BIM与GIS集成的三维建模方法研究

摘要:  三维GIS 良好的表面模型分析能力与几何语义信息丰富的BIM 数据集成是实现从外部环境走向内部部署的必经步骤。本文概述了多种集成方法，主要介绍了基于SuperMap 软件平台实现两者集成的方法应用，其中，精细模型数据由Revit 软件构建，使用 语言进行开发，并通过iServer 向网络发布三维地图服务。

关键词:  建筑信息模型( BIM) ; 地理信息系统( GIS) ; 三维建模; SuperMap

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 的集成对未来智慧城市的发展起到关键作用，填补了建筑物室内外一体化应用的空白。在软件平台的选取上，SuperMap 软件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层次的GIS 应用延伸。

1 BIM 与GIS 集成的方法

为了实现BIM 与GIS 的无缝衔接，国内外学者在不同方面进行研究。IFC ( Industry Foundation Classes) 是BIM 数据的一种标准，作为一个建筑数据模型标准，其他的软件都把自己的数据按照IFC 标准进行生产，这样形成同一数据模型的建筑产品，以IFC 标准格式的数据流通 ^[3]  。CityGML( City Geography Markup Language，城市地理标记语言) 是一种3DGIS 领域通用的数据模型标准。

两者的整合应该从数据层、语义层、拓扑层以及可视化层4 个层面进行 ^[4]  。薛梅根据IFC 标准基础，结合数字城市应用特点设计了具有空间语义一致性的建筑构件信息模型BCM( Building Component Model) ，在此基础上提出建筑信息模型和三维数字城市集成方案 ^[5]  ; Azarakhsh ^[6]  等利用Extract Transform Load( ETL) 程序将IFC 格式的BIM 数据转换为矢量地理格式，用ID 值相互连接，在此基础上进行房屋的视角分析和阴影分析; 赵霞等提出语义约束的RVT 模型到CityGML 模型的转换方法，以BIM 模型丰富的语义信息为约束实现几何简化及转换 ^[7]  ; 彭雷等通过数据解析的方式提取BIM 模型关键要素，转化为可被三维GIS 平台Skyline 软件接受的DirectX 格式，各部件的语义信息靠ID 值一一对应，然后对Skyline 进行二次开发，实现建筑物间距自动审批功能 ^[8]  ; 范登科以铁路车站三维信息模型为数据基础，采用数据格式转换软件FME，按照特征集中要素ID 的区分方式，调整配置合理的参数，转换到Skyline 平台中，利用TerraExplorer 软件实现数据集成 ^[9]  。

虽然BIM 与GIS 跨平台的数据融合还在初步探索中，但由以上已经取得的进展可以看出两者的衔接方法多是基于空间转换算法的不断优化。SuperMap 软件具有多元数据无缝集成的优势，SuperMap 8c 系列在已有的基础上集成了相关算法，不断进行功能升级，对于BIM 数据格式，如IFC、FBX、OBJ、OSGB 等格式予以支持，真正实现了向三维GIS 表面模型中加载BIM 实体模型。

2 总体思路

1) 三维模型创建

以CAD 底图作为数据基础，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，对于墙、梁、柱、楼板等，可将系统族原有尺寸改变为实际参数进行保存应用，而对于门窗系统，允许在可载入族中选择满足形状构件族，并可反复使用，方便形成族样板以供后续调用。

      模型室内局部三维剖面图如图1 所示。

可视化的建模过程提高了模型重现的精度，但各个结构之间的碰撞现象仍不可避免，为了模型的正确还原，本文研究利用Autodesk Navisworks 软件进行碰撞检查，通过碰撞检查报告结果纠正模型。目前，广泛使用的方法是将Revit 中的模型以.nwc 格式导入Navisworks 软件中进行进一步检查协调，完善模型架构。

               检查碰撞结果如图2所示。

2) 模型导入

Revit 制作出的BIM 模型数据为. rvt 格式，需要通过Revit 插件将其导入SuperMap 软件中。在Revit 中切换到三维视图，选中附加模块中的SuperMap export 功能键，设置好插入点经纬度及渲染格式后完成导出，加载到Super-Map idesktop 中新建的三维场景后进行模型展示。在模型数据集加载成功后，对象操作模块里提取的BIM 外壳变为可用状态，所谓提取外壳是指将模型外部框架与内部构造分别存储，更有利于可视化分析。“提取”前，可以设置观察者的相对位置，若改变参数还可以继续“添加”，点击“提取”后，模型即被选择到数据集中。待多次调整选择后，外部轮廓全部选中，保存提取结果，生成两个数据集，如图3、图4 所示。

3) 功能开发

在SuperMap 软件中基于、HTML 语言进行二次开发，SuperMap iclient3D 8C for Plugin 通过Web GIS三维插件创建三维场景。作为服务性GIS 开发平台，它采用面向服务的架构来进行设计实现，支持多种SOA( Service-Oriented Architecture，面向服务的体系架构) 实践的标准和空间信息服务标准，能使用于各种SOA 体系架构中 ^[10]  。

创建服务时，考虑到信息安全的重要性，首先，要设置用户的角色与权限。在创建目标文件夹中要拷贝iclient for 3D 中自带的类库lib 文件夹，方便类库的引用。然后，在此文件夹下创建HTML 文件，编写过程中注意的是要将代码中的charset 改为utf- 8。加载图层的前提是div 一个容器，实现基本的浏览、缩放、选择、查询功能，利用SuperMap iServer 发布地图服务，达到不同平台的数据及功能沟通与分享的目的。

3 BIM 与GIS 集成应用方向

BIM 与GIS 集成在建筑的初期规划、施工过程、建成销售整个生命周期中都有不同方面的应用:

1) 建筑空间规划:  建筑的空间规划对建筑本身的影响及其对周围环境的影响是城市规划不容忽视的，只通过三维表面模型的构建是无法评估建筑影响因素大小的。建筑是无法与周围的环境脱离的，周围环境可以决定建筑的用途、性质，影响建筑构件的部署( 如门、窗的位置) ，必然会间接造成室内空间规划的优化与改进，而建筑坐落的位置，形状也会对即将融入的环境发挥作用。

考虑到这些因素，BIM 提供的建筑模型可以供规划者调试建筑内、外部几何构造以达到符合安全标准，如改变窗户的数量、楼梯阶层、楼板厚度、安全通道等; 同时，为满足建筑生活圈的便利，由GIS 搭建的公共设施( 公园、娱乐场所、医院等) 也是决策者不可忽略的因素。将BIM 融合到GIS 中真正地实现了宏观微观的衔接，无论是居民小区的选址还是办公楼的空间规划都将受益于两者结合的分析方法。

2) 建设项目进度监测:  对于施工过程中的建设项目，为达到在规定工期内完成高质量工程，需要对其进行实时跟踪监测，以便及时调整工作任务或改进施工方案。BIM 能够加入时间轴形成4D 进度监测系统，这种监测不再是时间与规划成果相互独立的文字记录，而是通过前期BIM 三维建模结合时间轴做成动画演示，更真实地反映建设项目的进度，也可提前模拟工程竣工成果，做到全方位预知，将误差降到最小。而作为与外界交流运输通道的GIS 系统则需要分析哪条线路最适合运输建筑材料等。里应外合的系统会大大缩短工期及减轻规划难度，实时掌控建筑全生命周期。

3) 三维房产确权:  房产作为大众关心的热点问题之一，明确房屋产权是避免财产纠纷的重要依据。但随着楼层数的增高，仅仅通过二维图纸划分产权边界对于立体房产是片面的、不精确的，故而要上升确权维度必须要有精细三维模型，BIM 模型可以解决不同户型的精确边界划分，对于地上房产，比如阳台、阁楼、电梯间等位置能够通过剖切三维模型区分共有、私有面积; 地下产权，如地下车库，通过GIS 精确定位标号，并借助模型可视化测量得到面积。精细建模弥补了二维房产无法表达出每一楼层每一户的不同产权界限的缺憾，使得房屋确权程序化、数字化、全面化。

4) 房产交易:  房地产作为现代消费品，如何更好地宣传房地产是每个销售公司最为注重的切入点。更直观的展示效果，更全面的信息浏览，更便捷的交付手段，都需要GIS 与BIM 的完美结合。当在网上发布房地产精细模型后，消费者就可以足不出户进入自己满意的套房进行浏览，并对周围的环境设施进行考察。通过查询详细的附属信息可以了解到建筑容积率、墙面、楼板的材质、房间面积等，大大简化了房产交易的烦琐过程，并且沉浸式的漫游效果更人性化。无论是房屋出售还是租赁，让消费者自主进入BIM 与GIS 共同构建的室内、外环境都有利于房产交易环境。

4 结束语

随着3D GIS 技术不断趋于成熟，真三维实体的应用也愈发广泛，如何从建立三维表面模型过渡到建筑物内部形态是当下重点研究方向。本文通过SuperMapidesktop 三维平台将BIM 建筑信息模型数据融合到3DGIS 场景中，并进行属性开发，以便服务发布后查询分析，较好地弥补了“空盒子”建筑物的现状，实现了宏观与微观环境的密切结合，同时，介绍了结合后丰富的技术应用，对今后建筑的室内外一体化及内部设施管理提出了建议性尝试。

转载来源： 《测绘与空间地理信息》2018第7期

作者：王越，吴风华

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