BIM与3DGIS的集成技术及在铁路桥梁施工中的应用

张文胜，吴 强，祁平利，伍忠国1，，王丙占

(1.石家庄铁道大学 交通运输学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 河北省交通安全与控制重点实验室，河北 石家庄 050043；3.中国国家铁路集团有限公司，北京 100844；4.中铁第五勘察设计院集团有限公司 技术研究处，北京 102600；5.石家庄交通勘察设计院 总工办，河北 石家庄 050071)

建筑物信息模型(Building Information Modeling，BIM)与三维地理信息系统(Three-Dimensional Geographic Information System，3DGIS)集成技术是微观信息和宏观场景的结合。美国斯坦福大学的工程中心(CIFE)最先提出了应用BIM技术构建4D施工信息理论[1]。在BIM与GIS(Geographic Information System，地理信息系统)的转换与集成研究方面，Song Y和Karan E P等[2-3]使用语义Web技术确保现有BIM和GIS之间语义的互操作性，实现了异构信息的查询。Alvarado等[4]构建了AEC+FM(Architecture Engineering Construction，AEC；Facility Management，FM)集成框架，研究了应用BIM技术对施工计划编制进行集中安排的方法。BIM具有可交换的标准三维格式文件，即IFC(Industry Foundation Class，工业基础类)格式文件，Donkers等[5]提出了一种整合BIM中IFC格式文件和城市地理标记语言CityGML(City Geography Markup Language)数据格式的方法，将IFC格式文件的模型信息提取出来形成表面模型，并赋予语义信息。De Laat R等[6]提出了CityGML的扩展标准GeoBIM，并应用GeoBIM将IFC格式文件的语义信息集成到3DGIS框架中。Wu B等[7]从语义和几何信息的角度进行了BIM与GIS之间转换的优缺点分析，提出了用BIM数据集与GIS进行数据交换的优化方法。Liu Xin等[8-9]研究了BIM与GIS集成解决方案，确定了BIM与GIS集成的数据模型。赵霞、朱亮、汤圣君等[10-13]提出BIM常用软件Revit有语义约束的模型格式RVT到CityGML模型格式的转换方法，通过建立IFC格式文件到CityGML各层级的映射关系，实现了IFC格式文件到CityGML几何与语义信息的转换。秦勇等[14-16]探讨了基于GIS技术构建智能化铁路建设与管理信息系统的方法，为铁路施工管理提供辅助决策。彭雷、吉章伟等[17-18]设计实现了将典型BIM(Revit格式)几何及其语义集成到3DGIS的技术方案，整合了铁路建设过程中产生的空间数据和动态施工数据。Kang T W等[19]提出了一种将BIM集成到基于GIS的设施管理系统中的软件体系结构，并使用ETL(Extract-Transform-Load)概念将带有FM的BIM信息转换为GIS信息。Irizarry J等[20-21]研究了集成的BIM-GIS系统，基于GIS和决策支持系统DSS(Decision Support System)技术，建立了人机交互子系统、模型库子系统、知识库子系统和数据库子系统。上述文献介绍了BIM与GIS的标准格式、BIM与GIS的集成方法等，但这些集成方法存在步骤繁琐、易发生空间信息及属性信息丢失与改变的不足，并且对BIM与3DGIS集成技术的论述较少。

Revit软件是BIM的四大建模软件之一，Skyline软件是目前应用较广的3DGIS软件，因此，本文提出并实现了BIM与3DGIS的集成技术，即首先将Revit软件产生的BIM进行针对3DGIS的快速无损格式转换，然后再集成到3DGIS的软件Skyline中；构建基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统，并在蒙华铁路某特大桥的施工中进行应用与验证。

1 BIM与3DGIS集成技术

BIM与3DGIS的集成技术包括2部分：一是将Revit软件生成的BIM针对3DGIS的快速无损格式转换，这种转换包括几何信息(如形状、位置等信息)和属性信息(如建筑信息)的转换；二是BIM与3DGIS的集成，主要包括坐标系统的统一，姿态、方位及比例因子的信息读取与变换，模型转换文件的遍历读取与保存，BIM与3DGIS的综合集成与空间表达。

1.1 格式转换方法

Revit软件生成的BIM针对3DGIS的格式转换方法包括2步：第1步是将BIM的几何信息转换成3DGIS可以接受的*.dae格式文件；第2步是将BIM的属性信息保存到数据库中，并采用元素的ID作为唯一字段，将*.dae格式文件与数据库关联起来，使3DGIS可以接收并导入BIM信息。具体方法是：解析Revit软件生成的BIM的几何信息和属性信息，将BIM按照不同族类型(Category)进行分类；对分类完成的BIM进行过滤，分解成不可再分的最小单元元素(Element)；对最小单元元素的几何信息进行遍历，将结果保存到*.dae格式文件中，并以元素ID为文件名；对最小单元元素的属性信息进行遍历，将结果保存到数据库中，设置元素的ID为唯一字段。此方法的优点：在针对3DGIS的转化过程中提供具有唯一ID值的无歧义的最小转换单元元素，不会产生信息的丢失或改变，而且可以通过族库批量进行，从而实现BIM对3DGIS的快速无损转换。Revit软件生成的BIM针对3DGIS的格式转换方法如图1所示。

图1 Revit软件生成的BIM针对3DGIS的转换方法

1.2 格式转换算法

1.2.1 几何信息的格式转换

几何信息格式转换的算法步骤如下。

步骤1：设置族类型过滤器，获取需要转换的最小单元元素。Revit中BIM的族可以分为用户自建标准族和系统族2类。标准族由FamilyInstance派生，通过ElementClassFilter(typeof(FamilyInstance))过滤。系统族由HostObject派生，通过ElementClassFilter(typeof(HostObject))过滤。用逻辑Or过滤器LogicOrFilter把2个类过滤器(ElementClassFilter)进行合并，获得所需的元素。

步骤2：通过saveFileDialog设置*.dae格式文件保存路径。根据元素的族类别自动建立文件夹，每个元素按照族类别分别保存到相应的族类别文件夹中。

步骤3：遍历元素，获取元素的几何信息GeometryElement。首先导出类ExportFactory，其主要函数为ElementExport，在函数ElementExport中调用函数GetGeometryObject获取元素的GeometryElement。然后对GeometryElement进行遍历，如果得到的几何图元类型为实体(Solid)，即可继续执行步骤5。否则，得到几何图元类型为GeometryInstance，转步骤4。

步骤4：根据GeometryInstance的属性对SymbolGeometry遍历，如果得到的为GeometryElement，则转步骤3；否则，转步骤5。

浓香型白酒作为四大香型白酒之一，在我国白酒行业中占有举足轻重的地位。众所周知，白酒品质及风格往往是由各种风味物质的含量与比例关系所决定。优质浓香型白酒中，四大酯类的比例为己酸乙酯＞乳酸乙酯＞乙酸乙酯＞丁酸乙酯[1]。而杂醇油是白酒中最重要的三大芳香组分之一，是3个碳以上的一元醇类物质的总称，其主要成分是正丙醇、正丁醇、异丁醇、异戊醇等高级醇[2]。但是，如果白酒中杂醇油含量过高，对人体有毒害作用，它对人体的中毒和麻醉作用比乙醇强，能使神经系统充血，使人感觉头疼。它还是白酒苦味和涩味的主要来源之一，同时也是造成白酒出现白色浑浊的原因之一[3-4]。

步骤5：遍历元素，获取元素中的几何信息。实体(Solid)由面组成，通过solid.Faces函数获取实体的所有面(Face)，通过Face.Triangulate函数对面进行三角化处理得到三角网格模型(Mesh)。遍历Mesh中每个三角面获取元素的几何信息。通过triangle.get_Index获取点索引信息，通过triangle.get_Vertex获取点信息，通过坐标转换矩阵transform转换成全局坐标系坐标；同时对于三角面法线信息，如果是1个平面，则由planarFace.FaceNormal函数直接获取三角面法线，如果不是平面，则需要通过三角面点坐标计算三角面的向量外积，进而得到法线；最后通过坐标转换矩阵transform将法线转成全局坐标系坐标。

步骤6：将上面形成的数据文件通过文件流的方式将数据写入，并保存为*.dae格式。

其中步骤3—步骤5为算法的核心，其计算框图如图2所示。

1.2.2 属性信息的格式转换

首先对每个元素的属性进行遍历，得到属性信息；然后以SQL Server数据库为存贮载体，将属性信息进行保存，数据库表文件由3个字段ElementName、ElementParam和ElementParamValue组成，每条数据保存BIM的1个属性信息；最后以Revit文件名自动命名数据库表文件名，通过SQL插入语句将BIM属性信息数据保存到3DGIS数据库中，从而完成了BIM属性信息到3DGIS的格式转换，实现在3DGIS中进行BIM属性信息的查询和分析。

1.3 BIM与3DGIS的集成

将BIM转换生成*.dae格式文件后，按照如下流程完成到3DGIS的集成。需要注意的是，采用Revit格式建立的BIM是按照族类别进行分类的，在与3DGIS集成时，也需将*.dae格式文件按照族类别划分入相应的文件夹，从而避免类别不一致带来的兼容性问题。具体的集成步骤如下。

图2 遍历元素获取几何信息的算法框图

步骤1：BIM坐标系与3DGIS坐标系的统一。BIM坐标系是模型坐标系，能够保持整个BIM中各个构件间的空间拓扑关系和空间位置关系的正确；而3DGIS的坐标系多为WGS-84坐标系。研究发现，BIM按照模型基准点进行建模，将模型基准点的坐标和实测基准点的坐标进行一致性转换，可以得到BIM模型在3DGIS中的坐标。具体做法是：将模型基准点在建模软件中设置成坐标原点，该坐标原点的值设置成3DGIS坐标系中的WGS-84坐标原点的值，从而实现BIM坐标系和3DGIS坐标系的统一。

步骤2：确定3DGIS的WGS-84坐标系中的模型坐标，输入高程、航偏角、倾斜角、旋转角和模型缩放比例等模型姿态信息。

步骤3：遍历文件夹中的*.dae格式文件，获取*.dae格式文件的绝对路径。

步骤4：根据*.dae格式文件绝对路径、坐标和模型姿态信息，通过sgworld.Creator.CreatePosition函数将*.dae格式文件集成到3DGIS中。

1.4 BIM与3DGIS的集成效果

以1组架空房屋为例，采用Revit软件建立的BIM与集成到3DGIS中的模型效果图如图3所示，可见，Revit软件中的BIM已被完整地集成到3DGIS系统软件Skyline中，且没有发生几何信息与属性信息的丢失。

图3 采用Revit软件建立的BIM和集成到3DGIS中的对比

2 BIM与3DGIS集成的可靠性检验

为了验证本文的BIM与3DGIS集成方法的可靠性，以蒙华铁路某特大桥为例，采用Revit软件构建该特大桥的BIM，并按照设计要求添加桥梁属性信息，构建后的部分模型如图4所示。应用本文方法，将建立的特大桥BIM按照构件类型针对3DGIS进行转换，然后集成到3DGIS中，集成后的模型姿态如图5所示，可见桥梁的空间几何信息及属性信息均完整准确，验证了本文提出的BIM与3DGIS转换集成技术正确可靠。

图4 桥梁的BIM模型

图5 BIM模型集成到3DGIS中

3 基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统的研发

根据提出的BIM与3DGIS集成技术，采用C#编程语言和SQL Server数据库，开发了基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统，并在蒙华铁路某特大桥施工项目中进行了实际应用。蒙华铁路特大桥共包含桥墩215个，梁体212个，连续梁2个。构建BIM的桥梁构件种类多、数量大。基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统架构如图6所示。该信息系统包含了桥梁BIM与3DGIS的转换与集成模块及基于BIM的桥梁施工管理模块，可以实现BIM与3DGIS的集成、BIM模型的管理编辑、数据库构建与管理、桥梁BIM构件的查询、3DGIS空间分析、桥梁施工冲突检测、基于BIM的施工动态模拟及施工进度管理等功能。系统部分功能图形展示如图7—图10所示。

图6 基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统架构图

图7 系统主界面

图8 施工横道图

图9 基于BIM的分阶段施工进度模拟

基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统，应用于蒙华铁路某特大桥施工管理项目中，将大批量桥梁构件BIM对3DGIS进行快速无损转换，并集成到3DGIS系统后，利用3DGIS强大的空间管理与分析功能，实现了从3DGIS可视化、漫游和三维空间分析，到BIM施工管理、施工动态模拟和施工进度总览等功能。

图10 基于BIM的3DGIS施工进度总览

4 结 语

3DGIS是空间信息管理与分析的重要手段，BIM集成了建筑工程各阶段的多种信息。本文对BIM与3DGIS集成技术进行了研究，给出了BIM快速无损集成到3DGIS的方法及步骤，实现了BIM三维微观模型与3DGIS宏观场景的集成。

研发的基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统，经过蒙华铁路某特大桥1年多的现场应用与实践证明，系统应用稳定可靠，完成了大批量桥梁BIM构件到3DGIS的快速无损集成，实现了大批量桥梁构件BIM与3DGIS的集成，解决了设计、施工与管理不同阶段之间的数据共享与挖掘利用的难题。