薛 梅，李 鋒

（重慶市勘測(cè)院，重慶 400020）

0 引言

在城市規(guī)劃和公共服務(wù)領(lǐng)域，地理信息系統(tǒng)（GIS）實(shí)現(xiàn)了大范圍地理空間信息的集成、可視化和廣泛應(yīng)用。在建設(shè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助制圖（CAD）、建筑信息模型（BIM）代表了行業(yè)信息化主流。盡管CAD、GIS、BIM研究的核心都是城市空間對(duì)象，但術(shù)語(yǔ)、信息標(biāo)準(zhǔn)、建模尺度以及要解決問(wèn)題的技術(shù)本質(zhì)不同，為開(kāi)展跨領(lǐng)域的互操作集成帶來(lái)挑戰(zhàn)。隨著跨領(lǐng)域信息集成研究的深入，CAD／GIS／BIM 集成成為國(guó)內(nèi)外共同關(guān)注的前沿技術(shù)。國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）提出了對(duì)三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)城市地理標(biāo)記語(yǔ)言（CityGML）和網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS）進(jìn)行擴(kuò)展，以支持CAD／BIM和GIS信息集成的標(biāo)準(zhǔn)化方向，并成立了三維信息工作組。Lapierre等據(jù)此開(kāi)發(fā)了相關(guān)測(cè)試原型系統(tǒng)［1－6］。朱慶比較了建筑對(duì)象的工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)（IFC）數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)和City GML標(biāo)準(zhǔn)定義的CAD／BIM模型與三維GIS模型的表達(dá)機(jī)制的區(qū)別，并提出集成難點(diǎn)在于高細(xì)節(jié)層次模型到低細(xì)節(jié)層次模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換［7］。李德超等分析了BIM與GIS的區(qū)別，從數(shù)據(jù)組織、應(yīng)用模型等方面探討B(tài)IM在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用［8］。薛梅等提出了定義具有空間語(yǔ)義一致性的建筑構(gòu)件信息模型，開(kāi)展BIM和三維數(shù)字城市集成應(yīng)用的方法［9］。

本文面向建筑、道路、管線等建設(shè)工程全生命周期信息集成與管理需求，結(jié)合信息模型標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，提出CAD／GIS／BIM在線集成技術(shù)框架，包括建設(shè)工程信息模型、CAD／BIM要素服務(wù)、3DGIS在線客戶端、建設(shè)工程全生命周期應(yīng)用4個(gè)核心內(nèi)容?；贑ityGML擴(kuò)展的建設(shè)工程信息模型是語(yǔ)義空間信息存儲(chǔ)、讀取及協(xié)同應(yīng)用的基礎(chǔ)；CAD／BIM要素服務(wù)提供建設(shè)工程信息模型在線訪問(wèn)與修改的標(biāo)準(zhǔn)化接口；自主研發(fā)的客戶端軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)CAD／BIM要素服務(wù)的訪問(wèn)、三維場(chǎng)景中建設(shè)工程模擬展示和全生命周期集成應(yīng)用。本技術(shù)框架實(shí)現(xiàn)了CAD／BIM信息在大范圍三維地理場(chǎng)景中的集成、可視化模擬與分析，為建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)期智慧應(yīng)用提供了支撐。

1 CAD／GIS／BIM在線集成框架的總體思路

本文研究核心為多源、異構(gòu)城市地理空間數(shù)據(jù)和建設(shè)工程信息的在線集成及全生命周期應(yīng)用。建設(shè)工程全生命周期涉及決策、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、拆除階段，涉及多種數(shù)據(jù)格式和語(yǔ)義信息，通過(guò)開(kāi)展CAD／GIS／BIM在線集成，有助于建設(shè)工程各階段信息的實(shí)時(shí)集成與共享，充分發(fā)揮GIS空間數(shù)據(jù)集成整合、地理模擬、地理分析的優(yōu)勢(shì)，提高工程管理的效率和科學(xué)性。

基于OGC推薦的服務(wù)發(fā)布－發(fā)現(xiàn)－綁定模式建立了CAD／GIS／BIM在線集成框架，以實(shí)現(xiàn)多源網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成（圖1）?？蚣馨〝?shù)據(jù)、服務(wù)、模型、應(yīng)用4個(gè)層次。數(shù)據(jù)層包括分布式存儲(chǔ)的二維GIS數(shù)據(jù)、三維數(shù)字地形、三維城市模型、BIM數(shù)據(jù)和CAD數(shù)據(jù)；服務(wù)層包括OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)（CSW）、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù) （WMS）、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS）、網(wǎng) 絡(luò)覆蓋 服 務(wù) （WCS）、網(wǎng) 絡(luò)三維 服 務(wù)（W3DS）擴(kuò)展和CAD／BIM模型要素服務(wù)；模型層包括OGC地理標(biāo)記語(yǔ)言（GML）、OGC城市地理標(biāo)記語(yǔ)言（City GML）和建設(shè)工程信息模型；應(yīng)用層以CAD／GIS／BIM在線集成客戶端為基礎(chǔ)，提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)、三維地理環(huán)境瀏覽、查詢、分析等功能，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展建設(shè)工程模型集成、選址規(guī)劃、交互式設(shè)計(jì)、施工管理、運(yùn)營(yíng)管理等全生命周期應(yīng)用。

CAD／GIS／BIM在線集成框架應(yīng)用了多個(gè)OGC服務(wù)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。其中OGC CSW定義了空間數(shù)據(jù)和服務(wù)元數(shù)據(jù)搜索、發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)接口；OGC WMS／WFS／WCS服務(wù)定義了二維矢量、影像數(shù)據(jù)發(fā)布和訪問(wèn)接口；OGC GML和City GML分別定義了二維和三維地理空間數(shù)據(jù)共享交換標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)基于OGC標(biāo)準(zhǔn)框架進(jìn)行了以下擴(kuò)展：1）擴(kuò)展OGC W3DS服務(wù)，以適應(yīng)客戶端對(duì)三維模型場(chǎng)景組織、多細(xì)節(jié)層次調(diào)度、數(shù)據(jù)緩存的需要；2）基于City GML應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展模型（ADE）定義建設(shè)工程信息模型，包括建筑（GeoBIM ADE）和基礎(chǔ)設(shè)施（GeoInfra ADE）兩大類(lèi)別；3）參考 WFS、WFS-T定義CAD／BIM 模型要素服務(wù)，讀取CAD／BIM數(shù)據(jù)并返回為GIS可識(shí)別的建設(shè)工程信息模型；4）研發(fā)CAD／GIS／BIM 在線集成客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)二三維GIS服務(wù)、CAD／BIM模型要素服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、訪問(wèn)和應(yīng)用。

2 CAD／GIS／BIM在線集成框架的關(guān)鍵技術(shù)擴(kuò)展

2.1 建設(shè)工程信息模型

建設(shè)工程信息模型的核心在于對(duì)各類(lèi)建設(shè)工程全生命周期的空間、業(yè)務(wù)信息的全面整合與關(guān)聯(lián)集成。以IFC為代表的建設(shè)工程信息模型標(biāo)準(zhǔn)和以CityGML為代表的3DGIS信息模型標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)城市空間信息進(jìn)行了定義。IFC側(cè)重于單體建筑工程建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)施等多專(zhuān)業(yè)信息的整合共享，而City GML主要從地理空間角度對(duì)道路、隧道、橋梁、建筑、管線等建筑物進(jìn)行定義，二者涉及領(lǐng)域和技術(shù)特性各異，因此需要結(jié)合建設(shè)工程業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和3DGIS平臺(tái)空間信息表達(dá)和渲染的技術(shù)特性重新定義建設(shè)工程信息模型。VAN BERLO等建立的GeoBIM ADE模型基于City GML應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑信息模型的擴(kuò)展定義，并應(yīng)用到開(kāi)源模型服務(wù)BIMServer中［2］。本文在借鑒GeoBIM ADE基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，增加了對(duì)道路管線等市政設(shè)施的定義模型GeoInfra ADE。

GeoBIM ADE和GeoInfra ADE信息模型如圖2所示（見(jiàn)封3）。通過(guò)繼承CityGML核心類(lèi)CityObject，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑（AbstractBuilding）、道路（Road）、管線（Pipe）工程對(duì)象擴(kuò)展定義，通過(guò)繼承CityGML核心類(lèi)Feature、MultiSurface，實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)（Door）、窗（Window）、樓梯（Stair）、欄桿（Railing）、路段（RoadSegment）、交叉口 （RoadCross）、橫 斷 面 （Road HDM）、縱斷 面（Road ZDM）、供水管線（GS）、排水管線（PS）等建筑工程詳細(xì)信息幾何屬性定義；通過(guò)劃分建筑工程對(duì)象LOD級(jí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間對(duì)象的多細(xì)節(jié)層次管理，如在GeoBIM ADE中，ifcRoofSurface表示建筑屋頂表面，屬于LOD2級(jí)別，ifcInterior WallSurface則表示建筑室內(nèi)墻面，屬于LOD4級(jí)別。

2.2 CAD／BIM模型要素服務(wù)

自定義的CAD／BIM模型要素服務(wù)是在線集成框架的服務(wù)基礎(chǔ)，通過(guò)讀取建設(shè)工程CAD／BIM數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為建設(shè)工程信息模型（GeoBIM，GeoInfra），為3DGIS在線集成應(yīng)用客戶端提供建設(shè)工程信息數(shù)據(jù)來(lái)源。國(guó)外相關(guān)研究已實(shí)現(xiàn)了CAD／GIS、BIM／GIS幾何、屬性數(shù)據(jù)和地理參考坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，并開(kāi)發(fā)了成熟的商業(yè)軟件［3－6］。在 CAD／BIM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換層面，目前最大挑戰(zhàn)來(lái)自于BIM數(shù)據(jù)的高復(fù)雜度和大數(shù)據(jù)量［3，4］。

本方案基于FME的數(shù)據(jù)映射工具實(shí)現(xiàn)CAD／BIM模型要素服務(wù)的定義與封裝。CAD／BIM模型要素服務(wù)遵守在線網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)4（OWL4），參照WFS、WFS-T服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)，提供GetCapabilities、Get FeatureInfo Model、Post FeatureInfo Model3個(gè)主要服務(wù)接口。GetCapabilities提供對(duì)服務(wù)元數(shù)據(jù)資源的訪問(wèn)接口，調(diào)用該接口將返回一個(gè)包含服務(wù)元數(shù)據(jù)文檔的響應(yīng)文件，元數(shù)據(jù)主要包括數(shù)據(jù)提供商、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)版本、數(shù)據(jù)范圍、坐標(biāo)系等內(nèi)容，在建設(shè)工程CAD／BIM文件常采用施工坐標(biāo)系，通過(guò)在元數(shù)據(jù)信息中定義坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)CAD／BIM施工坐標(biāo)系和GIS地理空間坐標(biāo)系的統(tǒng)一；GetFeatureInfo Model提供對(duì)具體工程信息模型數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口，用戶通過(guò)輸入關(guān)鍵字等條件搜索數(shù)據(jù)，服務(wù)返回符合GeoBIM、GeoInfra標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)文件；Post-FeatureInfo Model接口通過(guò)事務(wù)方式提供對(duì)建設(shè)工程信息模型的更新。

2.3 CAD／GIS／BIM 在線集成客戶端

CAD／GIS／BIM在線集成客戶端基于自主研發(fā)的平臺(tái)（3DGIS）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，平臺(tái)支持用戶對(duì)復(fù)雜的虛擬地理環(huán)境中三維城市對(duì)象和景觀模型的創(chuàng)建、編輯、管理；支持dwg、dxf、3dx、shp等常見(jiàn)文件格式；支持基于LOD的大規(guī)模三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)調(diào)度和高效渲染。在線集成客戶端框架的主要組件如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)適配器組件實(shí)現(xiàn)對(duì)OGC WMS／WCS／WFS標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)、OGC W3DS擴(kuò)展服務(wù)和CAD／BIM模型要素服務(wù)的識(shí)別與訪問(wèn)，進(jìn)而利用3D繪制引擎和3D分析引擎實(shí)現(xiàn)二三維GIS數(shù)據(jù)的疊加、展示和查詢分析應(yīng)用；對(duì)于建設(shè)工程信息模型，通過(guò)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模引擎實(shí)時(shí)將建筑工程信息模型構(gòu)建為三維可視化模型，進(jìn)而開(kāi)展建設(shè)工程在三維場(chǎng)景中的集成和全生命周期應(yīng)用。

基于上述在線集成框架，客戶端在線訪問(wèn)CAD／BIM數(shù)據(jù)的過(guò)程為：1）通過(guò)GetCapabilities接口搜索到符合條件的數(shù)據(jù)服務(wù)目錄；2）目錄服務(wù)返回BIM／CAD數(shù)據(jù)URL及查詢字符串，根據(jù)查詢字符串將提取相應(yīng)的信息要素；3）用戶在客戶端輸入查詢字符串，后臺(tái)程序發(fā)送Get FeatureInfo Model的BIM／CAD要素服務(wù)請(qǐng)求；4）Get FeatureInfo Model服務(wù)根據(jù)請(qǐng)求提取相應(yīng)要素并發(fā)送給客戶端，采用zip方式進(jìn)行壓縮；5）客戶端獲取數(shù)據(jù)，基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制。

通過(guò)客戶端在線修改CAD／BIM信息的過(guò)程為：1）用戶在客戶端修改信息模型的參數(shù)，如道路平面線型、建筑門(mén)窗尺寸等；2）用戶上傳修改后的信息模型；3）客戶端根據(jù)上傳操作，對(duì)信息模型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包編碼，并發(fā)送Post FeatureInfo Model的WFS服務(wù)請(qǐng)求；4）接收到Post請(qǐng)求，創(chuàng)建一個(gè)新的要素模型；5）服務(wù)上傳 GetCapabilities定義；6）OGC目錄服務(wù)根據(jù)該定義提供該要素服務(wù)的元數(shù)據(jù)；7）用戶可以根據(jù)目錄服務(wù)訪問(wèn)到修改后信息模型要素。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 大范圍場(chǎng)景數(shù)據(jù)集成

CAD／GIS／BIM在線集成框架應(yīng)用的典型方面是分布式建設(shè)工程數(shù)據(jù)在大范圍三維地理空間場(chǎng)景的實(shí)時(shí)加載和無(wú)縫集成。3DGIS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)室外地形地貌、建構(gòu)筑物的空間展示，但并不包含這些人工設(shè)施的語(yǔ)義信息。通過(guò)建設(shè)工程信息在3DGIS的實(shí)時(shí)加載和集成，為傳統(tǒng)數(shù)字城市提供了高精度工程級(jí)別空間和語(yǔ)義信息。本文在重慶主城區(qū)開(kāi)展了分布式CAD／BIM數(shù)據(jù)在大范圍場(chǎng)景的集成應(yīng)用示范，數(shù)據(jù)格式、范圍、服務(wù)和模型如表1所示。圖4a、圖4b為建筑BIM模型在三維地理空間環(huán)境的集成效果；圖4c、圖4d分別為CAD管線數(shù)據(jù)、道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成效果?；诮ㄔO(shè)工程語(yǔ)義和空間信息集成成果，可開(kāi)展建筑、管線、道路等設(shè)施的語(yǔ)義化查詢分析。例如，在3DGIS瀏覽器中實(shí)時(shí)查看建筑室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)、道路管線及附屬設(shè)施的空間及語(yǔ)義信息，可以分層、分構(gòu)件查詢、展示、統(tǒng)計(jì)建筑內(nèi)部信息；可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)路段長(zhǎng)度、車(chē)道數(shù)量、附屬設(shè)施數(shù)量等信息。結(jié)合GIS的地理模擬與空間分析特性，還可進(jìn)一步拓展建設(shè)工程全生命周期應(yīng)用。

表1 大范圍數(shù)據(jù)集成示范Table 1 Data integration demonstration in large range

3.2 全生命周期管理應(yīng)用

在建設(shè)工程領(lǐng)域，BIM已在工程深化設(shè)計(jì)、建筑系統(tǒng)性能和持續(xù)性設(shè)計(jì)分析、4D施工模擬中開(kāi)展了大量應(yīng)用，其在設(shè)計(jì)、施工階段的優(yōu)勢(shì)和潛力得以體現(xiàn)［10－14］。通過(guò)開(kāi)展BIM、CAD和 GIS的集成應(yīng)用，充分發(fā)揮GIS在地理模擬、空間分析中的優(yōu)勢(shì)，有助于進(jìn)一步拓展建設(shè)工程全生命周期信息集成管理應(yīng)用鏈。在項(xiàng)目規(guī)劃階段，基于集成方案周邊建筑、道路、地形、管線等地理空間數(shù)據(jù)的3D GIS軟件，結(jié)合GIS緩沖分析、疊加分析、地形地貌分析等功能開(kāi)展場(chǎng)地使用條件評(píng)估和分析，有助于開(kāi)展科學(xué)選址規(guī)劃（圖5a）；在方案論證階段，基于三維數(shù)字地形可視化與編輯功能，在三維地理空間環(huán)境下開(kāi)展方案的草繪、參數(shù)化交互式設(shè)計(jì)與日照分析、通視分析等3D模擬分析，通過(guò)將初步論證研究結(jié)果導(dǎo)出為BIM／CAD格式，為開(kāi)展深化設(shè)計(jì)、建筑系統(tǒng)分析、4D施工模擬等設(shè)計(jì)、施工管理工作提供初步成果數(shù)據(jù)（圖5b、圖5c）；在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段，通過(guò)在3DGIS軟件中集成CAD／BIM建筑工程深化設(shè)計(jì)成果（空間信息、設(shè)備參數(shù)等），為設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供可視化支撐，通過(guò)和室內(nèi)定位、門(mén)禁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)集成，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目智能化運(yùn)營(yíng)管理；基于室內(nèi)外一體化集成信息的路線分析、緩沖分析功能，為制訂疏散救援應(yīng)急預(yù)案、災(zāi)害發(fā)生后快速獲取設(shè)備狀態(tài)信息，開(kāi)展應(yīng)急救援指揮等應(yīng)用提供支撐（圖5d）。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)建設(shè)工程全生命周期管理應(yīng)用的需求，本文提出了面向服務(wù)的CAD／GIS／BIM在線集成框架。以擴(kuò)展OGC CityGML建立的建設(shè)工程信息模型為核心，設(shè)計(jì)了CAD／BIM模型要素服務(wù)和在線集成客戶端，通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)框架的可行性。通過(guò)開(kāi)展CAD／GIS／BIM在線集成和應(yīng)用，一方面為三維數(shù)字城市補(bǔ)充了建設(shè)工程語(yǔ)義化、結(jié)構(gòu)化空間數(shù)據(jù)，為數(shù)字城市向智慧城市發(fā)展提供了豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源；另一方面結(jié)合建設(shè)工程全生命周期應(yīng)用管理的需求，綜合利用GIS、CAD／BIM的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，拓展了信息集成應(yīng)用的鏈條，探索了測(cè)繪地理信息和建設(shè)工程領(lǐng)域深度融合的技術(shù)前景。模型多細(xì)節(jié)層次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，BIM數(shù)據(jù)發(fā)布轉(zhuǎn)換中的語(yǔ)義丟失和集成分析效率是在實(shí)踐過(guò)程中遇到的主要瓶頸。下一步擬采用云計(jì)算架構(gòu)提高協(xié)同計(jì)算和分析能力，促進(jìn)框架在建設(shè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

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