基于BIM+GIS的地下热力管网数字化技术体系研究

刘晓玉 北京京能建设集团有限公司助理工程师

张丹丹 北京京能建设集团有限公司助理工程师

于腾龙 北京京能建设集团有限公司助理工程师

张 晨 北京京能建设集团有限公司助理工程师

王云生 北京京能建设集团有限公司助理工程师

近年来，发达国家在BIM 和3D GIS底层技术上取得了显著的成就，工程项目及地理信息三维技术得到了大幅度提升。因国外的管理体制和方法存在限制，目前在成系统的全局应用方面非常不足，导致全管网或者全区域应用水平远远落后，使得BIM+GIS 的技术优势在生产中无法充分发挥。

技术的发展，特别是新型智慧城市的提出，给地下热力管网的可视化系统建设带来了新的契机，为地下热力管网逆向建模技术、热力管网实体BIM 模型与周围环境GIS 模型融合技术，以及基于现场实物的虚拟仿真信息呈现技术的研发提供一个首要条件，这对热力管网的新技术应用提出了更高的要求。无论是对于热力管网项目立项、建设和运营维护，还是公司和用户效益，地下热力管网逆向工程GIS+BIM 数字化技术体系的研究具有极其重要的意义。

目前，融合技术大体可以分为两大类：一类是BIM 整合GIS 技术，BIM 将GIS 引入了微观领域，拓展了三维GIS的应用领域；一类是GIS 整合BIM 技术，GIS 将BIM 引入了宏观领域，拓展了三维BIM 的应用领域。BIM 与GIS 更倾向于一种互补的关系，BIM 是用来整合和管理建筑物本身所有阶段的信息，GIS 则是整合及管理建筑及外部环境信息。其中，GIS 整合BIM 技术是目前最有前途的区域信息建模技术，它能够充分利用BIM 的属性信息的丰富性和GIS的容纳性，能达到既广域展现又信息丰富的效果。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

当前，BIM 和GIS 集成的研究主要集中在两方面，一是将基础数据模型进行整合，二是对现有数据格式进行集成。前者分析了BIM 与GIS 模型对象各自不同的表达类型，建立了两者统一的表达模型。例如EI-Mekawy、HIjazi 等人提出建立UBM（统一建筑模型），用于整合IFC（Industry Foundation Classes） 和CityGML（City Geography Markup Language）中的语义类型，这两种模型是BIM 和三维GIS 领域通用的数据模型标准。Isikdag 等人提出了一种基于CityGML 的模型框架，实现BIM模型按City GML LOD 层级分类进行自动化转换。GeoBIM 和CityGML 的新扩展标准己经开始实行，为BIM 模型汇集到GIS 框架搭建起了桥梁。

统一模型中包含了多种几何表达模式，但针对不同专业领域中相同对象的理解存在差异，且实施的方法较为复杂，而对象语义标准还需要进一步的研究，因此，该方法在现阶段仍有诸多不足。

现阶段大部分研究方向主要集中在后者，主要内容为整合不同格式的模型数据，如德国卡尔斯鲁厄技术大学研发的IFC Explorer，荷兰埃因霍温理工大学研发的BIM Server 及Autodesk 公司研发的Navisworks 软件。其中，IFC Explorer CityGML 致力于对BIM 模型格式IFC 和GIS标准模型格式CityGML 进行无缝化整合，但其难实现两类标准模型之间的无差别转换，且目前仍停留在研究较低细节层次的模型转换。BIMServer 软件支持对多种BIM模型结构进行理解与管理，同时可实现BIM到GIS 模型的简易转换，但其功能仅限于数据管理与转换，无法实现应用分析。另外，其BIM 和GIS 模型之间的转换仍然存在转换后的模型质量差、语义缺失等问题。

1.2 国内研究现状

从BIM与GIS集成上的研究应用来讲，BIM 与GIS 的集成已经开始应用在公路项目、铁路项目和大型公共设施中。

清华大学团队基于BIM、GIS 技术以邢汾高速公路项目施工管理为例建立整段项目的宏观模型、中观模型、微观模型，通过将3D 模型与详细的施工进度与工程信息相关联等相关研究，实现多层次的4D 施工管理[1]。

在昆明新机场航站楼项目运维管理中通过BIM与GIS的集成，形成系统的数据层，包含大型公建筑运维阶段中需要的各种数据，基于数据层支撑运维管理的各个功能。整体而言，国内对于校园地下管网有一些案例和研究，但更多是停留在软件系统层面，前端的无图纸信息采集和后端的信息在工程现场呈现出研究不足。

2 研究内容及重要性

2.1 研究内容

2.1.1 地下热力管网逆向建模的研究以及GIS+BIM 平台开发

本项目主要开展地下热力管网逆向建模的研究以及GIS+BIM 平台开发，同时进行现场基于实物的信息呈现虚拟仿真系统的开发。

2.1.2 复杂条件下地下热力管网的逆向建模与校核方法体系的开发与优化

依据地下管网的以往案例创建覆盖各种构件和附属构/建筑物的热力管网工程构件库，并依托案例项目对地下热力管网进行各种探测技术研究，基于探测影像资料结合热力工程构件库进行地下管网的逆向建模和实体模型比较和校核。

2.1.3 全信息区域热力管网与周边环境GIS+BIM 数字化系统的建立

结合上述热力地下管网，研发地上各项设施及入户系统建模方法体系，汇总形成热力管网主体BIM 模型建模方法体系。研究周围构筑物、建筑物和地形地貌快速模型创建体系[2]。

结合热力管网BIM 模型和周边环境GIS 模型，可以对多种格式模型进行图形转换、语义匹配和属性承接，形成全信息的热力管网查询管理系统。

2.1.4 现场热力管线隐性信息显性化方法体系的研究

运用VR、AR 和MR 等多种手段，将全信息模型中的三维模型直接投射或者附着到工程实体上，使工程技术人员能都直接在现场通过实物来调取三维模型，并进行信息查询。

2.2 研究的重要性

现阶段，地下热力管网数字化技术体系建设依然会在实践阶段遇到各项问题，影响城市化发展成效。对此，还需在此方面引起重视，需各职能部门在实践阶段发挥职责作用，对日常管理阶段易出现的问题进行详细探究，并提出有针对性的解决方案。同时，应用现代化技术手段加大城市信息化建设体系的创建力度，依据专业化的管理制度进行严谨管控，设置完善的监管制度、约束条件等，将各环节中的核心系统进行充分整合，展现出多样化的信息特征，在集成业务的影响下，增强各部门协同意识与管理能力，及时整合分散数据，有效提高信息资源利用率[3]。

要特别注意BIM+GIS 的地下热力管网数字化技术体系的建设及完善，在对技术不断创新、升级的过程中，拓展综合技术应用渠道成为了解决城市建设及管理问题的主要条件之一，依据各部门的工作内容与要求对不同信息数据进行交换、深度共享，在满足地下热力管网数字化技术体系建设与实施要求的同时，现代化城市创新发展中突出其较强的重要性。

3 研究方法和技术路线

3.1 具体的研究方案

研究方法和技术路线主要包括主体信息采集建模、BIM+GIS 全面信息集成、现场虚实信息呈现3 方面，具体如图1 所示。

3.1.1 主体信息采集建模

利用探测仪器，能够得知地下热力管网的特性；针对BIM 参数化及模块化建模的特性，选择合适的仪器设备，并通过提取特征值模块匹配等途径，优化逆向建模效率及准确度。

3.1.2 BIM+GIS 全面信息集成

利用BIM 模型信息丰富和GIS 容纳性强的特点，通过图形格式转换、语义映射和属性信息转移等方式研究BIM 和GIS 的融合机理。

3.1.3 现场虚实信息呈现

运用VR/AR/MR 等技术，结合全信息GIS+BIM 模型[4]，建立现场实物映射出虚拟模型、影像及信息装置，探索并掌握把信息模型运用到现场的方法。

3.2 技术路线

3.2.1 GIS 与BIM 建模

从地下热力管网数字化技术体系建设角度分析，其面临的影响因素较多，在解决常规问题的同时，还需对新问题做好预防管控工作。提前编制相应的防控措施，应用卫星影像完成地下热力管网各区域的三维数据收集工作，经GIS 软件细致处理，可将多种信息数据在同一坐标系中精确匹配，形成电子地图，对电子地图中的各项信息数据及实际内容进行直观化呈现，保证地形图无缝拼接，依据实际要求编辑、删除等，完成GIS 模型建立工作[5]。在此基础上，参照各方提供的施工图纸、施工规范等文件建立BIM 模型，通过BIM 技术可视化、实操化等特点进行比对，便于建立及调整地下热力管网数字化技术体系，为城市化创新发展提供有利条件。

现阶段，地下热力管网技术水平显著，逐步向数字化方向转变，在数字化技术的辅助下可以更加精准地表示城市地下空间的管网连接和拓扑关系。为了保证地下热力管充分发挥作用，要对其特点进行细致分析。通常状况下，城市综合地下管网分布在地面以下，构成的地下热力管网非常复杂，具体特征如下。

（1）复杂多样。结合地下热力管网的具体分布状况进行研究，不难发现分布状况非常复杂，甚至存在纵横交错的现象。

（2）整体统一。地下热力管网具有整体统一这一特征，主要就是因为城市综合地下管网在功能方面，会形成一个具有统一性的系统，这样同一个管线的各个部分可以有效的连接在一起，所以可以共同承担热网的功能，有利于发挥应用价值。

（3）状态不断变化。目前各个城市发展状况不断变化，无形中对地下热力管网分布工作提出了严格要求，使地下热力管网的布设范围随之改变，如地下热力管网的废弃和变更问题显著，具有动态变化特征。

3.2.2 模型整合

在三维建模工作中，最重要的阶段是模型整合，主要是依据项目设计方案、施工规范等资料，应用3DMAX 及其他三维建模软件建立真三维的数字模型，把各场景所包含的所有模型建筑、道路、地形、小品和绿化等根据地理坐标要求集合到一个场景中，经适当编辑、处理后，利于图2所示的GIS模型与BIM模型作好融合工作。

图2 GIS 模型

3.2.3 平台构建

建议从SuperMap 软件二次开发方面入手，通过GIS+BIM融合技术，创建智能化、信息化的地下热力管网管理平台，依据规划要求、管理系统设计内容、成本管控等完成实践工作。

3.3 组织实施与管理措施

项目组织实施将以产学研结合的方式进行，充分发挥北京工业大学的学术优势，研究底层格式实现及转换，进行探测图片、构件库比对和建模方法研究，BIM-GIS 格式转化研究，平台开发以及可视化格式及装置研发，同时也发挥京能建设的专业优势，建立热力管线构件库，创建模型，选取试验项目，探测管网，开发现场可视化系统等。

4 结语

BIM+GIS 的地下热力管网数字化技术体系的研究本身就是基于大数据的研究，大数据研究的本质上是对变化趋势的研究，所以需要把数据保留主要成分，舍弃次要成分。BIM 偏微观，GIS 偏宏观，宏观和微观的有机结合，再加以运用其他多种信息手段，不仅可以提高数据管理效率，还能加强数据的三维可视化效果，能同时管理GIS 和BIM 平台，形成全体系建模、与环境一体化应用平台和现场可视化虚拟仿真信息交互成套技术。