GIS+BIM集成技术在房地产项目运维阶段的应用研究

姚 健 闫晓韧 李 彤

(1.中国铁建房地产集团有限公司 北京 100039；2.中铁房地产集团设计咨询有限公司 北京 102300)

1 引言

建筑全生命周期分为决策、设计、施工、运维、拆除五个阶段，其中运维阶段是建筑全生命期中时间最长、能够真正产生价值、发挥社会效益的阶段。传统的物业运维管理，存在成本高、运营缺乏应变性、总控性差和处理问题不及时等弊端。此外，人口红利消失后带来的高额人工成本影响，也是运维管理时需要考虑的问题。GIS和BIM的出现，为解决这些问题带来了可能。目前GIS和BIM在房地产行业各有应用，但二者技术集成在房地产领域未见很好的先例。

2 GIS与BIM特点及应用

2.1 GIS特点及应用

地理信息系统(Geography Information System)，简称GIS，是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件支持下，可采集、输入、管理、编辑、查询、分析、模拟和显示空间数据，并采用空间模型分析方法，提供多种空间和动态信息，为地理研究和决策服务而建立起来的计算机技术系统[1]。

GIS的核心是利用空间数据和空间分析解决问题，广泛应用在资源管理、资源配置、城市规划和管理、土地信息系统和地籍管理、生态环境管理与模拟、应急响应等不同领域。在城市规划领域，主要体现在道路交通、基础设施、空间开发、未来规划、城市发展、工程管理、废物管理、空间分析、考古管理和其他应用[2-3]。

2.2 BIM特点及应用

建筑信息模型(Building Information Modeling)，简称BIM，通过计算机图形学和数字化技术构建三维模型，并将建筑中各构件的几何信息及非几何信息集成到三维模型中[4]。

BIM技术在方案阶段创建建筑三维实体模型，对建筑方案进行评审和多方案比选。利用BIM相关软件分析建筑物所处的环境，对建筑物进行性能分析，包括日照采光、通风、能耗、人员疏散等，提高项目的合理性。在设计阶段，BIM技术将各专业集中在同一个平台，进行协同设计和信息共享，各专业提前在软件中进行碰撞检查，及时做出调整，有效避免因图纸设计错误造成的返工[5]。使用BIM技术统计各种材料的工程量，对预算成本进行有效控制，并及时输出BIM图纸[6]。根据施工组织方案，利用BIM技术合理布局施工场地。在施工前，模拟施工进度，优化施工工艺，进行可视化交底；通过BIM技术快速统计工程量，能够及时查看材料使用情况，从而制定相应的物资需用量计划和资金使用计划，进行物资的采购和队伍领用[7]。在运维阶段，以施工完成后的竣工模型为基础，合理删减模型中的数据，添加相关运维信息，与IoT、云计算技术等结合，实现消防管理、空间管理、设备管理、信息管理、资金管理等功能[8]。

3 GIS+BIM集成应用

GIS与BIM的技术集成，可以充分发挥各自的优势。GIS可提供各种空间查询及空间分析能力，并能为房地产项目的各个阶段提供基于BIM的可视化展示、管理、决策支持等技术方法。BIM技术能够提供精度高的模型数据，为GIS更深入应用提供了三维数据支撑。二者的结合，可有效支持对大规模工程的协同分析和共享应用。

3.1 建造阶段

运用GIS强大的空间测量功能，可在设计阶段对用地范围内部建筑、外部设施及道路布置的空间和功能性之间的关系实现三维可视的结果呈现[9]，同时可实现在高密度、高楼层群体建(构)筑物场地内量算时提供精确结果，并结合GIS分析技术获得视觉阻碍、限高等可视分析结果。结合BIM模型，可提供楼内单层单户布置，实现从总体到细部相结合的设计方案体现[10]。

在施工阶段，将GIS提供的地理环境信息与BIM提供的建筑模型信息相结合，并在施工过程中与设计模型、计划进度安排进行对照，保证工程在满足质量要求下，有条不紊地施工。除此以外，GIS+BIM结合IoT技术，可将人员、机械、物料等管理要素连接在一起，实现要素的精确定位、状态的实时获取等目标，动态管理整个施工过程[11]。

3.2 运维阶段

搭建以GIS+BIM为基础的运维平台，可为运维管理提供更加直观、可视化的结果反馈。施工阶段累积的大量BIM建造数据，经结构化处理后，便可作为运维阶段的基础数据，以供运维阶段查询包括采购信息及特性参数等在内的多类信息。GIS系统赋予BIM模型地理定位属性后，可让其在三维场景中提供准确的空间定位信息，为室内巡检、检修工作提供位置参照。

4 GIS+BIM集成应用的技术难点与解决方案

4.1 集成应用面临的技术难点

GIS和BIM分别属于不同的领域，两者在技术上通常存在差异。首先，二者进行空间管理基于的坐标系统不同，GIS系统以大地经纬度进行定位，而BIM模型则采用笛卡尔坐标系定位。此外，GIS在图形显示方面通常使用多精细级别的“瓦片”作为地图加载和LOD显示的控制方式，以满足大范围模型显示的需要，应用到三维GIS领域就产生了3D瓦片，即将模型的三角网根据LOD的需要进行多级缓存。作为对比，BIM通常以构件为单位对模型进行拆分及加载、显示控制方式。

具体到房地产项目运维阶段，可将建造阶段产生的大量、真实且有价值的BIM数据与GIS相集成，应用可视化平台对运维管理模式升级。但GIS和BIM的集成应用并非水到渠成，二者在数据格式特性、模型特性及应用特性上存在差异，见表1。

表1 GIS和BIM特性对比

实现GIS+BIM在运维阶段集成应用的难点，是二者在数据层面上的转换与融合，以及大规模模型的加载与流畅度。图1为运维阶段GIS+BIM集成平台化解决方案工作流程图。

图1 运维阶段GIS+BIM集成平台化解决方案工作流程

4.2 数据转换

GIS+BIM集成在运维阶段的应用所涉及的三维数据类型颇多，其集成应用常涉及的数据格式见表2。

表2 GIS+BIM集成常见的数据格式

Revit目前是房地产工程建设领域BIM建模常用的软件之一[12]，可创建并承载全专业BIM模型。使用转换工具，可实现BIM和GIS数据接口的跨领域无缝衔接，为BIM与GIS集成应用提供数据基础，同时可导出BIM构件几何顶点信息、属性信息和族分类信息，确保BIM信息完整。导出的模型满足大规模数据的高效渲染和多细节层次(LOD)模型需求，支持实例化绘制，并可进行空间关系判断、空间运算和空间分析等GIS分析功能。BIM模型数据转换后效果如图2所示。

图2 Revit导出模型在GIS空间中的效果

4.3 模型优化处理

4.3.1 模型数据量优化

模型数据是三维GIS的核心。三维GIS模型由大量顶点及三角网组成，以住宅的单层BIM全专业模型(面积约700 m2)导出的顶点数统计为例，从表3可看出，BIM模型导出的顶点数量超200万个，其中机电模型的顶点数约占97.5%，这对于GIS平台来说，加载海量机电专业BIM几何数据无疑是影响流畅度的主因。此外，管件、管道作为机电模型的主要组成部分，二者顶点之和占比为79.76%，而构件数量原本较少的机械设备模型，因BIM模型的几何表达较为详细，其单个构件顶点平均值较大，也存在优化空间。针对GIS+BIM模型加载优化，可在业务和技术两个层面协同考虑。

表3 典型的700 m2单层住宅全专业BIM模型顶点数统计

4.3.2 业务层面优化

按照业务应用的场景定义模型加载逻辑，充分发挥GIS在管理位置信息时具备的优势，以及BIM技术在聚焦构件几何、属性信息的特性，达到在不同业务应用场景下，有序加载不同模型数据的目的。图3为不同场景下模型加载方案，在展现项目总体数据或查询项目周边设施信息时，除加载GIS模型外，仅加载BIM土建模型和小市政模型；而在检索楼栋内设备信息或查看平面布置时，则应加载全专业BIM模型，GIS模型仅起到辅助空间定位的作用。

图3 不同场景下模型有序加载方案

4.3.3 技术层面优化

技术层面的优化包括模型轻量化处理技术、LOD技术和实例化技术。

模型轻量化技术是简化构建模型顶点及三角面的技术，通常的处理方法包括提取外壳、三角网简化、删除子对象等。以使用删除子对象的方式简化模型为例，如表4所示，单独一个“门”对象，门把手、锁芯占据80%～90%的数据量，而这些部件并没有起到辅助业务管理的作用，属于可删除的冗余的子对象。

表4 BIM门构件顶点数统计分析

LOD技术(Levels of Detail)意为多细节层次技术。根据对象在显示场景中所处的位置和重要程度，由系统计算对象渲染的资源配比，降低非重要物体显示渲染级别，而重要物体的显示精度则相对较高，实现提高渲染效率的目的，如图4所示。

图4 不同LOD加载等级的模型显示细度

实例化技术可识别对象的几何参数，对几何参数相同的对象只绘制一次，从而降低显卡、内存等硬件设备的压力，适用于重复模型较多的情况。例如，楼座中存在大量相同的标准层，利用实例化技术，只绘制一个标准层，可提高模型加载及浏览的性能。

在满足业务应用场景的前提下，通过优化不同场景下的模型加载方式和模型处理方法，可实现最佳的模型加载优化效果，使模型浏览和应用更加流畅、数据应用更加充分。

5 结束语

在房地产项目中，GIS提供了基础框架，为BIM模型赋予了地理位置信息。建造阶段，创建的建筑、结构、给排水、暖通、电气等各专业BIM模型，为房地产项目运维阶段提供了模型基础。目前研发团队自主开发了基于GIS+BIM集成的智慧运维平台，已在中国铁建·理想家项目开展试点应用。本文提出了将GIS和BIM集成应用及二者数据转换的方式，使GIS和BIM模型及数据更好地结合；在业务层面，提出了不同场景加载不同详细程度模型的方案；在技术层面，运用实例化技术、LOD技术、模型轻量化处理技术等技术优化模型。在此基础上，与IoT技术紧密结合，逐步建立以GIS+BIM为基础的智慧运维平台，全方位、全天候地掌握运维阶段的各类信息，为房地产运维管理提供更加高效、便捷的管理方式。