax、Auto-CAD 等軟件，生成的建筑模型只能實現外觀上的可視化，沒有工程屬性，不能抽取施工圖紙，也不能導出材料報表等信息[1] 。建筑信息模型( Building Information Modeling，BIM) 能夠將建筑物三維數字化模擬還原，同時，具備詳細的內部空間幾何及功能語義信息，是信息技術在建筑行業應用發展的必然結果[2] 。BIM 與GIS 的集成對未來智慧城市的發展起到關鍵作用，填補了建筑物室內外一體化應用的空白。在軟件平臺的選取上，SuperMap 軟件可以滿足多元數據集成的需要，并具有強大的開發功能以完成不同層次的GIS 應用延伸。

1 BIM 與GIS 集成的方法

為了實現BIM 與GIS 的無縫銜接，國內外學者在不同方面進行研究。IFC ( Industry Foundation Classes) 是BIM 數據的一種標準，作為一個建筑數據模型標準，其他的軟件都把自己的數據按照IFC 標準進行生產，這樣形成同一數據模型的建筑產品，以IFC 標準格式的數據流通[3] 。CityGML( City Geography Markup Language，城市地理標記語言) 是一種3DGIS 領域通用的數據模型標準。

兩者的整合應該從數據層、語義層、拓撲層以及可視化層4 個層面進行[4] 。薛梅根據IFC 標準基礎，結合數字城市應用特點設計了具有空間語義一致性的建筑構件信息模型BCM( Building Component Model) ，在此基礎上提出建筑信息模型和三維數字城市集成方案[5] ; Azarakhsh[6] 等利用Extract Transform Load( ETL) 程序將IFC 格式的BIM 數據轉換為矢量地理格式，用ID 值相互連接，在此基礎上進行房屋的視角分析和陰影分析; 趙霞等提出語義約束的RVT 模型到CityGML 模型的轉換方法，以BIM 模型豐富的語義信息為約束實現幾何簡化及轉換[7] ; 彭雷等通過數據解析的方式提取BIM 模型關鍵要素，轉化為可被三維GIS 平臺Skyline 軟件接受的DirectX 格式，各部件的語義信息靠ID 值一一對應，然后對Skyline 進行二次開發，實現建筑物間距自動審批功能[8] ; 范登科以鐵路車站三維信息模型為數據基礎，采用數據格式轉換軟件FME，按照特征集中要素ID 的區分方式，調整配置合理的參數，轉換到Skyline 平臺中，利用TerraExplorer 軟件實現數據集成[9] 。

雖然BIM 與GIS 跨平臺的數據融合還在初步探索中，但由以上已經取得的進展可以看出兩者的銜接方法多是基于空間轉換算法的不斷優化。SuperMap 軟件具有多元數據無縫集成的優勢，SuperMap 8c 系列在已有的基礎上集成了相關算法，不斷進行功能升級，對于BIM 數據格式，如IFC、FBX、OBJ、OSGB 等格式予以支持，真正實現了向三維GIS 表面模型中加載BIM 實體模型。

2 總體思路

1) 三維模型創建

以CAD 底圖作為數據基礎，在Autodesk Revit 中進行BIM 模型制作，BIM 建模的核心特征之一是模型參數化設計，對于建筑中所需的不同構件，Revit 軟件中都有對應的族可供選擇，對于墻、梁、柱、樓板等，可將系統族原有尺寸改變為實際參數進行保存應用，而對于門窗系統，允許在可載入族中選擇滿足形狀構件族，并可反復使用，方便形成族樣板以供后續調用。模型室內局部三維剖面圖如圖1 所示。

可視化的建模過程提高了模型重現的精度，但各個結構之間的碰撞現象仍不可避免，為了模型的正確還原，本文研究利用Autodesk Navisworks 軟件進行碰撞檢查，通過碰撞檢查報告結果糾正模型。目前，廣泛使用的方法是將Revit 中的模型以.nwc 格式導入Navisworks 軟件中進行進一步檢查協調，完善模型架構。檢查碰撞結果如圖2所示。

2) 模型導入

Revit 制作出的BIM 模型數據為. rvt 格式，需要通過Revit 插件將其導入SuperMap 軟件中。在Revit 中切換到三維視圖，選中附加模塊中的SuperMap export 功能鍵，設置好插入點經緯度及渲染格式后完成導出，加載到Super-Map idesktop 中新建的三維場景后進行模型展示。在模型數據集加載成功后，對象操作模塊里提取的BIM 外殼變為可用狀態，所謂提取外殼是指將模型外部框架與內部構造分別存儲，更有利于可視化分析?！疤崛　鼻?，可以設置觀察者的相對位置，若改變參數還可以繼續“添加”，點擊“提取”后，模型即被選擇到數據集中。待多次調整選擇后，外部輪廓全部選中，保存提取結果，生成兩個數據集，如圖3、圖4 所示。

3) 功能開發

在SuperMap 軟件中基于Javascript、HTML 語言進行二次開發，SuperMap iclient3D 8C for Plugin 通過Web GIS三維插件創建三維場景。作為服務性GIS 開發平臺，它采用面向服務的架構來進行設計實現，支持多種SOA( Service-Oriented Architecture，面向服務的體系架構) 實踐的標準和空間信息服務標準，能使用于各種SOA 體系架構中[10] 。

創建服務時，考慮到信息安全的重要性，首先，要設置用戶的角色與權限。在創建目標文件夾中要拷貝iclient for 3D 中自帶的類庫lib 文件夾，方便類庫的引用。然后，在此文件夾下創建HTML 文件，編寫過程中注意的是要將代碼中的charset 改為utf- 8。加載圖層的前提是div 一個容器，實現基本的瀏覽、縮放、選擇、查詢功能，利用SuperMap iServer 發布地圖服務，達到不同平臺的數據及功能溝通與分享的目的。

3 BIM 與GIS 集成應用方向

BIM 與GIS 集成在建筑的初期規劃、施工過程、建成銷售整個生命周期中都有不同方面的應用:

1) 建筑空間規劃: 建筑的空間規劃對建筑本身的影響及其對周圍環境的影響是城市規劃不容忽視的，只通過三維表面模型的構建是無法評估建筑影響因素大小的。建筑是無法與周圍的環境脫離的，周圍環境可以決定建筑的用途、性質，影響建筑構件的部署( 如門、窗的位置) ，必然會間接造成室內空間規劃的優化與改進，而建筑坐落的位置，形狀也會對即將融入的環境發揮作用。

考慮到這些因素，BIM 提供的建筑模型可以供規劃者調試建筑內、外部幾何構造以達到符合安全標準，如改變窗戶的數量、樓梯階層、樓板厚度、安全通道等; 同時，為滿足建筑生活圈的便利，由GIS 搭建的公共設施( 公園、娛樂場所、醫院等) 也是決策者不可忽略的因素。將BIM 融合到GIS 中真正地實現了宏觀微觀的銜接，無論是居民小區的選址還是辦公樓的空間規劃都將受益于兩者結合的分析方法。

2) 建設項目進度監測: 對于施工過程中的建設項目，為達到在規定工期內完成高質量工程，需要對其進行實時跟蹤監測，以便及時調整工作任務或改進施工方案。BIM 能夠加入時間軸形成4D 進度監測系統，這種監測不再是時間與規劃成果相互獨立的文字記錄，而是通過前期BIM 三維建模結合時間軸做成動畫演示，更真實地反映建設項目的進度，也可提前模擬工程竣工成果，做到全方位預知，將誤差降到最小。而作為與外界交流運輸通道的GIS 系統則需要分析哪條線路最適合運輸建筑材料等。里應外合的系統會大大縮短工期及減輕規劃難度，實時掌控建筑全生命周期。

3) 三維房產確權: 房產作為大眾關心的熱點問題之一，明確房屋產權是避免財產糾紛的重要依據。但隨著樓層數的增高，僅僅通過二維圖紙劃分產權邊界對于立體房產是片面的、不精確的，故而要上升確權維度必須要有精細三維模型，BIM 模型可以解決不同戶型的精確邊界劃分，對于地上房產，比如陽臺、閣樓、電梯間等位置能夠通過剖切三維模型區分共有、私有面積; 地下產權，如地下車庫，通過GIS 精確定位標號，并借助模型可視化測量得到面積。精細建模彌補了二維房產無法表達出每一樓層每一戶的不同產權界限的缺憾，使得房屋確權程序化、數字化、全面化。

4) 房產交易: 房地產作為現代消費品，如何更好地宣傳房地產是每個銷售公司最為注重的切入點。更直觀的展示效果，更全面的信息瀏覽，更便捷的交付手段，都需要GIS 與BIM 的完美結合。當在網上發布房地產精細模型后，消費者就可以足不出戶進入自己滿意的套房進行瀏覽，并對周圍的環境設施進行考察。通過查詢詳細的附屬信息可以了解到建筑容積率、墻面、樓板的材質、房間面積等，大大簡化了房產交易的煩瑣過程，并且沉浸式的漫游效果更人性化。無論是房屋出售還是租賃，讓消費者自主進入BIM 與GIS 共同構建的室內、外環境都有利于房產交易環境。

4 結束語

隨著3D GIS 技術不斷趨于成熟，真三維實體的應用也愈發廣泛，如何從建立三維表面模型過渡到建筑物內部形態是當下重點研究方向。本文通過SuperMapidesktop 三維平臺將BIM 建筑信息模型數據融合到3DGIS 場景中，并進行屬性開發，以便服務發布后查詢分析，較好地彌補了“空盒子”建筑物的現狀，實現了宏觀與微觀環境的密切結合，同時，介紹了結合后豐富的技術應用，對今后建筑的室內外一體化及內部設施管理提出了建議性嘗試。

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