重大交通基础设施项目信息化管理GIS 与 BIM 融合方法探讨

曹超男，胡国祥，王壮飞，闵小双

（1.武汉工程大学；2.美好置业集团股份有限公司；3.安徽省新路建设工程集团有限责任公司）

1 引言

BIM（Building Information Modeling，

建筑信息模型）是近几年建设行业最热门的技术，但对于线路长、跨度大、空间分布复杂的重大交通基础设施项目，采用现有BIM 技术难以有效表达和管理，存在 先 天 不 足。GIS（Geographic Information system：地理信息系统）适用于大广度、大范围的空间数据分析和呈现，但在显示微观细节方面存在明显缺陷。因此，BIM 与GIS 应用于重大交通基础设施项目各有优势但又都存在明显不足，迫切需要将两种技术进行集成融合，实现二者的互补和优势共存。然而，由于两者使用了截然不同的数据模型标准和技术，两者之间存在明显的信息壁垒。迄今，GIS 与BIM 融合技术主要处于概念阶段，缺乏系统完善的解决方法。

2 GIS 与BIM 融合的难点分析

GIS 与BIM 分属两个不同领域，GIS 主要采用City GML（虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式）数据格式表达三维地理信息。BIM 服务于三维建模设计和信息化管理，通常采用IFC（Industry Foundation Class）开放性格式输出三维可视化模型[1]。City GML 与IFC 标准具有本质区别，二者在语义、几何、外观等方面呈现巨大差异[2]，如表1 所示。

由表1 可见，GIS 与BIM 模型间精度与数据格式存在较大差异。GIS 可对重大交通基础设施进行宏观抽象表达，随着多细节层次（LOD0-LOD4）增加，对三维模型外观由简到繁分级加载，大范围的呈现地理空间场景[3]。BIM 模型具有丰富的几何、语义信息，能够精细化表达交通基础设施的全部必要构件，包含构件的规格、型号、材质、价格等参数[4]。由于不同精度、不同标准间的语义信息存在天然鸿沟，致使二者兼容性差、可重用性低，集成后的数据不完整，降低了GIS 与BIM 模型的灵活性。因此，在模型转换时，多源异构数据融合困难，导致参数化信息大量丢失，使得融合模型未能充分发挥GIS 与BIM 各自的 优势[5]。

表1 BIM 与GIS 数据格式对比

3 GIS 与BIM 融合的方法

为了弥补现有GIS 与BIM 融合技术的不足，结合模型轻量化技术，依据GIS 中不同LOD 细节层次表达内容来研究二者的转换方式，提出基于对BIM 模型与属性进行同步抽稀，以及对同质构件进行分类剔除的综合转化方法，从信息集成、数据集成、可视化集成三方面着手，解决融合过程中信息交互和数据转换的问题，从而实现GIS 与BIM 深度融合关联。基于此，GIS 与BIM 的融合方法如图1 所示。

3.1 信息集成

首先，基于Autodesk Revit 建模软件创建道路、桥梁、隧道等交通基础设施的典型族库构件，将几何构件的空间数据及属性信息设定为变量，对构件编制统一的编码，使得每个构件具有唯一的标识，从而完善交通基础设施的参数化族库。在建立BIM 模型时，可依据实际工程图纸修改相关族库构件的具体参数，通过构件编码或名称实现快速查询与定位，以此有效获取交通基础设施模型的基本数据。

图1 GIS 与BIM 的融合方法示意图

庞大的BIM 模型和参数化信息极大的增加了数据转换难度，为了降低模型大小，减少构件的存储数量，对全部构件以及属性特征进行解析，仅保存一个标准构件模型，对其他同质构件只记录少量差异数据，提取和保留通用的属性集合。这是由于同质构件除个别属性存在差异外，其他特性基本相同。因此，以BIM 模型中的公共属性信息为约束条件，对Revit 模型和属性信息进行轻量化处理，筛选剔除仅描述构件关系却没有语义信息的要素，提取GIS 系统中需要的信息和数据载体，建立共享图元，完成BIM 模型与属性数据的同步抽稀，达到GIS 与BIM 信息融合的目的。

3.2 数据集成

在信息初步融合的基础上，为提高模型的显示效果，将几何表达相同的构件归于同一个BIM 数据，剔除GIS 系统中无意义的模型图元和数据节点，建立以蒙皮和模型骨架为主体的模型描述数据，能有效压缩和简化BIM 模型数据库，降低融合模型的复杂性，提升模型的渲染速度。在确保模型展示效果的条件下，通过抽稀算法剔除几何模型的顶点、线、面，减少复杂三维模型面片的数量以及顶点、线、面所关联的数据，保留必要的纹理特征，去除冗余重复信息，从而简化BIM 模型和三维建模背景，适应GIS 数据大场景的快速渲染和检索。

图2 BIM 在GIS 上的加载显示

几何图元经过抽稀处理后，对可矢量化描述的图形进行矢量化转换，建立结构化的数据形态，将Revit 模型中的属性信息抽离并存储到专用BIM 数据库，再融合关联GIS 空间数据库，实现二者的交叉查询。同时，对模型的图元描述、参数化、矢量化等数据实现本地缓存及分类归档，便于统一管理。利用3D GIS 引擎将抽稀的模型数据转换为3D 网格数据格式文件3D Tiles，实现BIM 在GIS 上的分布加载和区域性加载，满足BIM 模型不同尺度、不同视角的分层级三维显示。在GIS 中可快速定位BIM 模型的相关构件及属性信息，也能通过BIM 模型调用GIS 系统的空间数据，实现位置关联和空间数据索引，从而实现多源异构模型数据在各终端之间的高效传输，实现BIM 模型在GIS 中大范围的呈现加载，其加载示意图见 图2。

3.3 可视化集成

GIS 与BIM 模型在完成轻量化转换后，通过3D GIS 引擎技术实现多源异构数据的融合，为模型的可视化集成奠定了基础。但由于精细化的BIM 模型一般处于独立坐标系下，而GIS 在世界坐标系下获取地理空间数据，坐标系的差异导致融合模型可视化效果差[6]。因此，坐标系转换是三维可视化集成的关键。为解决二者坐标系的差异问题，在信息、数据融合的基础上，利用GIS+BIM 三维引擎浏览器程序，将模型嵌入到Web 浏览器中，其前端设备资源可基于Web GL优化。该模型浏览器将BIM 模型、矢量地图、GIS 数据以及交通基础设施周边地形地貌等统一到世界坐标系下，支持在世界坐标系的动态投影加载，支持可视化模型的数据联动与视图联动。其中，数据联动连接二三维联动、三维之间联动、GIS 与BIM 的数据共享三个版块，以达到二维平面和三维立体空间数据的互查互通；视图联动可进行GIS 与BIM的切换显示、宏观到精细的动画浏览、模型之间的交互查看，以此来优化BIM模型的分层级加载和三维可视化显示 效果。

通过Web 浏览器直接运行，脱离大型软件或插件环境，支持跨平台浏览，确保GIS+BIM 系统在统一坐标系下适应多种复杂的现实环境，解决可视化集成在不同坐标系下的数据不通、模型丢失等问题，从而提高执行效率及模型呈现效果。为突破GIS+BIM 在可视化集成方面的局限，在GIS+BIM 可视化功能中添加构件目录树浏览模式，为构件的快速查询及隐藏显示提供便利。同时，还可提供三维模型浏览查看功能，包括模型的缩放、标记、测量等。此外，还可对重大交通基础设施的模型及周边施工环境进行检索，以便制定施工计划及部署相关重点工作等。基于此，研制的GIS+BIM 信息化管理平台能提供更为精准的大规模三维场景，有效提升重大交通基础设施的数据、模型及空间分析能力，真正实现GIS+BIM 技术的深度融合。

4 结语

通过对BIM 模型与属性进行同步抽稀，以及对同质构件分类剔除的创新方法，产生符合GIS 与BIM 通用的数据交换格式，解决了语义信息交互困难与多源异构数据融合的问题，实现BIM在GIS 上大广度的呈现与关联。基于该方法研制的“重大交通基础设施项目GIS+BIM 信息化管理平台”可完成两个不同领域的信息共享，为重大交通基础设施项目提供从宏观到微观的综合信息化管理，从而有效提升交通基础设施项目的信息化管理水平。