基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架

刘金岩，刘云锋，李 浩，赵 萍，尹 笋

（1. 吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021，E-mail:shshrsh0826@163.com；2. 河海大学，江苏 南京 210098；3. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010）

基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架

刘金岩1，刘云锋2，李 浩3，赵 萍3，尹 笋3

（1. 吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021，E-mail:shshrsh0826@163.com；2. 河海大学，江苏 南京 210098；3. 长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010）

为促进BIM技术在水利工程的应用，解决BIM和GIS集成的数据转换问题，基于对BIM的数据特征、IFC格式

建筑信息模型；地理信息系统；IFC；CityGML；水利工程

近年来，信息技术的逐渐发展为水利工程管理提供了新的技术。GIS（Geographic Information System）是一种特定的空间信息系统。在计算机系统（包括硬件和软件）的支持下，它采集整个地球表层或者部分空间中的地理数据，然后可以进行分析、运算、显示和管理，以及存储数据和描述数据［1］。近年来随着信息技术的发展，作为新兴的技术与学科，GIS被广泛应用于各行各业包括水利工程行业，并取得了惊人的发展。BIM（Building Information Modeling）技术是从传统的2D设计向3D数字化建筑设计转变的重要技术，它是以CAD技术作为基础发展起来的［2］。目前，中国的水利建筑行业处在一个转型时代，从传统向现代科技进行转变。随着信息化的发展，2015年水利部正式提出为了促进水利现代化大力发展建设水利信息化的理念。推进水利工程信息化建设，就要结合BIM技术和GIS技术在水利工程的应用。目前许多城市，政府和企业表现出极大的兴趣在构建虚拟三维城市、建筑和基础设施（包括水利工程）的模型。欲要实现许多3D模型的结合，需要解决BIM和GIS 的3D模型整合问题，最终在同一个3D模型上显示空间和地理信息。但是，BIM和GIS的集成方面，目前还存在诸多问题。

BIM和GIS是采用不同的数据格式，因此首先要解决不同数据格式中的数据转换问题。IFC （Industry Foundation Classes，工业基础分类）作为BIM模型中一个关键且规范的数据交换标准，使得BIM 中大量软件的数据交换成为可能。例如Archicad，AutoCAD 和Bentley MicroStation。GIS系统使用的是 CityGML格式。在过去的几年里，有人尝试在建筑和交通基础设施实现 BIM和 GIS的集成，而在水利工程中的应用尚为空白。因此本文试图解决两个数据格式的交换问题，实现水利工程3D模型中的BIM模型和GIS模型的交互，为水利工程的建设和运营过程提供良好的模型基础。

1　BIM和GIS的数据特征

3D技术作为BIM的基础，使得BIM技术能够集成项目全生命周期内的各个阶段不同类型的信息，比如建筑构件的几何形状，结构的材料等，从而建立项目功能和实体一体化的数字化模型。此3D模型还可以整合项目全生命周期内的全部建造信息，包括设计阶段，施工阶段和运维阶段，从而方便项目管理［2］。

BIM 模型中包含了建筑的几何信息和语义信息。BIM也被定义为一个数字表示的建筑的物理特征和功能特征，以及建筑的环境。同时BIM也表示了逻辑结构且很好地解释了建筑物体的空间性，并可以实现可视化。因此，促进利益相关者信息共享对于BIM是一个很重要的技术，同时给予项目管理者更好的决策指导，包括建筑工程和水利工程项目。BIM包含的丰富信息使得BIM能够为水利工程的应用提供了坚实的基础。

1.1BIM的数据特征

对于BIM和GIS的集成问题，首先要分析清楚BIM的数据特征，以便于解决后续的数据转换问题。

（1）面向对象。BIM 系统主要是面向对象开发的方式，便于通过模型导航和跟踪流程。

（2）数据丰富和数据综合全面。BIM可以覆筑物的物理特性和功能特性，包含丰富的数据和综合全面的信息。

（3）空间关系。BIM能使建筑的各个构件的空间关系在一个层次结构方式里表示出来。

（4）语义丰富。BIM在建筑结构和空间关系上包含了大量的细节和语义信息。

（5）支持视图生成。BIM通常有不同的视图基于用户的需求。这些视图可以基于信息模型生成，并且可以聚合成更大的模型。

1.2BIM的数据标准格式IFC

IFC是被用来表示建筑行业的基础分类。1995年，欧洲研究计划同意使用IFC代表建筑行业特定的分类图。这些图表通常表示空间对象的图形及其关系的逻辑视图系统规范。它是一组实体及其关系，代表了一个复杂的数据模式。IFC定义了数据元素，并表示建筑的各个部分及空间关系［4］。此外，还包含了关于空间扩展部分的相关信息。

IFC的模式结构具有4个层次结构。每一个层次都有一个概念层作为一个个体模式，并被定义为模式化的结构。这些层次如图1所示。

图1　IFC 结构层

1.3GIS

基于GIS技术，可以在3D模型中表达水工建筑物的环境信息。但是这里存在两个关键的问题:一是需要考虑水工建筑物先进的几何信息模型，第二是需要解决水工建筑物的建筑模型和所在区域空间环境模型的整合规则和框架。

1.4GIS的数据标准CityGML

随着一个开放标准的广泛需求，CityGML诞生了。CityGML被开发成一个共同的语义信息模型，代表不同的三维城市和地理对象，并且他们之间共享不同的应用程序。CityGML是一个基于XML格式的开放数据标准。它可以被用来存储、交换虚拟的3D物体和城市模型在一些应用程序上。CityGML可以表示图形外观和标准分类，也可以表示城市和区域里具有相关性的地形物体的关系。它不仅可以表示城市中的建筑结构，也可以表示高程、植被、水体和更多的物理对象。因此，CityGML可以实现复杂的分析，重复的任务，支持决策和主题查询。

CityGML被设计在5个不同的细节层次（Level of Detail，LOD，以下简称LOD）里面，在被用于表示水利模型物体时候，可根据不同的要求给出不同的细节层次的应用模型［5］。

LOD0拥有最少的细节，被用来表示大的或者比较少细节的物体，类似于数字地理模型。LOD1通常被用来表示建筑的块状模型。LOD2展现了不同结构的差异，比如屋顶、表面、材料和植被。LOD3考虑了建筑层面，它通过表示纹理来包括更多的建筑和物体的细节，比如墙、屋顶结构、门、窗和阳台等。LOD4添加了更多的细节去链接外部设计和内部设计。它表达了房间、分区、室内门、楼梯、家具、电量单位、通风设备和装饰部件等。

2　IFC和CityGML的数据整合

因为不同的可视化需求，以及水利工程的计划、建造、3D模拟等需求，人们需要将外部应用和内部应用进行有机的结合。基础设施（包括水利工程）和建筑工程中BIM和GIS的结合已经成为建筑和环境应用结合的核心。对于BIM和GIS的结合，需要开发语言模型去表示空间物体和建筑元素。IFC和CityGML是两个很好的例子，能够基于这两个数据格式建立内部的语义模型（建筑或水工建筑物）和外部的语义模型（水工建筑物周围的环境）。一些研究表明［4，5］可以整合两者之间的数据交换，但是目前缺乏一个完整的关于信息自动转换的描述性框架。

2.1数据转换之间存在的障碍

GIS的模型不同于BIM模型，它是基于语义概念上的表示建筑环境应用的空间的物体。由于建筑元素在语义模型上的要求，不同的BIM模式已经包含了几何模型信息和语义模型信息。这些模型在BIM和GIS领域内包含几何和语义的表示，并且基于物体的概念数据结构。但是，整合 BIM模型和GIS模型，实现数据从一个模型转到其他存在的模型里不是一件容易的事，存在以下障碍:

（1）不同领域的问题。BIM模型和GIS模型是由不同领域的人完成的。其设计者来自于不同的领域和专业背景。这两个领域内存在技术障碍，同时也使得在应用的过程，两个标准不能自动转换。

（2）设计BIM模型的软件问题。如果大多数BIM模型是在设计阶段完成的，那它存在比较好的整合状态。但是大多数的建筑没有完整的 BIM模型，比如国内的一些水利工程项目是在很多年以前建设的，目前为止还没有它的BIM模型，这就使得既有建筑水工建筑物的模型比较困难。

（3）设计BIM模型依据的文件存在问题。在国内，大多数的BIM模型都是来自于CAD图纸。这样使得BIM模型缺乏物体定义，即缺少大量的语义信息。在整合BIM和GIS的时候，一个语义丰富的BIM模式是十分重要的。

（4）细节层次（LOD）的问题。通常情况下，不同的空间物体表达是根据不同的LOD层次。较低层次的LOD表示区域层次，较高层次的LOD表示建筑物的细节和设备。GIS模型考虑的是在项目层面的信息，而BIM模型考虑的是一个水工建筑物的细节部分。即使实现了数据的自动相互转换，转换也是相对比较耗费时间的。

（5）大地参考系统和投影系统的问题。BIM模型在设计初期，通常使用的是本地坐标系，而GIS通常使用的是大地坐标系。这个问题在数据转换时需要考虑进去。

（6）BIM模型的复杂程度。BIM模型的一些复杂的参数化形状，比较难转换到GIS系统中显示出来。比如BIM模型中的不同管道之间的链接点，如果涉及到比较复杂的设计和参数，可能在转换过程中丢失数据，因此，两者数据转换需要考虑到这一点。

2.23D模型数据转换框架

基于上述数据转换之间存在的障碍，本文提出一个解决BIM模型和GIS模型转换时语义信息和几何信息可以一一对应的框架，从而可以很好地解决两个不同数据标准IFC和CityGML之间的数据转换问题。这个框架下的数据转换包含两个步骤，如图2所示。

第一步:水工建筑物的3D图形和数据，以及区域的信息收集来自于不同的渠道。这些数据通常以X3D，DXF，KML和COLLADA的格式存储，这个格式是被用来创建可视化模型的。需要解决的问题是通过空间文本信息整合语义数据。在这个过程中，需要创建空间语义模型去链接几何构件和语义构件。并且 CityGML被用来作为一个目标结构去表达转换过程的中间层。其中包括了3个方面去获取数据:

（1）2D信息。通常采用摄影测量法，比如360°旋转拍照、航拍等先进的技术，获取基本的2D信息。然后根据图片和2D信息进行3D几何重建，比如说根据2D图纸去绘制3D的BIM模型。

（2）3D 信息。通常采用激光扫描（laser scanning）和地面测量（全站仪测量等），获取3D的信息，直接用于3D模型的绘制。

（3）3D设计。目前有Autodesk公司的Revit可以直接进行3D的模型绘制，直观方便。

未建立的2D几何图形需要和非语义的信息转换为3D的GIS信息和3D的模型。

第二步:将创建好的CityGML转换为IFC模型。以解决CityGML和IFC数据层次的对应关系，从而实现数据模型的转换。图2的框架给出了相似的参考概念，即关于水工建筑物中语义和建筑构件的CityGML的定义和IFC的定义。

在第二步中还需要考虑大地参考系统和投影系统的问题，需要把BIM模型中的本地坐标系转换为GIS系统中的大地坐标系，这样两者方可统一。此外，BIM模型的轻量化处理也是必要的，将BIM模型的细节层次降低到和GIS的模型一致，从而加载水利工程的BIM模型到GIS系统中，准确现实模型在GIS系统的位置和信息。

对于水工建筑物的建模领域，这个数据转换框架将会实现的初始结果具有两大优势:

（1）CityGML和IFC在水工建筑物的语义层面拥有相同的概念。这个很可能使得两个系统提供一个知识数据库快速访问和查询到对应的建筑模型，包括建筑物的细节元素。

（2）这个框架支持了一个定义好的建筑环境中的用户界面。同时，CityGML也被用作一个信息丰富的语义模型。这些可以帮助在不同的3D模型之间实现无损的连接和信息交换，包括CAD、Revit和复杂的细节的IFC模型。

图2　IFC和CityGML数据转换的框架图和集成模型应用

3　BIM和GIS集成在水利工程的应用

按照上述的IFC和CityGML相互转换数据的框架，可以顺利地实现 BIM模型中的数据和 GIS系统中的数据无缝衔接和传输。根据图2对于BIM数据和GIS数据的转换问题，信息的处理可以实现3个层面的应用:信息和模型的可视化，利用 3D模型实现水利工程建筑的设计规划［6］、运营管理，以及工程的建设计划、能源消耗和运维管理。基于此，不仅可以实现BIM模型和GIS系统的集成，也可以使得水利工程建设管理人员根据BIM和GIS的集成系统，进行水利项目的全生命周期的管理和应用。图 3为水利工程建设全生命周期 BIM+GIS集成应用实现框架图。

图3　水利工程建设全生命周期BIM+GIS集成应用实现框架图

（1）项目可行性研究阶段。GIS技术能够提供丰富的数据和分析地理空间信息，从而帮助项目管理者建立地形、地貌等数字模型。GIS不仅能够建立各种类型专业的数据地图，而且形象地展现水工建筑物与周边环境的空间关系。由于水工建筑物通常比较复杂，BIM 在可行性设计阶段，可以结合GIS提供的准确的地理信息，设计模拟出场地的利用情况，为水利工程的设计模拟出多个可选择方案，为决策者提供合理的决策建议。

（2）水利工程设计阶段。BIM用三维模型直观地、生动地表达出水工建筑物的各个细节。BIM也可以实现建筑物内部不同专业的碰撞检测功能，大大减少了设计工作量，有效地防止了施工过程的返工风险［7］。并且BIM可以模拟建筑物内部的细节，实现设计的高效和精准。再比如水工建筑物内部的灾害逃生路线设计，都可以在BIM模型中进行仿真模拟，大大提高了设计效率。同时，GIS技术可仿真的模拟整体的洪水淹没情景并分析，进一步提供相应的设计数据。不仅如此，BIM还为业主展示3D可视化，提前查看施工后的3D渲染模型。BIM和GIS的整合，为不同设计专业人员之间的合作提供桥梁，使得设计准确，参数精确，也为后期的运营维护提供了良好的基础。

（3）施工阶段的场地布置。水利工程项目管理者，可以采用BIM技术和GIS技术，同时考虑水利工程项目场地的有利条件，预测水工建筑物的结构选型，选择最优的水利工程场地。不仅可以保证项目结构设计能够符合当地水文、地质和气候条件，而且保证了项目施工过程中的安全性，项目结构的稳定性，从而增加项目顺利实施的可能性。

（4）施工质量和安全控制。基于BIM和GIS集成的模型，可以实施全程工程监控和报警预警系统，准确定位各个施工细节和预测未来的可能性。在水利工程建设过程，帷幕灌浆是水利工程地基防渗处理的主要手段，BIM技术使得工程的施工质量控制更加高效。施工阶段还可以4D进度设计和管控，能够良好的控制施工进度。

（5）工程后期的运维管理。施工结束后，为业主提供无纸化电子的模型交付。GIS具有对于水工建筑物周围环境和地理信息的整体性功能，它可以实现覆盖整个河流区域的空间信息以及地理信息。BIM包含了水利机电设备、闸门、通信信号设备等静态信息，为维护管理提供了准确详细的信息。GIS和BIM还可以分析动态信息，例如项目管理者可以监控设备的运营是否安全，在3D模型的情况下，可以清楚的显示各个控件的运营情况。再结合 BIM模型对于水工建筑物内部构造的几何信息和非几何的属性信息的分析和管理应用，更大地发挥 BIM模型在水利工程的运营阶段发货很大的作用。

4　结语

建立水利工程的BIM 3D模型，可以对工程建造中的成本、质量、进度和安全进行精细化控制。GIS可以提供地理环境、空间地理信息、水文等数据。GIS技术在水利工程中的应用已经相对成熟，但是BIM技术只是刚刚起步。推进水利工程建设的信息化程度，融合以上两种信息技术是关键。因此，本文分别对BIM和GIS技术的数据特征进行分析，对各自的数据格式IFC和CityGML进行几何信息和语义信息的层次结构进行分析。不仅总结了集成BIM和GIS过程中数据转换存在的障碍，还提出了可以实现BIM和GIS集成的IFC和CityGML数据转换框架。以期为水利工程建设中BIM和GIS的集成系统提供参考建议，促进水利工程建设发展。

［1］任晓春.铁路勘察设计中 BIM与 GIS结合方法讨论［J］.铁路技术创新，2014（5）:80-82.

［2］《建筑信息模型》报告编委会.建筑信息模型——设计与施工的革新，生产与效率的提升［R］.北京:麦格劳-希尔建筑信息公司，2009.

［3］刘延宏.基于BIM+GIS技术的铁路桥梁工程管理应用研究［J］.交通世界，2015（27）:30-33.

［4］汤圣君，朱 庆，赵君峤.BIM与GIS 数据集成:IFC 与CityGML 建筑几何语义信息互操作技术［J］.土木建筑工程信息技术，2014，6（4）:11-17.

［5］ de Laat R，Van Berlo L.Integration of BIM and GIS:The development of the CityGML GeoBIM extension［M］. Advances in 3D geo-information sciences.Springer Berlin Heidelberg，2011:211-225.

［6］许庆义，杨小秋.基于 GIS的水利工程管理系统研究［J］.江苏科技信息，2015（13）:45-46.

［7］林 伟，路佳欣，程雷梓，等.BIM在小南海水电站施工组织设计中的应用 ［J］.水电与新能源，2013（6）: 32-35.

Application of BIM and GIS Based Data Integration in Water Conservancy and Hydropower Engineering

LIU Jin-yan1，LIU Yun-feng2，LI Hao3，ZHAO Ping3，YIN Sun3
（1. Jilin Province Hydro and Power Design Institute，Changchun 130021，China，E-mail:shshrsh0826@163.com；2. Hohai University，Nanjing 210098，China；3. Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In order to promote the application of BIM in hydropower engineering，this paper analyzed the data characteristics of BIM，IFC domain and data structure，and it explained the CityGML data format in GIS system，semantic information and geometrical information in Level of Detail. After that，it summarized the barriers of data exchange between IFC and CityGML when integrating BIM and GIS. Based on the analysis，it proposed a data exchange framework to achieve the data exchange between BIM and GIS. It also explored the potential application of BIM and GIS system in the whole life cycle of water conservancy and hydropower engineering，providing useful suggestions for construction managers using integrated BIM and GIS system.

BIM；GIS；IFC；CityGML；hydropower engineering

TU17

A

1674-8859（2016）04-095-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.018

刘金岩（1978-），男，工程硕士，高级工程师，研究方向:水利水电工程设计与管理；

刘云锋（1989-），男，博士，研究方向:土石坝与堤防工程、土工合成材料工程应用；

李 浩（1976-），男，博士，研究方向:流域水资源管理方面的研究；

赵 萍（1990-），女，硕士，助理工程师，研究方向:水文及水资源管理；

尹 笋（1988-），男，博士，研究方向:水文及水资源管理，水利水电工程管理。

2016-04-11.

数据的结构层次、GIS系统的CityGML数据格式以及CityGML中语义信息和几何信息的细节层次结构进行详细分析的基础上，总结了BIM和GIS集成时IFC和CityGML数据转换中存在的几个障碍。基于此，提出了可以实现BIM和GIS集成的IFC和CityGML数据转换框架。并探讨了BIM和GIS集成系统在水利工程全生命周期中的应用和前景，为水利工程各个阶段应用BIM和GIS集成系统提供有利的参考建议。