BIM在WebGIS中实现整合与应用的技术方法研究.pdf

B I M在W e b G I S中实现整合与应用的技术方法研究李 旭,刘湘楠(江苏省地质测绘院,江苏 南京2 1 1 1 0 2)摘 要 传统的三维地理信息平台中的三维数据侧重于模型外表面表达,对于模型内部结构的刻画较少,B I M与G I S的结合为建筑物模型内部结构精细化表达带来契机。重点研究将B I M应用到三维地理信息平台并实现W e b-G I S发布的整体流程,实现由B I M软件构建三维B I M模型,集成建筑工程项目各相关信息的数据模型;借助G I S软件实现数据导入管理,将模型展示在G I S软件平台上;基于W e b G I S软件平台开发B/S服务系统,将B I M与W e b G I S融合,就其中的重点、难点问题进行论述,实现建筑由室外到室内的一体化管理。借助S u p e r M a p平台,采用B I M模型数据进行实验,验证了流程的可行性。关键词 建筑信息模型;三维地理信息系统;W e b G I S;三维可视化;S u p e r M a p0 引 言近几 年,随 着 三 维 技 术 的 发 展,实 现G I S与B I M的跨界整合已逐渐成为业内的焦点。将B I M与G I S融合可以最大限度地发挥两者各自的优势:一方面,三维G I S可基于周边宏观的地理信息,实现各种空间查询及空间分析等功能,拓展B I M模型的应用领域,为B I M提供决策支持;另一方面,B I M模型是三维G I S的重要数据来源之一,有助于G I S从宏观走向微观,实现对建筑的精细化管理,使G I S从室外走向室内弥补三维G I S缺乏精准建筑物模型的空白。B I M与G I S的集成已经成为当前的三维研究热点之一。王树臣等介绍了B I M与G I S的特点、两者的转换映射关系以及实际工程应用,两项技术的集成将推动智慧城市的建立与发展1。陈光等针对现有市政道路模型交换标准的不足以及道路B I M设计模型与G I S模型的几何、语义信息缺失等问题,提出一种市政道路B I M设计模型与G I S数据集成的方法,在城市规划设计延伸应用上具有广阔的前景2。傅蜀燕等构建三维B I M+W e b G I S可视化区域数字水库安全管理系统平台,实现不同层次之间的信息共享、交流和综合分析,为水库运行管理的科学决策提供技术支撑3。蔡文文等利用数据集成技术实现了B I M在S u p e r M a pG I S中的高性能空间分析和可视化,满足大型复杂室内场所的应急救援、导航与位置服务需求,服务于智慧城市建设4。刘茂华等利用点云数据在R e v i t软件环境中构建B I M模型,通过I F C标准连接将B I M与三维G I S融合,在数字城市及复杂建筑智能化管理方面具有一定的理论和实践意义5。李元龙从铁路工程要素B I M语义扩展、G I S语义扩展、车站信息模型跨平台集成等方面探讨了两者的融合技术在铁路信息化建设中的应用,具有重要的现实意义6。本文围绕B I M与G I S的集成进行展开,研究B I M的建模方法、B I M与G I S的融合方法以及B I M在W e b G I S中的应用等问题,使三维G I S不再停留在建筑物空间信息的查看、外观呈现等狭隘的应用,可以进入室内进行探查和浏览,真正实现了室内外的一体化管理。1 整体流程针对B I M在W e b G I S中的整合与应用问题,运用R e v i t建 立 三 维 模 型,借 助S u p e r M a p提 供 的B I M数据导出插件实现B I M与G I S的对接,基于S u p e r M a p i S e r v e r平台二次开发实现B I M模型在G I S中的应用,技术流程如图1所示。图1 整体流程图06江苏省测绘地理信息学会2 0 2 3年学术年会1.1 资料的采集与获取数据是一个系统的血脉,搜集相关的数据资料,为后续建模以及系统的开发做准备,根据建筑施工C A D底图建立模型。运用S u p e r M a p和A u-t o C A D对建筑施工C A D底图进行初步的整理,将别墅的设计说明、总平面图、立面图、剖面图、墙身大样、楼梯详图、卫生间详图、门窗表、门窗小样等信息进行归类整理。特别注意的是,导入到B I M软件中C A D数据的大小会影响B I M软件三维模型的更新展示的效率,需将冗余数据进行删除,只保留对后期建模有用的数据。根据地块位置信息资料确立模型的数学基础,与真实的别墅设计图片进行对照,并据此进行贴图和渲染工作等。1.2 三维模型的建立由B I M软件建立三维模型,对模型划分主次,采用参数化建模的思想,遵循先整体后局部、由外而内以及模型与系统相匹配的原则,按照建模软件的使用规范,依次进行样板的选择、轴网标高的绘制、族库的设计以及模型布局等工作。(1)主次之分:别墅的三维,尤其是内部结构相对复杂,所涵盖的陈设物数量较多,鉴于时间、精力、应用需求以及成本等条件的限制,三维建模的精细度和建模方式是有所区别的。重要模型精细刻画、重点表现,次要模型快速建模、粗略表现。(2)参数化建模:参数化建模是指通过简单的改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型,其参数不仅可以是几何参数,也可以是温度、材料等属性参数。充分利用B I M软件参数化建模这一思想,为模型建立实例参数与类型参数,通过参数值的修改来控制模型的相关信息,方便快捷,如,在窗族中,联合尺寸标注命令,为其添加长度、宽度等类型参数,通过修改类型参数值就可以创建新的窗长度和宽度,从而构造新的窗类型。(3)先整体后局部,由外而内:依据建筑施工图,在楼层平面视图上,为了建模后期定位,先绘制标高轴网,再分楼层依次绘制墙体、屋顶、门窗等建立三维外观,然后再创建室内墙,将内部隔间分好,在此基础上放置室内门、室内家具(桌椅、沙发等)、卫浴装置等,先外后内,逐一建模。遵循先整体后局部的建模思路,先有大致框架,再逐步细化。(4)模型与系统相匹配:模型创建前应考虑模型是否能与将来系统的客户端、操作系统和应用平台等相衔接。模型数据较大,在客户端能否正常加载是一个需要考虑的问题。(5)样板的选择:使用合适的样板,有助于快速开展项目,样板文件以*.r t e为扩展名。本次建模着重体现建筑信息,故采用建筑样板。(6)定位工具的使用:根据楼层平面视图以及楼层的设计绘制标高与轴网,并为其标号,是建模正式开始的第一步。标高根据图书馆的楼层层数和层高绘制,轴网根据每层的布局设置来绘制,如拐点、墙边缘等,便于后期建模的定位。(7)族库的设计:族是项目中的基本组成图元,同时也是参数化过程中信息的载体。大部分族都是可重复利用的,族库的积累也会使项目的创建效率越来越高。族的建模方式经常使用的工具:拉伸、放样、融合、旋转、放样融合等,为构件族定义族原点,设置参照平面、尺寸标注,添加必要的参数。通过指定不同的参数,定义族类型的变化,主要包括门、窗、墙体和家具等,按照实物的图片进行贴图和渲染工作,使其更加真实。(8)模型的布局:参照轴网以及参照平面,将建立的模型放置在真实世界对应的位置。1.3 B I M与G I S融合设置B I M项目基点的坐标即插入点的坐标,利用S u p e r M a p提供的B I M数据导出插件导出模型,使用插件一键式导出模型的空间数据信息和属性信息,如图2所示。导出的模型数据按族进行分类展示。图2 数据导出图需要指出的是如果项目使用的9 D以前的版本,必须勾选“导出法线”选项,9 D及之后的版本可选可不选。“拓扑闭合”是指模型导出之后,移除重16B I M在W e b G I S中实现整合与应用的技术方法研究复点,构建闭合模型。“导出L O D”是默认导出三层L O D模型数据集,勾选后导出可能会较慢。数据导出不支持凹凸纹理、浮雕纹理效果。1.4 W e b G I S系统的开发基于S u p e r M a pi S e r v e r平台,运用S u p e r M a pi C l i e n t 9 D进行W e bG I S系统的开发。首先在S u-p e r M a p i D e s k t o p软件中对三维场景进行缓存,然后在S u p e r M a p i S e r v e r平台上发布三维服务,最后通过J a v a S c r i p t编写代码,访问三维场景的u r l地址,就可以在网页中进行别墅三维模型相关操作,主要包括三维模型基本操作功能,如旋转、平移、缩放、选择,查询功能、测量功能(距离量算、面积量算和高程量算等)、三维分析功能(日照分析、通视分析和可视域分析等)等。2 关键技术2.1 B I M技术B I M即为建筑信息模型,是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础,进行建筑模型的建立。通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息,建立以B I M应用为载体的项目管理信息化,是对工程项目相关信息的详尽表达,提升项目生产效率、提高建筑质量、缩短工期、降低建造成本。目前B I M的核心建模软件包括:A u t o d e s k公司的R e v i t建筑、结构和机电系列,B e n t l e y建筑、结构和设备系列,A r-c h i C A D以及D a s s a u l t公司的C A T I A等。2.2 W e b G I S技术网 络 地 理 信 息 系 统(W e b G I S)是 指 基 于I n t e r n e t平台、客户端应用软件采用网络协议、运行在I n t e r n e t上的地理信息系统。它是一个分布式系统,用户和服务器可以分布在不同的地点和不同的计算机平台上,一般由多主机、多数据库和多个客户端以及分布模式连接在I n t e r n e t上而组成,包括:W e b G I S浏 览 器(B r o w s e r)、W e b G I S服 务 器(S e r v e r)、W e b G I S编辑器(E d i t o r)、W e b G I S信息代理(I n f o r m a t i o nA g e n t)。W e b G I S是传统的G I S在网络上的延伸和发展,可以实现空间数据的检索、查询、制图输出、编辑等G I S基本功能,同时也是I n t e r n e t上地理信息发布、共享和交流协作的基础7。2.3 B I M数据瘦身技术在数据导出过程中,S u p e r M a p的B I M数据导出插件提供了数据瘦身的方法,从而实现高效的应用。(1)模型精细度:根据模型的结构,顶点等信息对模型的三角网进行简化,模型简化到参数设置的百分比,1 0 0%为不简化,6 0%为保留6 0%的三角面片数。(2)导出L O D:该功能为导出多层次细节的模型,效果好,性能优。S u p e r M a p采用L O D结构和实例化技术突破高密度模型的浏览瓶颈,L O D技术可以根据距离的远近来选择展示不同精细程度的模型,极大缓解显卡渲染压力。(3)在S u p e r M a pi D e s k t o p9.0.1版本中提供的3 DD e s i g n e r模块中,将B I M轻量化作为其中一个功能模块进行划分,包含“提取外壳”“三角网简化”“操作子对象”“移除重复点”等4个主要功能,实现B I M数据的瘦身,使三维场景游览更加顺畅。2.4 S u p e r M a p i C l i e n t 3 DS u p e r M a pi C l i e n t 3 D是一套基于UG C(U n i-v e r s a lG I SC o r e)底层类库和O p e n G L三维图形处理库的三维地理信息可视化客户端开发包。整个客户端包括W e b3 DG I S插件以及J a v a S c r i p tA P I开发包。W e b3 DG I S插件是以A c t i v eX控件的形式嵌入到网页中,可以支持各种I E内核的浏览器。用户利用S u p e r M a pi C l i e n t 3 D可以自定义三维场景,快速地完成海量数据加载、数据浏览和图层控制,通过简洁易用的J a v a S c r i p t脚本语言便能轻松打造三维可视化地理信息客户端。该客户端应用程序以A c t i v eX控件形式集成于W e b网页中。其具有的特点是3 D与W e b的完美结合,支持S e r v i c eG I S架构,高运行效率的U G C内核和简易脚本开发环境的结合,数据保密性好,离线访问方便,扩展性良好。3 实 验本文利用R e v i t建立别墅的三维模型。首先,整理现有的数据资料;然后,根据楼层设计和布局绘制标高和轴网,建立族库,布局模型,在R e v i t中建立的模型如图3所示。借助S u p e r M a p提供的R e v i t数据导出插件实现B I M与G I S两者的对接,考虑到模型精度较高,数据量较大,这里选择导出“着色模式”;基于S u-p e r M a p i S e r v e r平台,将模型生成场景缓存,并将其发布为三维服务,开发W e b G I S服务系统,主要实现三维场景漫游、平移、缩放、图层控制、三维量算、空间分析等功能,实现B I M在W e b G I S中的整合与应用,进行室内外一体化的管理,打破了传统三维G I S系统只能呈现建筑外观的局限,达到良好的可视化效果(图4)。但在三维模型数据(三维模型空间数据和对应的各种属性数据)导出过程中仍存在一些问题。空间数据层只存储地理对象的空间位置和形状信息,主要以图形的形式存储于图形数据库和文件中;属性数据层存储地理对象的属性信26江苏省测绘地理信息学会2 0 2 3年学术年会图3 别墅三维展示效果图图4 三维服务系统效果图息,包括对象尺寸、型号、材质、结构用途等,主要以数据表的形式存储于S u p e r M a pi D e s k t o p9 D的文件型数据集中,通常空间数据和属性数据都有着一一对应的关系。在本次实验中,针对属性信息缺失问题,通过手动输入的方式新建字段,对信息进行补充,使信息更加完善。4 结 语在整个地理三维空间中,B I M是具体三维空间精细化模拟建造,属于微观范畴;G I S是对整个三维地理空间的模拟,属于相对宏观范畴,如果将两者进行整合,B I M和G I S价值就会得到巨大释放。本文基于B I M技术建立某区别墅的三维模型,通过R e v i t数据导出插件,将B I M与G I S融合,在S u-p e r M a p平台上设计并开发三维服务系统。与传统的三维G I S系统相比,模型精细化程度高,实现室内外一体化管理,提高数据引用的效率,推动三维G I S的发展。B I M与W e b G I S的整合与应用前景广阔,可应用于以下方面:(1)三维场景导航:当进入一个相对复杂的场景中时,如大型的百货商场,尤其是对于新用户来讲,位置信息的缺失会对愉快的购物带来极大的不便。将B I M与W e b G I S相结合,用户在室内能精准确定自己的位置,快速、轻松找到最佳路径到达想要去的位置,室内三维场景做参照,可视化效果好,为生活带来极大的便利。(2)城市设计与规划:三维G I S只能提供建筑的外观信息,而B I M可以具体展示建筑内部精细的信息,将两者结合,通过调整三维建筑的精细设计,如门窗设计、布局设计和颜色搭配等,可以为建筑的设计提供参考;此外,通过G I S的三维量算功能和空间分析功能,如日照分析、可视域分析等,进行城市规划设计,将建筑信息与周边地理环境信息融为一体,在建筑密度等方面提供科学建议,为城市的规划、建设和管理提供技术支撑。(3)建筑运维:B I M连接建筑生命期不同阶段的数据、过程和资源,从设计、施工到运维皆是围绕B I M的单体精细化模型进行,但B I M多数是以客户端的形式存在,并且存在注重单体和设计、缺乏和运维等不足之处。将B I M与W e b G I S相结合,建立建筑的三维运维在线系统,对建筑的各个阶段进行监督,有利于进行高效、便捷的建筑运维工作。参考文献1 王树臣,刘文峰.B I M+G I S的集成应用于发展J.工程建设,2 0 1 7,4 9(1 0):1 6-2 1.2 陈光,薛梅,刘金榜,等.一种市政道路B I M设计模型与三 维G I S数 据 集 成 方 法 J.地 理 信 息 世 界,2 0 1 8,2 5(3):8 2-8 6,9 0.3 傅蜀燕,赵志勇,杨硕文,等.基于三维B I M+W e b-G I S技术的区域数字水库构建J.长江科学学院院报,2 0 1 8,3 5(4):1 3 4-1 3 6,1 4 2.4 蔡文文,王少华,钟耳顺,等.B I M与S u p e r M a pG I S数据集 成 技 术 J.地 理 信 息 世 界,2 0 1 8,2 5(1):1 2 0-1 2 4,1 2 9.5 刘茂华,王岩,孙秀波,等.B I M与3 D G I S结合实现室内、外三维一体化方法研究J.科技通报,2 0 1 7,3 3(7):1 7 1-1 7 3,1 9 2.6 李元龙.B I M与G I S融合技术在铁路信息化建设中的应用J.中国高新科技,2 0 1 7,1(9):6 8-7 0.7 徐波.从W e bG I S看G I S发展的大众化J.林业科技情报,2 0 0 9,4 1(3):8 7-8 9.36B I M在W e b G I S中实现整合与应用的技术方法研究