面向建设工程全生命周期应用的CAD／GIS／BIM在线集成框架

薛 梅，李 锋

（重庆市勘测院，重庆 400020）

0 引言

在城市规划和公共服务领域，地理信息系统（GIS）实现了大范围地理空间信息的集成、可视化和广泛应用。在建设领域，计算机辅助制图（CAD）、建筑信息模型（BIM）代表了行业信息化主流。尽管CAD、GIS、BIM研究的核心都是城市空间对象，但术语、信息标准、建模尺度以及要解决问题的技术本质不同，为开展跨领域的互操作集成带来挑战。随着跨领域信息集成研究的深入，CAD／GIS／BIM 集成成为国内外共同关注的前沿技术。国际化标准组织开放地理空间信息联盟（OGC）提出了对三维数据标准城市地理标记语言（CityGML）和网络要素服务（WFS）进行扩展，以支持CAD／BIM和GIS信息集成的标准化方向，并成立了三维信息工作组。Lapierre等据此开发了相关测试原型系统［1－6］。朱庆比较了建筑对象的工业基础类（IFC）数据模型标准和City GML标准定义的CAD／BIM模型与三维GIS模型的表达机制的区别，并提出集成难点在于高细节层次模型到低细节层次模型的自动转换［7］。李德超等分析了BIM与GIS的区别，从数据组织、应用模型等方面探讨BIM在数字城市三维建模中的应用［8］。薛梅等提出了定义具有空间语义一致性的建筑构件信息模型，开展BIM和三维数字城市集成应用的方法［9］。

本文面向建筑、道路、管线等建设工程全生命周期信息集成与管理需求，结合信息模型标准化现状，提出CAD／GIS／BIM在线集成技术框架，包括建设工程信息模型、CAD／BIM要素服务、3DGIS在线客户端、建设工程全生命周期应用4个核心内容。基于CityGML扩展的建设工程信息模型是语义空间信息存储、读取及协同应用的基础；CAD／BIM要素服务提供建设工程信息模型在线访问与修改的标准化接口；自主研发的客户端软件实现对CAD／BIM要素服务的访问、三维场景中建设工程模拟展示和全生命周期集成应用。本技术框架实现了CAD／BIM信息在大范围三维地理场景中的集成、可视化模拟与分析，为建设工程设计、施工、运营期智慧应用提供了支撑。

1 CAD／GIS／BIM在线集成框架的总体思路

本文研究核心为多源、异构城市地理空间数据和建设工程信息的在线集成及全生命周期应用。建设工程全生命周期涉及决策、设计、施工、运营、拆除阶段，涉及多种数据格式和语义信息，通过开展CAD／GIS／BIM在线集成，有助于建设工程各阶段信息的实时集成与共享，充分发挥GIS空间数据集成整合、地理模拟、地理分析的优势，提高工程管理的效率和科学性。

基于OGC推荐的服务发布－发现－绑定模式建立了CAD／GIS／BIM在线集成框架，以实现多源网络异构数据集成（图1）。框架包括数据、服务、模型、应用4个层次。数据层包括分布式存储的二维GIS数据、三维数字地形、三维城市模型、BIM数据和CAD数据；服务层包括OGC网络目录服务（CSW）、网络地图服务 （WMS）、网络要素服务（WFS）、网 络覆盖 服 务 （WCS）、网 络三维 服 务（W3DS）扩展和CAD／BIM模型要素服务；模型层包括OGC地理标记语言（GML）、OGC城市地理标记语言（City GML）和建设工程信息模型；应用层以CAD／GIS／BIM在线集成客户端为基础，提供服务发现、三维地理环境浏览、查询、分析等功能，并在此基础上开展建设工程模型集成、选址规划、交互式设计、施工管理、运营管理等全生命周期应用。

CAD／GIS／BIM在线集成框架应用了多个OGC服务和数据标准。其中OGC CSW定义了空间数据和服务元数据搜索、发现和注册接口；OGC WMS／WFS／WCS服务定义了二维矢量、影像数据发布和访问接口；OGC GML和City GML分别定义了二维和三维地理空间数据共享交换标准。对基于OGC标准框架进行了以下扩展：1）扩展OGC W3DS服务，以适应客户端对三维模型场景组织、多细节层次调度、数据缓存的需要；2）基于City GML应用领域扩展模型（ADE）定义建设工程信息模型，包括建筑（GeoBIM ADE）和基础设施（GeoInfra ADE）两大类别；3）参考 WFS、WFS-T定义CAD／BIM 模型要素服务，读取CAD／BIM数据并返回为GIS可识别的建设工程信息模型；4）研发CAD／GIS／BIM 在线集成客户端，实现对二三维GIS服务、CAD／BIM模型要素服务的发现、访问和应用。

2 CAD／GIS／BIM在线集成框架的关键技术扩展

2.1 建设工程信息模型

建设工程信息模型的核心在于对各类建设工程全生命周期的空间、业务信息的全面整合与关联集成。以IFC为代表的建设工程信息模型标准和以CityGML为代表的3DGIS信息模型标准都对城市空间信息进行了定义。IFC侧重于单体建筑工程建筑、结构、设施等多专业信息的整合共享，而City GML主要从地理空间角度对道路、隧道、桥梁、建筑、管线等建筑物进行定义，二者涉及领域和技术特性各异，因此需要结合建设工程业务应用需求和3DGIS平台空间信息表达和渲染的技术特性重新定义建设工程信息模型。VAN BERLO等建立的GeoBIM ADE模型基于City GML应用领域扩展模型实现了对建筑信息模型的扩展定义，并应用到开源模型服务BIMServer中［2］。本文在借鉴GeoBIM ADE基础上进行进一步扩展，增加了对道路管线等市政设施的定义模型GeoInfra ADE。

GeoBIM ADE和GeoInfra ADE信息模型如图2所示（见封3）。通过继承CityGML核心类CityObject，实现对建筑（AbstractBuilding）、道路（Road）、管线（Pipe）工程对象扩展定义，通过继承CityGML核心类Feature、MultiSurface，实现对门（Door）、窗（Window）、楼梯（Stair）、栏杆（Railing）、路段（RoadSegment）、交叉口 （RoadCross）、横 断 面 （Road HDM）、纵断 面（Road ZDM）、供水管线（GS）、排水管线（PS）等建筑工程详细信息几何属性定义；通过划分建筑工程对象LOD级别，实现对空间对象的多细节层次管理，如在GeoBIM ADE中，ifcRoofSurface表示建筑屋顶表面，属于LOD2级别，ifcInterior WallSurface则表示建筑室内墙面，属于LOD4级别。

2.2 CAD／BIM模型要素服务

自定义的CAD／BIM模型要素服务是在线集成框架的服务基础，通过读取建设工程CAD／BIM数据并将其转换为建设工程信息模型（GeoBIM，GeoInfra），为3DGIS在线集成应用客户端提供建设工程信息数据来源。国外相关研究已实现了CAD／GIS、BIM／GIS几何、属性数据和地理参考坐标的转换，并开发了成熟的商业软件［3－6］。在 CAD／BIM数据格式转换层面，目前最大挑战来自于BIM数据的高复杂度和大数据量［3，4］。

本方案基于FME的数据映射工具实现CAD／BIM模型要素服务的定义与封装。CAD／BIM模型要素服务遵守在线网络语言标准4（OWL4），参照WFS、WFS-T服务接口标准，提供GetCapabilities、Get FeatureInfo Model、Post FeatureInfo Model3个主要服务接口。GetCapabilities提供对服务元数据资源的访问接口，调用该接口将返回一个包含服务元数据文档的响应文件，元数据主要包括数据提供商、数据内容、数据版本、数据范围、坐标系等内容，在建设工程CAD／BIM文件常采用施工坐标系，通过在元数据信息中定义坐标转换参数，实现CAD／BIM施工坐标系和GIS地理空间坐标系的统一；GetFeatureInfo Model提供对具体工程信息模型数据的访问接口，用户通过输入关键字等条件搜索数据，服务返回符合GeoBIM、GeoInfra标准的响应文件；Post-FeatureInfo Model接口通过事务方式提供对建设工程信息模型的更新。

2.3 CAD／GIS／BIM 在线集成客户端

CAD／GIS／BIM在线集成客户端基于自主研发的平台（3DGIS）进行二次开发，平台支持用户对复杂的虚拟地理环境中三维城市对象和景观模型的创建、编辑、管理；支持dwg、dxf、3dx、shp等常见文件格式；支持基于LOD的大规模三维场景的动态调度和高效渲染。在线集成客户端框架的主要组件如图3所示。网络服务适配器组件实现对OGC WMS／WCS／WFS标准服务、OGC W3DS扩展服务和CAD／BIM模型要素服务的识别与访问，进而利用3D绘制引擎和3D分析引擎实现二三维GIS数据的叠加、展示和查询分析应用；对于建设工程信息模型，通过参数化驱动建模引擎实时将建筑工程信息模型构建为三维可视化模型，进而开展建设工程在三维场景中的集成和全生命周期应用。

基于上述在线集成框架，客户端在线访问CAD／BIM数据的过程为：1）通过GetCapabilities接口搜索到符合条件的数据服务目录；2）目录服务返回BIM／CAD数据URL及查询字符串，根据查询字符串将提取相应的信息要素；3）用户在客户端输入查询字符串，后台程序发送Get FeatureInfo Model的BIM／CAD要素服务请求；4）Get FeatureInfo Model服务根据请求提取相应要素并发送给客户端，采用zip方式进行压缩；5）客户端获取数据，基于参数化驱动建模引擎进行实时绘制。

通过客户端在线修改CAD／BIM信息的过程为：1）用户在客户端修改信息模型的参数，如道路平面线型、建筑门窗尺寸等；2）用户上传修改后的信息模型；3）客户端根据上传操作，对信息模型数据进行数据打包编码，并发送Post FeatureInfo Model的WFS服务请求；4）接收到Post请求，创建一个新的要素模型；5）服务上传 GetCapabilities定义；6）OGC目录服务根据该定义提供该要素服务的元数据；7）用户可以根据目录服务访问到修改后信息模型要素。

3 应用实践

3.1 大范围场景数据集成

CAD／GIS／BIM在线集成框架应用的典型方面是分布式建设工程数据在大范围三维地理空间场景的实时加载和无缝集成。3DGIS已经实现室外地形地貌、建构筑物的空间展示，但并不包含这些人工设施的语义信息。通过建设工程信息在3DGIS的实时加载和集成，为传统数字城市提供了高精度工程级别空间和语义信息。本文在重庆主城区开展了分布式CAD／BIM数据在大范围场景的集成应用示范，数据格式、范围、服务和模型如表1所示。图4a、图4b为建筑BIM模型在三维地理空间环境的集成效果；图4c、图4d分别为CAD管线数据、道路设计数据集成效果。基于建设工程语义和空间信息集成成果，可开展建筑、管线、道路等设施的语义化查询分析。例如，在3DGIS浏览器中实时查看建筑室内空间结构、道路管线及附属设施的空间及语义信息，可以分层、分构件查询、展示、统计建筑内部信息；可以实时统计路段长度、车道数量、附属设施数量等信息。结合GIS的地理模拟与空间分析特性，还可进一步拓展建设工程全生命周期应用。

表1 大范围数据集成示范Table 1 Data integration demonstration in large range

3.2 全生命周期管理应用

在建设工程领域，BIM已在工程深化设计、建筑系统性能和持续性设计分析、4D施工模拟中开展了大量应用，其在设计、施工阶段的优势和潜力得以体现［10－14］。通过开展BIM、CAD和 GIS的集成应用，充分发挥GIS在地理模拟、空间分析中的优势，有助于进一步拓展建设工程全生命周期信息集成管理应用链。在项目规划阶段，基于集成方案周边建筑、道路、地形、管线等地理空间数据的3D GIS软件，结合GIS缓冲分析、叠加分析、地形地貌分析等功能开展场地使用条件评估和分析，有助于开展科学选址规划（图5a）；在方案论证阶段，基于三维数字地形可视化与编辑功能，在三维地理空间环境下开展方案的草绘、参数化交互式设计与日照分析、通视分析等3D模拟分析，通过将初步论证研究结果导出为BIM／CAD格式，为开展深化设计、建筑系统分析、4D施工模拟等设计、施工管理工作提供初步成果数据（图5b、图5c）；在项目运营阶段，通过在3DGIS软件中集成CAD／BIM建筑工程深化设计成果（空间信息、设备参数等），为设备运营维护提供可视化支撑，通过和室内定位、门禁系统、监控系统、结构安全监测系统等进行动态集成，实现项目智能化运营管理；基于室内外一体化集成信息的路线分析、缓冲分析功能，为制订疏散救援应急预案、灾害发生后快速获取设备状态信息，开展应急救援指挥等应用提供支撑（图5d）。

4 结论与展望

针对建设工程全生命周期管理应用的需求，本文提出了面向服务的CAD／GIS／BIM在线集成框架。以扩展OGC CityGML建立的建设工程信息模型为核心，设计了CAD／BIM模型要素服务和在线集成客户端，通过应用实践验证了该技术框架的可行性。通过开展CAD／GIS／BIM在线集成和应用，一方面为三维数字城市补充了建设工程语义化、结构化空间数据，为数字城市向智慧城市发展提供了丰富的数据来源；另一方面结合建设工程全生命周期应用管理的需求，综合利用GIS、CAD／BIM的技术特点和优势，拓展了信息集成应用的链条，探索了测绘地理信息和建设工程领域深度融合的技术前景。模型多细节层次数据转换，BIM数据发布转换中的语义丢失和集成分析效率是在实践过程中遇到的主要瓶颈。下一步拟采用云计算架构提高协同计算和分析能力，促进框架在建设工程领域的应用推广。

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