BIM与GIS集成的三维建模方法在水利工程管理中的应用

2020-05-22丁维馨张李荪

江西水利科技 2020年2期

袁媛，史赟，丁维馨，张李荪

（1.江西省水利规划设计研究院，江西南昌 330029；2.江西省水利厅，江西南昌330009）

0 引言

随着三维GIS技术的不断进步与发展，更精细化的系统设计要求被提出以适应详尽的空间管理。无论是组件GIS还是WebGIS，为了提供更多的属性信息与更逼真的实物展现，都需要提升三维建模技术。目前，已有数字模型的建立大多是基于三维GIS和Sketchup、3DsMax、Auto-CAD 等软件，生成的建筑模型只能实现外观上的可视化，没有工程属性，不能抽取施工图纸，也不能导出材料报表等信息[1]。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)能够将建筑物三维数字化模拟还原，同时具备详细的内部空间几何及功能语义信息，是信息技术在建筑行业应用发展的必然结果[2]。BIM与GIS的集成与融合对未来建筑物的精细化发展起到重要作用，推动了建筑物室内外一体化管理的发展。在软件平台的选取上，SuperMap软件基于新的行业数据标准构建，可以满足多元数据集成的需要，并具有强大的开发功能，以完成不同行业、不同层次、不同领域的GIS应用延伸。当前各地的水利信息化进程不断推进，水利工程的精细化与智慧化管理逐步加深，利用BIM与GIS的优势，构建新的水利工程三维建模方法，能够为水利工程信息化建设及智慧化内涵的不断丰富提供技术基础，推动水利工程的信息化与智慧化走上新的台阶。

水利水电工程施工的工程量大,技术工种多,施工强度高,环境干扰严重,需要反复比较论证和优化施工方案,保证施工质量[3]。BIM技术借助其在采集、处理、展示建筑物微观信息数据的优势，为建设精细化的建筑物模型提供坚实基础，能够支撑建设过程的各个阶段，可以实现建筑物建设全程的信息化、精细化、智能化管理，特别是在工程的设计阶段，其可视性、协调性、模拟性、优化性和可出图性[4]的特点能够持续保证水利工程信息的精细化及智慧化管理。

在当前的各类工程的设计、管理、编制、审批过程中确实需要借助三维GIS等高新技术手段,通过将规划方案直观地展现出来,帮助规划设计与规划管理人员对各种规划设计方案进行辅助设计与方案评审,为做最终决策提供科学有效的帮助,它使得规划审批工作变得科学、直观、快捷[5]。GIS技术作为采集、存储、分析、展示地理空间数据的重要技术，在处理和展示宏观地理环境方面起到重要作用，并可通过3D建模技术立体展示建筑物的地理位置及建筑物外部特征信息。

BIM和GIS整合已逐渐成为建筑业内的焦点。在建筑领域,建筑从设计到施工产生大量的信息,特别是建筑设计三维模型,包含了建筑详细的空间信息,各种信息集合在一起形成BIM。而在三维GIS领域,主要研究如何对城市建筑物三维建模,获得建筑的详细空间信息[6]。将GIS与BIM结合运用与水利工程建设过程中，能够充分集成并融合水利工程的宏观与微观数据，有效、精细的进行水利工程的三维建模。将水利工程的微观BIM数据与其周围宏观的GIS数据共享、集成与融合，并将融合后的数据应用于水利工程的建设、运行与维护的分析中，能够在方案决策阶段提供完整、可追溯的电子或全息模型，对不合理处及时修改，防止返工，节约成本，避免资源浪费。基于模型可进行相应的工程量及进度模拟，方便工程的投资控制和进度管理，并可有效提高水利工程信息化、精细化程度。

1 基于BIM的水利工程模型建设

1.1 概念模型建立

水利工程是一个多维的综合性系统，需获取、存储、管理、分析、查询、输出、更新工程数据及周围的地理信息数据，为水利工程管理提供准确、详细、完备的基础信息。针对上述水利工程的特征与实际管理需求，首先建立水利工程的概念模型，形成三维空间数据，概念模型如图1所示。

水利工程空间数据包括泄洪道、拦河坝、电站厂房、溢洪道等多个不同的单体化数据，每个虚拟的水利工程单体化数据都可以具像化为空间对象实体的点、线、面。点状实体由节点及标记组成，线状实体由曲线段及标记组成，面状实体由多边形及标记组成。点、线、面三种不同类型的数据与标记组后与地理坐标融合，确定水利工程在三维空间地理环境中的地理位置，最终得到的数据则为包含位置信息与具体属性信息的水利工程整体信息。

1.2 BIM模型建立

BIM模型建立的基础是结构元素建模，即最小构成单元建模，如拦河坝，以CAD底图为数据基础，在Autodesk Revit中进行BIM模型制作，BIM建模的核心特征之一是模型参数化设计，对于建筑中所需的不同构件，Revit软件中都有对应的族可供选择，对于梁、墙、柱、道等，可将Revit中系统族原有尺寸修正为实际参数进行应用，而对于孔、闸等构件则可在载入族中选择满足形状构建族，设置相关参数后进行保存可反复使用。水利工程BIM模型室外图如图2所示，室内图如图3所示。

BIM的可视化建模过程提高了模型重现精度，但各个结构元素间的碰撞现象仍不可避免，为了模型的精确还原，本研究使用当前主流检查方法，将Revit中的模型以.nwc格式导入Autodesk Navisworks软件中进行碰撞检查，根据碰撞检查结果修正模型。碰撞检查流程如图4所示。

图1 水利工程概念模型

2 BIM与GIS集成构建水利工程信息模型

基于前文已完成的内外集成的水利工程BIM模型，发挥SuperMap在GIS三维展示方面的优势，将BIM模型与GIS中的倾斜摄影、DEM等多元地理空间数据相结合，实现水利工程的微观建筑信息与宏观地理环境信息的融合，最终形成对水利工程从设计、运行到维护的精细化、全面化、一体化管理。

当前，在GIS与BIM数据融合方面，可主要分为3种方式，分别是数据格式转化、数据标准扩展和地理本体论。通过这3种方式能够初步实现GIS数据与BIM数据的相互转换与数据融合，但在此过程中仍存在地理信息数据与本体属性数据的丢失、地理本体语义信息歧义等问题。但当前SuperMap与BIM两个不同门类的数据信息都以IFC（Industry Foundation Classes，工业基础类）为标准展开建设，故SuperMap能够提供BIM数据导入入口，以IFC为BIM数据格式，通过《三维空间数据规范Spatial 3D Model（S3M）》定义的数据格式，形成两类数据间的关联列表，实现GIS数据与BIM数据间的深度融合，最终达到模型无缝对接，属性无损集成，适用于网络环境和离线环境下海量多源三维空间数据的数据传输、交换、高性能可视化。转换方式如图5所示。

图2 水利工程室外图

图3 水利工程室内图

图4 BIM模型碰撞检查流程图

图5 数据转换方式

通过上述的数据转换与融合，可以将SuperMap提供的GIS通用功能引入BIM的数据查询、分析、展示中，在水利工程实际建设过程中能够模拟建筑物建造过程、进行通视分析等功能；在运行与维护过程中能够发挥GIS提供的数据展示、数据分析及地图联动等功能，对水利工程的精细化管理具有重要意义。

3 BIM模型数据导入GIS系统

利用上述数据融合方式，充分考虑当前BIM文件格式各异的情况，利用SuperMap提供的SuperMap Export插件，将Autodesk Revit中制作的.nwc格式的文件导出为SuperMap的GIS软件支持的数据格式。在完成数据格式转换后，需要将GIS系统中的投影信息赋予BIM模型数据，才能将GIS数据与BIM数据精确融合，而SuperMap针对上述需求，提供的SuperMap Export插件能够在BIM数据导入GIS系统后对BIM数据进行点式插入及自定义投影，其中插点式投影可在BIM数据中编辑插入点信息，对点位设置球面坐标或平面坐标，而自定义投影则可以选择投影方式导出BIM模型。从而保证BIM数据与GIS数据的精确套合。

除上述基础的数据套合功能外，SuperMap在保证BIM数据装载、展示方面引入以下技术：

（1）基于四叉树的LOD技术。基于四叉树模型，融合视点相关的LOD（Levels of Detial，层次细节）简化方法，选择多分辨率地图，近视点用高息借的层次表示，远视点用粗糙细节表示，实现了在SuperMap中快速显示海量真三维数据，且视点距离越近，真三维数据细节越多。

（2）数据裁剪技术。利用遮挡物进行可见性测试，以识别场景是否被遮挡，对所有瞬间视点附近的大型遮挡物识别预处理，反复进行可见性测试，保证尽量少的、离视点近的动态遮挡目标数组被处理。

（3）数据动态装载技术。采用数据分层、分块及数据动态更新的算法，实现多层次的水利工程场景实时描绘，并利用多线程运行机制削减场景加载延迟。

利用上述技术，SuperMap能够突破BIM模型在GIS平台中的数据装载及展示方面的瓶颈，从数据层面解决三维场景如何共存BIM与其他海量三维模型，在满足场景完整性需求的同时提升浏览性能。

4 水利工程三维模型综合应用

与当前的智能传感器及物联网技术相结合，基于SuperMap提供的二、三维一体化地理信息技术、BIM数据装载能力与浏览能力，与水利工程中包含的各类传感器（如：温湿度、水位、水量、降雨量）所采集到的数据进行融合，如图6所示，也可与视频监控数据相结合，并在水利工程三维模型上进行显示，提高水利工程管理可视化、精细化、智慧化程度及管理效率。

5 结语

BIM技术在水利工程建设过程中有一定优势，而集成GIS技术则可将BIM技术的优势延伸贯穿整个工程的生命周期，将BIM与GIS集成的三维建模方法在江西省峡江水利枢纽工程中应用，能够提升峡江水利枢纽工程运维人员的管理能力及运维能力，也能够为管理部门提供更加高效、便捷的渠道，获取峡江水利枢纽工程的相关信息。同时，BIM与GIS集成的三维建模方法在峡江水利枢纽工程中的成功应用，为江西省其他相关水利工程项目管理手段的提升提供了参考。