BIM+GIS技术在冬奥场馆智能化管理平台中的应用

张晓燕 姚勇

一、引言

随着BIM与GIS技术的日渐成熟，我国一些大型项目都会采用BIM+GIS技术，而在2022年将要举行的冬奥会项目中，延庆赛区的冬奥会场馆及赛道就运用了BIM和GIS技术，除了完成建筑物的设计、建造、维护外，BIM和GIS的融合以及与多源建筑物设备运行数据的融合将为冬奥会场馆、赛事运营提供强有力的支持。BIM+GIS的三维特性，是进行可视化运营的天然载体，通过对三维模型融合、多源数据融合、智能管理系统的研究，完成冬奥会智能化管理平台建设。

二、BIM和GIS融合的关键技术

（一） BIM和GIS的特点与融合

BIM（Building Information Model），即建筑信息模型，是将项目的整个生命周期内的所有信息集合在一个模型中，并包含施工进度，建造过程，运营维护等全部过程，并集合了所有几何信息、功能要求和构件性能。BIM既可以认为是建筑信息模型，也可以被理解为建筑信息建模。

BIM的概念虽然早在上个世纪七十年代被提出，但直到本世纪才开始兴起，特别是随着计算机硬件性能的提升、三维可视化技术和激光扫描等技术的成熟，日益受到重视，并在国内的建设项目中开始得到应用。

BIM技术具有如下特点：

BIM是一个由三维模型形成的数据库，该数据库存储了建筑物从设计、施工到建成后运营的全过程信息。

该三维建筑模型所包含的信息之间是相互关联的，对其中一个信息的任何更改，都会引起关联信息的改变。

基于开放的数据标准—IFC（Industry Foundation Classes）标准，BIM模型有效地支持建筑行业内各个应用系统之间的数据交换和建筑物全生命周期的数据管理。

GIS（Geographic Information System），即地理信息系统，是对地理空间信息进行描述、采集、处理、存储、管理、分析和应用。GIS技术集成了地图视觉效果与地理信息的分析，对地理分布数据进行一系列的数字化统计管理和处理，具有成熟的空间管理功能。与BIM相比，GIS技术的开发使用相对成熟，已广泛应用于测绘、城市规划、城市建设、城市应急、环境保护等各个领域。

GIS技术具有四大特点：

数据管理，是GIS中最核心的组成部分，通过统一的平台实现关系型的图形与属性数据的統一管理、浏览、查询。

空间定位，具有统一空间参考的GIS数据具有空间位置信息，可实现空间定位功能。

空间分析，具有强大的空间分析功能，可提供拓扑分析、缓冲区分析、空间插值等空间分析功能。

多元展示，GIS技术不仅实现了二维数据的展示、浏览，也可对二维数据进行加工建模，以三维模型展示空间数据。

BIM技术侧重于建筑物内部信息的管理，GIS则侧重于与建筑物相关的室外地理空间数据分析。近几年，随着各地“智慧城市”建设步伐的加快，将海量的建筑数据应用于城市地理信息的管理，提升城市精细化管理水平，BIM和GIS的融合已经大势所趋。

首先，BIM在整个建筑物生命周期都是精细化的单体建模，但如果脱离了与周围地理环境的联系只能是空中楼阁。而GIS研究宏观地理世界，有强大的空间查询和分析能力，可以为BIM模型的信息管理提供决策支持，可以更好的协助BIM。同时BIM大量的建筑信息又是GIS重要的数据源，可以让GIS由宏观走向微观实现精细的组织管理，BIM和GIS的融合真正实现了室外到室内的一体化管理。

其次，BIM数据结构包括空间图形数据（三维模型）和属性数据（建筑参数），这与GIS数据构成类似。GIS包含了BIM的数据结构（空间数据+属性数据），但BIM主要针对建筑数据，而GIS包含除建筑数据外广阔的地理数据，二者都有信息管理、空间分析等功能重叠。因此两者有融合的可能性。

（二） BIM和GIS融合的关键技术

1、BIM的轻量化处理技术

BIM模型对于建筑物和其内部构件的表达是极其精细的，对于构件的细节表达很细致，且记录了丰富的几何语义信息和属性信息，这意味着庞大的数据量。而GIS更多的是分析管理功能，比如一面墙在BIM中可能有5层：外层、面层、气层、核心层、内层等等，在GIS中我们可能不关心这5层，我们更关心墙体的长宽体积，5层墙会被抽象成1层墙体。

在BIM数据导入GIS系统时，需要进行不同程度的轻量化处理，即将模型的某些骨架进行删除或者简化。不同的领域BIM数据的精细程度也不尽相同。对GIS应用来说，根据项目实际需求，将BIM数据导入到三维GIS平台需要进行不同程度的轻量化操作。不同的开发平台提供了不同的轻量化功能，如在SuperMap产品中提供了多种BIM轻量化和三角网的操作，包括：提取外壳（外壳和内部分离）、三角网简化、子对象简化（删除）、删除重复顶点、计算（删除）法线、模型拆分、模型合并等诸多实用功能。

2、三维模型数据的转换技术

三维模型结构大体分线框模型一类、表面模型一类、实体模型一类。BIM建模主要是实体建模，如采用几何实体创建法（Constructive Solid Geometry， CSG）。一般复杂的空间实体经过简单的实体元素如圆锥、圆柱、三角锥、长方体、正方体、球体经过一系列布尔运算组合、求交集、求差集等构建。BIM中的每个模型都是一个实体，因此可以对每个室内构件进行实体查询。

而大部分GIS模型是表面模型，这区别于BIM的实体模型，它主要用边界表示法表示。边界表示法B-rep指的是GIS模型进行建模时通过三角网形成三角面或者曲面然后将这些表面进行粘合形成封闭的空间区域，表层记载了大量点、线、面几何信息与属性信息。这些模型对三维空间关系和拓扑关系的表达不足，无法支持三维的空间分析与计算，难以实现有效的三维城市建模。

技术实现方面，一种方案是基于B-rep与CSG的转换算法来对三维图形数据进行转换，过程中需要进行不同BIM数据格式到标准IFC格式的数据转换（见图1）；另一种方案，是直接在GIS系统建立三维实体数据模型，可以实现BIM主流数据的无损接入以及BIM数据到GIS平台的精准匹配。

图1 BIM与GIS模型的转换流程

三、BIM與多源数据的融合

BIM技术的发展为三维GIS提供了更为精细的三维模型，让GIS更精细化的管理成为可能。同时，随着数据采集技术的迅速发展，空间多源数据的产生为GIS数据的集成与应用带来了新的挑战。实现海量、不同来源、不同分辨率空间数据的高效融合，对降低GIS应用系统的建设成本、提高空间数据的使用效率具有重要的现实意义。

多源数据在三维场景中进行融合匹配，首先应该是坐标转换和数据配准，将BIM、三维摄影、地形测绘数据和多源传感的时空数据统一到一个坐标系。

（一） BIM与三维地形数据的融合

将BIM数据与地形数据进行融合，BIM提供了微观的数据信息，地形数据提供BIM模型在宏观环境中的位置信息及周边环境。融合过程中，需要进行实地验证遥感/航飞影像数据和地图数据的校准，以及施工区域的地表环境、地形、地貌的数字化信息与分析。具体工作包括坐标基准转换、卫星影像数据化裁切、相对坐标与绝对坐标校准匹配、不同格式数据对应转换和集成融合等技术问题。通过多源信息的融合，为用户提供更加真实、准确的可视化体验，以及三维空间分析数据支撑。

（二）BIM与物联网数据的融合

BIM将建筑物数据化、模型化，用来标明整个建筑内各类要素发生的位置。而物联网技术将各种建筑运营数据通过传感器收集起来，并通过NB-IoT或者4G/5G网络实时上传到本地运营中心，经数据处理和分析到远程用户手上。

图2 BIM与物联网融合系统效果图

图3智能化管理平台的功能架构

基于BIM技术和物联网技术的融合是实现智能建筑的基础，而BIM是物联网应用的基础，基于统一的时空网络，物联网的应用可以深入建筑物的内部，对其运行状态进行实时监控，其融合平台效果如图2所示。

四、基于BIM+GIS的冬奥场馆智能化管理平台

（一） 开发平台选择

目前三维GIS平台主要以国外ESRI公司的ArcGIS Pro，Skyline公司的SkylineGlobe软件，国内比较大的有SuperMap和伟景行公司的三维GIS平台等。其中SuperMap的三维GIS平台采用三维实体模型，提供了BIM Revit格式数据的无缝导入，并且提供了多种数据接口支持多源数据的匹配，因此本项目选用SuperMap平台进行开发。

（二） 平台功能架构

本平台是针对高山滑雪赛事赛后场地场馆的智能化管理服务平台，结合场馆精细化BIM+GIS融合模型和多源传感技术，将实现森林防火监控、设备设施智能化管理、安防分析与管理以及场馆智能引导，并支持与医疗、电商、旅游、应急救援等第三方平台的数据对接。平台的总体功能架构如图3所示。

高山滑雪场馆赛事赛后智能化管理平台在功能上重点实现场馆BIM综合展示、场馆室内导航、数字化讲解、森林防火监控、设备设施管理、场馆智能数据统计分析、容灾救援辅助等功能。

（三） 核心功能介绍

1、BIM场馆展示

首页将三维GIS和场馆精细化BIM模型进行融合展示，构建高山滑雪赛事赛后场馆智能化管理服务平台，并结合场馆设备设施管理功能模块实现对设备智能化监测和管理。通过设备列表能快速准确的找到对应设备的位置以及运行情况。

2、场馆室内导航

通过场馆和设备的BIM以及获取到的用户实时坐标数据，实现场馆的智能化导航功能。

3、设备设施管理

平台总共统计11类设备的状态参数，针对每类设备，点击该左侧列表设备类别，在BIM模型中显示该类设备在模型中的位置，并在下方显示设备监测参数的各种统计，不同种类的设备具有不同的监测数据及数据展示方式。

五、结语

本文通过对BIM和GIS数据的特点进行分析，提出了BIM和GIS融合的关键技术即BIM轻量化处理技术及三维模型数据的转换技术；为BIM和GIS的融合方法提供了一种方法，此项融合技术利于在数据融合之上进行应用开发，可大大拓宽BIM+GIS的应用空间，在三维展示、室内导览、设备智能管理等方面可进行较为创新的应用示范。

作者单位：北京北控智慧城市科技发展有限公司

【基金项目】国家重点研发计划科技冬奥专项“复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术”（编号：2018YFF0300300）