浅谈BIM+GIS在水利工程中的应用前景

贺 贤

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 734000)

0 前 言

BIM多维度扩展应用的一个重要组成部分就是BIM和三维GIS的结合使用。GIS具有专业的宏观地理环境基础，空间查询和分析能力。因此，可以拓展BIM的应用前景。BIM则可以解决当前GIS缺乏精准建筑模型的问题，丰富GIS的数据来源，使得三维的GIS突破宏观限制从而进入微观领域，从室外到室内实现精细化管理。GIS独有的空间分析功能拓展了BIM的应用领域，BIM与三维GIS的结合使查询与分析、宏观与微观以及室内外一体化的地理空间信息功能得以实现。GIS发挥了的空间分析和位置服务的功能，与BIM融合在水利工程中会产生无限的应用可能(见图1)。

图1 BIM+GIS图

1 BIM简介

作为建筑界最新出现的一项技术，建筑信息模型来源于三维数字技术。该技术被广泛应用到建筑工程当中，以有效解决工程软件描述当中存在的问题，帮助设计人员准确判断各种建筑信息，提高项目的运行效率，降低项目出现问题的可能。BIM可以收纳项目当中的多种数据模型。因此，设计人员可以从BIM当中直接了解到与项目相关的信息。它可以被使用到项目的建造设计和管理当中，提高项目运行效率，降低风险产生的可能性，而且还可以使整个项目处于一种集成化管理的环境当中，突破传统的粗糙管理的限制，帮助建筑行业逐渐走向高效化和信息化，提高工程的集成程度。该模型与水利工程的结合，不但是水利工程的质量和效率得到了明显的提高，而且还降低了整个项目的运行成本。BIM当中有行为模型和数据模型2种，数据模型主要与项目的几何图形和数据相关，而行为模型则是管理当中所构建的模型，二者的结合可以在虚拟世界中模拟真实世界。当前BIM已经被软件开发商和学术界高度重视，许多先进的建筑设计软件都是在BIM的基础上研发而来，而且它还可以帮助建筑工程实现全周期的集成管理。设计人员使用BIM建立模型，可以突破外挂和仿真软件的限制，直接观察到项目的结构、施工进度等，解决设计过程中常出现的一些问题。BIM构建的建筑模型特征主要有以下几点：

(1) 每个组件的更改会统一更动，展现于各个视图中。

(2) 使程序可识别对象，且参数化规则可以更加智能化操控对象。

(3) 使用数字化方式呈现的建筑组件具有可计算的图形和数据属性。

(4) 用户可以将自己的经验与数据结合起来，对工作流程进行分析，提高分析效率。

2 三维GIS简介

作为一种特定的空间信息系统，地理信息系统(Geographic Information Systen，GIS)又被叫做地学信息系统或者资源与环境信息系统。该系统借助电子计算机的软件和硬件来进行数据的收集、管理、运行、储存、显示和描述操作。这些数据描述的是部分或整个地球表层空间的地理分布情况。三维GIS最基本的能力是空间数据处理，例如数据表现、数据分析、数据操纵和数据获取。因此，它可以直观地展现出空间信息的具体情况。作为三维GIS的基础，二维GIS只能利用图形化的形式对空间信息进行表达，因此它具有专业人员的局限性。三维GIS平台可以展现更加的丰富多彩，普通用户也可以通过可视化和直观化的三维图像了解抽象的空间信息，而三维GIS与计算机软件和硬件的结合进一步拓展了三维GIS的应用范围。此外，工作人员研发的投影设备工作站也提高了三维GIS的展示效果。

3 BIM与三维GIS结合前景

BIM的数据结构主要由参数和模型两部分组成，其中参数包括运维施工和设计参数。空间数据模型和三维GIS数据结构大致相同，包含空间位置、形状、外观等，在信息管理和空间分析方面有重叠功能，其涵盖了BIM的数据对象、三维模型数据表现形式与数据结构。因此，BIM和三维GIS结合应用的前景十分广阔，会创造无限的可能性。

(1) 从宏观与微观角度。一方面，BIM可以被贯彻使用到建筑的施工运行维护设计等全过程，但是它必须与周边宏观地理环境相结合，而三维GIS就反映的是宏观的地理环境，它可以通过空间分析和查询功能为 BIM提供决策支持，所以 BIM需要三维GIS的辅助；另一方面， BIM可以满足三维GIS的需求，弥补三维GIS在微观领域的欠缺，辅助GIS进行查询和分析，所以GIS对BIM也有很大需求。

(2) 从室内室外角度，BIM可以弥补三维GIS在微观领域的欠缺，三维GIS与BIM数据相结合之后，可以对室内室外进行统一管理，实现精细化操作。

4 BIM与三维GIS结合的应用

4.1 水利水电行业数字化管理应用

“十二五”科技支撑计划中提出解决“数字流域”关键技术，目标是实现水利水电行业数字化、信息化、智慧化，对流域内的水能开发涉及的自然环境、生产管理、工程设备等实现数据一体化集成管理。因为流域水能资源开发涉及的管理面广、内容繁多，是一项复杂的系统工程，必须要有先进技术手段做保障。基于BIM和三维GIS，再结合其他先进信息采集技术，可以获取流域的社会经济及生产管理、自然环境、工程设备及运行等过程的数据，集成管理全流域、全业务、全层级数据，并在三维GIS平台上实现数据资源和流域环境的可视化综合展现、决策会商等功能。

首先，当前许多企业已经开展云平台技术、集群技术、计算资源虚拟化技术等相关方面的研究，构建了完整的数字管理平台。该平台可以将企业的各种业务进行一体化的应用，完善各个领域当中的数据应用和数字化管理。利用卫星、航测、卫星定位、无线通信、智能传感器、射频识别等智能采集技术，探索构建完整的流域水电全生命周期信息获取技术体系，实现了流域水电工程全生命周期信息采集的实时性、准确性和高效性。

4.2 三维空间分析应用

三维空间分析基于GIS的空间分析功能，与BIM进行结合后，可以实现包括通视分析、可视区域分析、日照分析、视频投放以及Box裁剪等应用。

4.3 BIM模型获取剖面应用

通过获取BIM模型的剖面，包括纵断面和横断面，将三维数据降维成二维数据。同时，与BIM模型保持全部相同属性的信息以二维数据形式被记录。

4.4 BIM模型与大场景地形的匹配应用

通过使用插件提供的投影和插入点导出方式，可以把BIM模型放在某大地坐标系统下进行分析。对应用范围较大的BIM模型和精度较高的使用场景，可以与地形影像进行空间匹配。

4.5 其他水利工程中的应用

面积、距离、高程量的计算；重点结构的监测，如高温、高压、材料统计、成本预算、上报施工安全与质量管理隐患、施工进度模拟、动态模拟施工过程等。

5 BIM与三维GIS结合应用的问题

5.1 数据匹配与对接

当前国内外BIM的研究越来越多。因此，已出现了众多的 BIM软件与之相对应的BIM文件格式，以下将论述几种常见的 BIM文件格式：

(1) RVT：AutodeskRevit软件使用的BIM数据格式，还包括：RFA、ADSK等格式；

(2) DGN：Bentley公司开发的支持其Microstation系列产品的数据格式；

(3) CATPart：CATIA软件的数据格式，还包括：CATProduct、CATdrawing等格式。

GIS平台如何接入BIM数据也是难题。BIM软件是BIM数据的基础，像Revit的rvt文件本身不带贴图，于Revit安装目录的材质库中存在，Revit数据的完整信息要想被读取，必须依赖Revit软件本身。目前，基于BIM到GIS数据格式转换插件或工具是读取BIM数据最现实的方法，BIM数据通过BIM软件库的原生支撑转换到GIS数据库。因此，必须开发与之相对应的转化或插件工具，将数据模型转变为 BIM模型，并且将其指定地点进行保存，完成数据的导出工作。

5.2 BIM模型在GIS平台的表现形式

首先，如果解决了在GIS平台表示BIM模型的难题，BIM模型的查询、分析及统计等功能就可以被实现。GIS要从室外走向室内，室内数据可以通过BIM获取。其次，BIM模型不仅是表面模型，还具备完善的闭合性及拓扑完整性。因此，这样的建筑可以用三维体对象模型来表述。BIM模型统一到三维体对象模型，被三角化后可以进化三维空间运算和三维空间关系判断，并且支持多种三维空间分析、面积和体积计算、构建三维缓冲区等，为制定城市设计规则提供强大的技术支撑。

5.3 BIM链接网络在三维GIS中的实现

GIS空间数据模型包括二维和三维网络数据模型。三维网络模型数据能够表示诸如管线、管廊、道路等数据之间的连接拓扑关系。而BIM的应用对象往往是单体建筑，如地下铁路、隧道、管线、港口等规模比较大的区域性对象，则需要三维GIS来实现，BIM单体之间的链接网络通过三维网络模型数据表示，比如管线数据，可以提取出带拓扑连接关系的线对象和三维点，构建三维网络数据模型。

这样各种复杂的实际工程领域中就可以应用BIM模型。例如，引水线路网络分析，若某一干渠的一段暗渠发生了破损，可以根据三维网络数据模型的拓扑关系明确该关闭哪些闸门，哪些支渠受到了影响，从而及时、快速的解决问题，免得产生不必要的水资源浪费。

5.4 三维数据坐标的转换

BIM一般采用独立坐标系，但是GIS数据来源的采集方式众多，导致采用的坐标成果也存在诸多差异。不同坐标系无法匹配是BIM与GIS集成应用面临的问题之一。GIS可以进行不同坐标系之前的转换，而且点、线、面的坐标转换已经十分成熟，但怎么把转换能力应用到三维模型数据中，对GIS平台来说也是新的挑战。

5.5 BIM与多源数据的匹配

GIS集成了海量多源数据，比如地形影像、激光点云、地下管线、精细模型、水面数据等。如何使BIM与多源数据融合匹配去提高数据的利用价值，是BIM和GIS应用的一大挑战。

通过数据配准和坐标转换，将BIM模型与倾斜摄影模型和地形等数据统一到相同的坐标系，实现各种信息对齐。再对数据进行处理和操作，进行诸如镶嵌、裁剪、压平等操作，实现数据纹理拼接自然和平滑衔。可以进行BIM与多源数据的融合匹配。

5.6 三维空间数据的标准

BIM与GIS结合虽然得到了越来越广泛的应用，但没有统一的规范和三维空间数据标准，三维空间数据的开放共享和互操作是难点，使得BIM与GIS结合的深入应用受到制约。国内外先后推出了众多的数据格式和标准，如3DTiles、I3S、S3M等。这些格式和标准的推出，推动了三维数据的开放共享和标准化。

6 BIM与三维GIS结合应用的解决方法

以一幢楼的建筑数据为例，如果用Revit软件打开，会有至少6 000多个图元类别，其中每个图元又包含了非常多的属性信息，所以要想满足大体量数据的性能，就需要采用性能优化技术来实现。目前软件开发商提到的技术有以下3种方法。

6.1 实例化方法

重复模型较多的情况适用于该技术，相同的几何模型只绘制1次，这样就可以降低硬件和显卡等设备的压力。

6.2 模型轻量化方法

精简或删除模型中的一些骨架。比如:1扇窗户、三角面和顶点数分别近上千，但是把手、卡扣占将近1/2的数据量，那么1幢楼或者1个小区内窗户的数量就非常多，但对于GIS来说这些部件却没有可用的价值，所以删除或者精简这些骨架就可以达到模型轻量化的目的。

6.3 生成BIM缓存方法

通过设置参数，生成需要的格式的缓存数据。按照BIM模型的族在插件导出时进行分类并存储在数据集中，生成缓存后就可以单独调整图层的LOD缩放比例系数，保证大场景的性能。

7 结 语

近年来，BIM彻底改变了建筑项目的设计、建设以及运维方式，也由“以建模为主”的BIM1.0跨向“以多维度数据应用”的BIM2.0。BIM结合三维GIS是BIM多维度应用的重要方向之一，三维GIS特有的宏观地理环境基础和专业的空间分析查询能力使BIM的价值逐渐被深度挖掘。与此同时，三维GIS技术也越来越成熟，国内有些公司研究出的专业三维GIS基于云端一体化技术体系为BIM提供“云+端”的应用技术，使BIM轻量化运维情景下的管理及技术问题被解决。二维、三维一体化技术的发展带动了GIS空间分析能力和炫丽三维可视化效果的发展，为 BIM与GIS的结合提供了更多基础。

GIS可以整合建筑物外部的环境， BIM则贯彻于建筑物生命的各个周期。BIM和三维GIS虽然身处不同的行业领域，但二者实质上可以互补。实际应用中，GIS提供空间参考，BIM则提供数据基础，两者结合后应用将会非常广泛。BIM开拓三维GIS的应用领域，BIM全生命周期的管理也需要GIS的参与，将GIS从宏观领域带入微观领域。

现有的软件平台仅提供基础功能，需要做二次开发来实现特定的功能，二者的结合也会为建设多要素，全周期的水利数字化应用系统贡献巨大的力量。