结合BIM与GIS的城市工程项目智慧管理研究

(北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

1 引言

建筑信息模型(BIM)和地理信息系统(GIS)都是工程建设领域广泛应用的信息技术。BIM以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达。其空间分析能力较为微观，并且BIM模型设计软件支持的空间范围小，无法承载海量大范围的地形数据，也不具备对地理信息进行分析和建筑周边环境整体展示的功能。

GIS是一种具有空间专业形式的数据管理系统，且三维GIS技术突破了传统二维平面中空间信息可视化能力的局限，使得建筑物和地形环境的空间结构与相互关系得到展示，并且可面向从微观到宏观的海量三维地理空间数据进行存储。但是对于微观模型的展示则是其短板，它无法创建精细化的建筑模型、模型信息粗略。

因此，将BIM和GIS进行优势互补有效地结合，可以同时展示微观与宏观数据，将为工程可视化及管理提供更丰富、全面的信息。

国内外的专家、学者针对BIM与GIS技术的结合已经做了一些研究[1-12]，主要分为：基于软件平台的结合、基于IFC与CityGML标准[6-7]的结合。Sam Amirebrahimi[1]等人提出一种新的数据模型地理标记语言(GML)用于对BIM与GIS集成的支持； 中国铁路总公司研究人员运用组件式GIS开发技术和BIM的概念，通过ArcGIS平台开发了基于GIS和BIM的铁路信号设备数据管理及维护系统[2]； 国外学者Zhu等人提出了一个基于工程基础类IFC的BIM与GIS整合框架，实现了几何信息的集成[3]。

本研究基于CityGML平台，整合了BIM模型和GIS数据，实现了微观模型与宏观场景、数据的结合； 通过软件二次开发、Web和数据库技术，设计并开发了基于BIM与GIS的工程项目的智慧管理系统，实现了BIM模型信息查看、GIS模型进度显示、工程进度展示等功能。

2 关键技术

本研究的技术路线图如图1所示，主要关键技术包括数据融合、数据库设计、网络平台的开发设计。

图1 技术路线图

2.1 数据融合

2.1.1 BIM建模

BIM模型使用Revit软件建模，该软件支持建筑、结构、MEP的设计与建模，提供了一个开放的图形系统，族是其所有建模操作的基础，可以通过使用具有几何、材质、运维等信息的族文件实现快速、准确地参数化建模。

本研究针对房建工程中存在一些异形幕墙、特殊的门窗构件等情况，分别采用了内建体量、新建构件族等方式进行建模，图2所示为其中一个房建工程的BIM模型截图。

图2 建筑局部模型

2.1.2 GIS建模

GIS模型主要是一些道路的shp文件，用于展现道路的具体形状、长度、路宽等信息。本研究采用ArcGIS软件进行GIS模型的建模，该软件可以用于创建、编辑、浏览和分析地理数据，并且可以进行空间数据库内容的管理。

使用ArcGIS软件建模，首先需要将dwg格式的道路设计文件导入ArcGIS软件，并设置相应的坐标系统以及精确的坐标信息； 然后提取dwg文件里的线数据，将其转化为shp线数据，再使用线生成面工具生成shp面数据； 最后根据一定规则对shp文件进行分割和编号。图3是关于道路标记后显示的道路网络图。

图3 标记后的道路网络进度GIS模型

2.1.3 数据融合

图4所示是实现BIM与GIS融合的算法路线。

图4 算法路线

(1)通过FME实现几何重构算法：

图5 扁平化处理

图6 基于CityGML的数据库设计图

BIM数据通过FME进行数据转换成中间体，将其转化成CityGML中间体模型数据。首先创建两个独立的BIM读取器。移除不必要的中间要素，第一个读取器读取所有的BIM要素和填充要素查找表，第二个读取器用于数据转化。FME依次运行读取器，在运行第二个读取器之前，第一个读取器要先完成运行，并完全填充查找表，其BIM读取器读取所有信息并填充查找表。在对房间进行数据转化过程中，读取器读入数据，将几何转换成简单的面对象，写出器写出为CityGML格式的Window。

由于将复杂的BIM体几何对象转换成多面对象对所有要素来说具有共性，所以将其放在自定义的变换器中。BIM实体几何通过Geometry Part Extractor从属性集分离，然后使用GeometryCoercer转换为曲面。为了扁平化多级几何对象，我们需要用扁平化全部对象来解聚集，然后重新聚合成多面，如图5所示。

(2)坐标匹配、布尔运算等算法：

通过GPS获取施工现场的具体三维坐标(X，Y，Z)值，将坐标值输入到FME处理的BIM模型中，获取中间体。同时，将坐标值输入到GIS数据文件中。将获取到的GIS数据进行FME转化后和中间体进行坐标匹配、布尔运算等，最后融合成CityGML模型。

2.2 数据库设计

图6所示为本研究所设计的多源数据的数据库总览图。

工程多源数据的数据库建库设计涉及到很多方面：多种格式，多种信息，多种类型，其中基础数据包含地形、地质、交通、建筑设施、社会经济等方面，施工数据包括施工信息、变更文件、进度信息、状态信息等方面，设计数据包含规划设计、建筑设计、施工设计等方面，这三方面的数据是构成基本的属性数据部分。二维底层数据是通过ArcGIS进行处理获取到的。除了前面设计的几种重要数据外，其它的工程属性数据是管理工程进度功能不可或缺的数据。它们和BIM三维模型数据存储在oracle数据库中，组成了一个完整的空间数据库。如下为CityGML数据入库方法。

(1)将对象映射到表

一般来说，一个或多个类的UML图映射到一个表； 表的名称与类的名称相对应(可以添加一个表示一个抽象类的下划线)。按照UML图和表1所示关系进行数据映射处理，即建表。类的标量属性成为具有相应名称的相应表的列名。

属性的类型是根据相应数据库(Oracle)的数据类型(见表1)。特别说明是，日期数据类型的某些属性映射到时区的时间戳，这主要是允许存储更精确的时间值。

表1 数据类型映射

UMLOracleString,anyURIVARCHAR2,CLOBIntegerNUMBERDouble,gml:LengthTypeBINARY_DOUBLEBooleanNUMBER(1,0)DateDATE,TIMESTAMP WITH TIME ZONEPrimitiveType(Color,TransformationMatrix,CodeType etc.)VARCHAR2EnumerationVARCHAR2GML Geometry, textureCoordinatesSDO_GEOMETRYGML RectifiedGridCoverageSDO_GEORASTER & SDO_RASTERTexture(only reference of type anyURI in CityGML)BLOB

(2)对象的从属声明

在(元数据)表类OBJECTCLASS，该表管理模式下的所有类的名称(CLASSNAME属性)。子类和父类的关系是通过主外键关系来维持的，即子类中属性SUPERCLASS_ID作为父类ID的外键等其它形式的主外键维持关系(见表2)。

表2 父类和子类的主外键关系对应表(节选)

IDCLASSNAMESUPERCLASS_ID0Undefined1_GML2_Feature13_CityObject24LandUse35GenericCityObject310_WaterBoundarySurface311WaterSurface1012WaterGroundSurface1013WaterClosureSurface1014ReliefFeature315_ReliefComponent316TINRelief1517MassPointRelief1518BreaklineRelief1519RasterRelief1520_Site321CityFurniture322_TransportationObject323CityObjectGroup324_AbstractBuilding2025BuildingPart2426Building2427BuildingInstallation328IntBuildingInstallation329_BuildingBoundarySurface330BuildingCeilingSurface2931InteriorBuildingWallSurface2932BuildingFloorSurface2933BuildingRoofSurface2934BuildingWallSurface2935BuildingGroundSurface2936BuildingClosureSurface2937_BuildingOpening3

这个表OBJECTCLASS是用来有效地确定归属于父类表中的类。此外，表CITYOBJECT包含属性OBJECTCLASS_ID，这个属性键指相应的表OBJECTCLASS。这种机制也被其他表采用，用于存储不同的CityGML要素，比如THEMATIC_SURFACE(如建筑物的特征不同的边界曲面)或者BUILDING_INSTALLATION(外部或内部)等。

(3)由于CityGML数据模型是几何拓扑模型、外观模型、专题模型的十一组模型等数据模型组成的复杂数据模型，在此仅列出建筑模型数据，如图7～9所示。

图7 数据库建表

图8 宝莲广场数据1(部分节选)

图9 宝莲广场数据2(部分节选)

2.3 网络平台开发与应用

本研究采用基于B/S架构的网络设计，采用三层MVC架构，View层采用的javaScript进行数据的动态操作，HTML用于静态页面展示，CSS用于样式控制； 平台展示层使用的是TerraExplorer浏览器框架，这是可以按照需要使用API进行二次开发的浏览器，可以多样化满足客户需要。Controller控制层使用asp.net和C#进行操作，可以将视图层和模型层进行数据交换和视图展示。Model模型层是连接数据库的重要通道，可以对数据库进行操作。除了基本的网络框架技术外，还需要ArcEngine和空间数据库等技术。

2.3.1 遥感影像处理和DEM数据建模

基础数据处理是实现网络化平台的基础工作，对于实现BIM与GIS的数据融合的验证以及市政工程网络化进度管理都很重要。

数据处理主要分成三个部分：

(1)遥感数据处理。遥感影像数据的多波段融合和校准处理后，才可以是作为底图应用的，加载的是遥感影像图，可以清晰地显示各个工程项目的大概样貌，进行后期处理后，可以进行三维漫游、施工进度可视化等。使用Photoshop或者ArcGIS来进行影像色彩处理，通过ERDAS IMAGINE或者ENVI等处理工具来进行波段组合、数据融合、数据格式转换、数据拼接、正射纠正等。

(2)DEM数据建模。通过CAD等施工数据等转化而来的DEM数据是作为三维遥感影像数据的又一重要要素。在原始DWG图中补充绘制等高线，利用CASS对等高线或高程点数据属性对照进行修改，完成DWG到Shp的转化工作，使用ArcMap生成tif格式的DEM数据。

(3)遥感影像与DEM融合。将多源数据融合提高数据的利用率，并作为工程进度管理的底图使用，便于工程空间分布大致位置确定，用于CityGML数据，GIS数据等在影像图上的定位等。

最后将其与遥感数据进行处理具有三维效果的遥感影像数据如图10所示。

图10 三维遥感影像图

2.3.2 基于CityGML模型的三维场景漫游

对于道路工程和房建工程可以预设漫游路径进行自动导航； 也可以手动导航进行预览施工现场，对进度进行管理。以下是实现部分代码：

function FlytoObject(ItemName){var obj=document.getElementById("TE"); var IInformationTree=obj.interface("IInformation Tree5″); var ItemID=IInformationTree.FindItem("wgs84\房建工程\"+ItemName+"\"+ItemName); var IPlane=obj.interface("IPlane5″); IPlane.FlyToObject(IInformationTree.GetTerraObjectID(ItemID), 18); }

2.3.3 基于BIM与GIS的道路进度模型控制

二维道路的进度控制是通过离散化线状道路进行分段标记显示，来实现进度控制管理的。以下是部分实现代码：

cmd.CommandText=@"select Color from qjProcedureType where ProcedureID="+i.ToString(); //根据状态ID获取颜色编码string ProName=cmd.ExecuteScalar().ToString().Trim(); string value=ID.ToString()+"-"+ProName; ClientScript.RegisterArrayDeclaration("arrayColor","′"+value+"′"); for(var i=0; i

图11 数据融合之后的整体视图

图12 数据融合之后的局部视图

3 研究案例

该案例是一个BIM与GIS结合的工程项目群智慧管理系统，为市政BT项目建设全周期提供辅助决策及增值服务。该系统探索了BIM与GIS的结合、三维可视化及网络技术在市政BT项目建设管理中的可行性及应用，以下是系统的部分关键内容。

3.1 数据融合

图11和图12显示了BIM与GIS融合成的CityGML模型加载显示效果，通过融合后可以与二维GIS数据很好地进行兼容。根据需求，加载不同的LOD层，其加载速度明显要比单纯使用BIM模型数据有优势。

3.2 GIS模型进度显示

图13是整个工程的道路网络总图，标记后的道路显示了不同阶段的进度完成情况。其中红色表示未完成部分，绿色表示已完成部分。

图13 道路网络模型总图

图14是相关道路的完成量，未完成量以及总里程等具体数据信息和可视化的道路情况。

图14 道路进度展示

除了在三维视图里显示进度之外，还可以通过曲线统计图和进度统计表来补充说明进度情况，如图15所示。

图15 产值统计图与进度统计表

3.3 质量管理

在工程质量管理模块中，可以选择查看相应的工程质量信息，如图16所示。

图16 工程质量资料查看页面

3.4 数据录入

数据录入模块，可以对工程进度、工程质量、工程计量和安全管理5个模块的数据通过录入界面存进服务器数据库中，并分别显示在对应的5个模块当中。图17是对工程产值中的项目名称，日期，施工项目部和计划产量等数据录入。

图17 计划完成产值数据录入

4 结论与展望

本文基于CityGML完成BIM与GIS数据融合，实现微观与宏观场景结合，形成的CityGML模型检索加载速度快，兼容性更好，同时论述了多源数据融合方法，将多种格式、多种信息集成为数据库，设计并开发了结合BIM与GIS的城市工程项目智慧管理系统，弥补了BIM与GIS数据各自在工程管理上的不足，实现了图层控制、进度管理、质量管理、工程计量、安全管理、数据录入等功能，为工程项目提供了可视化、数字化、网络化的管理工具，为城市工程智慧管理提供参考。

本系统基本实现了城市工程网络化和可视化管理，在基于BIM与GIS技术的CityGML数据模型的细节层次渲染，内部精细化展示等方面有待进一步探索。城市工程智慧管理对于促进工作效率、提升工作质量、增进工作交流发挥着重大作用，其在大型工程项目群建设中的应用与推广，必将会加快我国建筑行业的全面发展，实现我国建筑业信息化、智能化。