BIM+GIS技術(shù)在冬奧場館智能化管理平臺中的應用

1、    bim+gis技術(shù)在冬奧場館智能化管理平臺中的應用    張曉燕 姚勇一、引言隨著bim與gis技術(shù)的日漸成熟，我國一些大型項目都會采用bim+gis技術(shù)，而在2022年將要舉行的冬奧會項目中，延慶賽區(qū)的冬奧會場館及賽道就運用了bim和gis技術(shù)，除了完成建筑物的設(shè)計、建造、維護外，bim和gis的融合以及與多源建筑物設(shè)備運行數(shù)據(jù)的融合將為冬奧會場館、賽事運營提供強有力的支持。bim+gis的三維特性，是進行可視化運營的天然載體，通過對三維模型融合、多源數(shù)據(jù)融合、智能管理系統(tǒng)的研究，完成冬奧會智能化管理平臺建設(shè)。二、bim和gis融合的關(guān)鍵技術(shù)（

2、一） bim和gis的特點與融合bim（building information model），即建筑信息模型，是將項目的整個生命周期內(nèi)的所有信息集合在一個模型中，并包含施工進度，建造過程，運營維護等全部過程，并集合了所有幾何信息、功能要求和構(gòu)件性能。bim既可以認為是建筑信息模型，也可以被理解為建筑信息建模。bim的概念雖然早在上個世紀七十年代被提出，但直到本世紀才開始興起，特別是隨著計算機硬件性能的提升、三維可視化技術(shù)和激光掃描等技術(shù)的成熟，日益受到重視，并在國內(nèi)的建設(shè)項目中開始得到應用。bim技術(shù)具有如下特點：bim是一個由三維模型形成的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存儲了建筑物從設(shè)計、施工到建成后運

3、營的全過程信息。該三維建筑模型所包含的信息之間是相互關(guān)聯(lián)的，對其中一個信息的任何更改，都會引起關(guān)聯(lián)信息的改變?；陂_放的數(shù)據(jù)標準ifc（industry foundation classes）標準，bim模型有效地支持建筑行業(yè)內(nèi)各個應用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和建筑物全生命周期的數(shù)據(jù)管理。gis（geographic information system），即地理信息系統(tǒng)，是對地理空間信息進行描述、采集、處理、存儲、管理、分析和應用。gis技術(shù)集成了地圖視覺效果與地理信息的分析，對地理分布數(shù)據(jù)進行一系列的數(shù)字化統(tǒng)計管理和處理，具有成熟的空間管理功能。與bim相比，gis技術(shù)的開發(fā)使用相對成熟，已廣泛

4、應用于測繪、城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市應急、環(huán)境保護等各個領(lǐng)域。gis技術(shù)具有四大特點：數(shù)據(jù)管理，是gis中最核心的組成部分，通過統(tǒng)一的平臺實現(xiàn)關(guān)系型的圖形與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、瀏覽、查詢?？臻g定位，具有統(tǒng)一空間參考的gis數(shù)據(jù)具有空間位置信息，可實現(xiàn)空間定位功能?？臻g分析，具有強大的空間分析功能，可提供拓撲分析、緩沖區(qū)分析、空間插值等空間分析功能。多元展示，gis技術(shù)不僅實現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)的展示、瀏覽，也可對二維數(shù)據(jù)進行加工建模，以三維模型展示空間數(shù)據(jù)。bim技術(shù)側(cè)重于建筑物內(nèi)部信息的管理，gis則側(cè)重于與建筑物相關(guān)的室外地理空間數(shù)據(jù)分析。近幾年，隨著各地“智慧城市”建設(shè)步伐的加快，將海量的建筑數(shù)

5、據(jù)應用于城市地理信息的管理，提升城市精細化管理水平，bim和gis的融合已經(jīng)大勢所趨。首先，bim在整個建筑物生命周期都是精細化的單體建模，但如果脫離了與周圍地理環(huán)境的聯(lián)系只能是空中樓閣。而gis研究宏觀地理世界，有強大的空間查詢和分析能力，可以為bim模型的信息管理提供決策支持，可以更好的協(xié)助bim。同時bim大量的建筑信息又是gis重要的數(shù)據(jù)源，可以讓gis由宏觀走向微觀實現(xiàn)精細的組織管理，bim和gis的融合真正實現(xiàn)了室外到室內(nèi)的一體化管理。其次，bim數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括空間圖形數(shù)據(jù)（三維模型）和屬性數(shù)據(jù)（建筑參數(shù)），這與gis數(shù)據(jù)構(gòu)成類似。gis包含了bim的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（空間數(shù)據(jù)+屬性數(shù)據(jù)），

6、但bim主要針對建筑數(shù)據(jù)，而gis包含除建筑數(shù)據(jù)外廣闊的地理數(shù)據(jù)，二者都有信息管理、空間分析等功能重疊。因此兩者有融合的可能性。（二） bim和gis融合的關(guān)鍵技術(shù)1、bim的輕量化處理技術(shù)bim模型對于建筑物和其內(nèi)部構(gòu)件的表達是極其精細的，對于構(gòu)件的細節(jié)表達很細致，且記錄了豐富的幾何語義信息和屬性信息，這意味著龐大的數(shù)據(jù)量。而gis更多的是分析管理功能，比如一面墻在bim中可能有5層：外層、面層、氣層、核心層、內(nèi)層等等，在gis中我們可能不關(guān)心這5層，我們更關(guān)心墻體的長寬體積，5層墻會被抽象成1層墻體。在bim數(shù)據(jù)導入gis系統(tǒng)時，需要進行不同程度的輕量化處理，即將模型的某些骨架進行刪除或者

7、簡化。不同的領(lǐng)域bim數(shù)據(jù)的精細程度也不盡相同。對gis應用來說，根據(jù)項目實際需求，將bim數(shù)據(jù)導入到三維gis平臺需要進行不同程度的輕量化操作。不同的開發(fā)平臺提供了不同的輕量化功能，如在supermap產(chǎn)品中提供了多種bim輕量化和三角網(wǎng)的操作，包括：提取外殼（外殼和內(nèi)部分離）、三角網(wǎng)簡化、子對象簡化（刪除）、刪除重復頂點、計算（刪除）法線、模型拆分、模型合并等諸多實用功能。2、三維模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換技術(shù)三維模型結(jié)構(gòu)大體分線框模型一類、表面模型一類、實體模型一類。bim建模主要是實體建模，如采用幾何實體創(chuàng)建法（constructive solid geometry， csg）。一般復雜的空間實體

8、經(jīng)過簡單的實體元素如圓錐、圓柱、三角錐、長方體、正方體、球體經(jīng)過一系列布爾運算組合、求交集、求差集等構(gòu)建。bim中的每個模型都是一個實體，因此可以對每個室內(nèi)構(gòu)件進行實體查詢。而大部分gis模型是表面模型，這區(qū)別于bim的實體模型，它主要用邊界表示法表示。邊界表示法b-rep指的是gis模型進行建模時通過三角網(wǎng)形成三角面或者曲面然后將這些表面進行粘合形成封閉的空間區(qū)域，表層記載了大量點、線、面幾何信息與屬性信息。這些模型對三維空間關(guān)系和拓撲關(guān)系的表達不足，無法支持三維的空間分析與計算，難以實現(xiàn)有效的三維城市建模。技術(shù)實現(xiàn)方面，一種方案是基于b-rep與csg的轉(zhuǎn)換算法來對三維圖形數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，過

9、程中需要進行不同bim數(shù)據(jù)格式到標準ifc格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（見圖1）；另一種方案，是直接在gis系統(tǒng)建立三維實體數(shù)據(jù)模型，可以實現(xiàn)bim主流數(shù)據(jù)的無損接入以及bim數(shù)據(jù)到gis平臺的精準匹配。圖1 bim與gis模型的轉(zhuǎn)換流程三、bim與多源數(shù)據(jù)的融合bim技術(shù)的發(fā)展為三維gis提供了更為精細的三維模型，讓gis更精細化的管理成為可能。同時，隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅速發(fā)展，空間多源數(shù)據(jù)的產(chǎn)生為gis數(shù)據(jù)的集成與應用帶來了新的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)海量、不同來源、不同分辨率空間數(shù)據(jù)的高效融合，對降低gis應用系統(tǒng)的建設(shè)成本、提高空間數(shù)據(jù)的使用效率具有重要的現(xiàn)實意義。多源數(shù)據(jù)在三維場景中進行融合匹配，首先應該是坐標

10、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)配準，將bim、三維攝影、地形測繪數(shù)據(jù)和多源傳感的時空數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系。（一） bim與三維地形數(shù)據(jù)的融合將bim數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)進行融合，bim提供了微觀的數(shù)據(jù)信息，地形數(shù)據(jù)提供bim模型在宏觀環(huán)境中的位置信息及周邊環(huán)境。融合過程中，需要進行實地驗證遙感/航飛影像數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的校準，以及施工區(qū)域的地表環(huán)境、地形、地貌的數(shù)字化信息與分析。具體工作包括坐標基準轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)化裁切、相對坐標與絕對坐標校準匹配、不同格式數(shù)據(jù)對應轉(zhuǎn)換和集成融合等技術(shù)問題。通過多源信息的融合，為用戶提供更加真實、準確的可視化體驗，以及三維空間分析數(shù)據(jù)支撐。（二）bim與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的融合bim將建筑物數(shù)

11、據(jù)化、模型化，用來標明整個建筑內(nèi)各類要素發(fā)生的位置。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種建筑運營數(shù)據(jù)通過傳感器收集起來，并通過nb-iot或者4g/5g網(wǎng)絡(luò)實時上傳到本地運營中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和分析到遠程用戶手上。圖2 bim與物聯(lián)網(wǎng)融合系統(tǒng)效果圖圖3智能化管理平臺的功能架構(gòu)基于bim技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合是實現(xiàn)智能建筑的基礎(chǔ)，而bim是物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎(chǔ)，基于統(tǒng)一的時空網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的應用可以深入建筑物的內(nèi)部，對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，其融合平臺效果如圖2所示。四、基于bim+gis的冬奧場館智能化管理平臺（一） 開發(fā)平臺選擇目前三維gis平臺主要以國外esri公司的arcgis pro，skyline公司的sky

12、lineglobe軟件，國內(nèi)比較大的有supermap和偉景行公司的三維gis平臺等。其中supermap的三維gis平臺采用三維實體模型，提供了bim revit格式數(shù)據(jù)的無縫導入，并且提供了多種數(shù)據(jù)接口支持多源數(shù)據(jù)的匹配，因此本項目選用supermap平臺進行開發(fā)。（二） 平臺功能架構(gòu)本平臺是針對高山滑雪賽事賽后場地場館的智能化管理服務(wù)平臺，結(jié)合場館精細化bim+gis融合模型和多源傳感技術(shù)，將實現(xiàn)森林防火監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施智能化管理、安防分析與管理以及場館智能引導，并支持與醫(yī)療、電商、旅游、應急救援等第三方平臺的數(shù)據(jù)對接。平臺的總體功能架構(gòu)如圖3所示。高山滑雪場館賽事賽后智能化管理平臺在功能

13、上重點實現(xiàn)場館bim綜合展示、場館室內(nèi)導航、數(shù)字化講解、森林防火監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施管理、場館智能數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、容災救援輔助等功能。（三） 核心功能介紹1、bim場館展示首頁將三維gis和場館精細化bim模型進行融合展示，構(gòu)建高山滑雪賽事賽后場館智能化管理服務(wù)平臺，并結(jié)合場館設(shè)備設(shè)施管理功能模塊實現(xiàn)對設(shè)備智能化監(jiān)測和管理。通過設(shè)備列表能快速準確的找到對應設(shè)備的位置以及運行情況。2、場館室內(nèi)導航通過場館和設(shè)備的bim以及獲取到的用戶實時坐標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場館的智能化導航功能。3、設(shè)備設(shè)施管理平臺總共統(tǒng)計11類設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，針對每類設(shè)備，點擊該左側(cè)列表設(shè)備類別，在bim模型中顯示該類設(shè)備在模型中的位置，并在下方顯示設(shè)備監(jiān)測參數(shù)的各種統(tǒng)計，不同種類的設(shè)備具有不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)展示方式。五、結(jié)語本文通過對bim和gis數(shù)據(jù)的特點進行分析，提出了bim和gis融合的關(guān)鍵技術(shù)即bim輕量