劉金巖，劉云鋒，李 浩，趙 萍，尹 筍

（1. 吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021，E-mail:shshrsh0826@163.com；2. 河海大學，江蘇 南京 210098；3. 長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010）

基于BIM和GIS的數(shù)據(jù)集成在水利工程中的應用框架

劉金巖1，劉云鋒2，李 浩3，趙 萍3，尹 筍3

（1. 吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021，E-mail:shshrsh0826@163.com；2. 河海大學，江蘇 南京 210098；3. 長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010）

為促進BIM技術在水利工程的應用，解決BIM和GIS集成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，基于對BIM的數(shù)據(jù)特征、IFC格式

建筑信息模型；地理信息系統(tǒng)；IFC；CityGML；水利工程

近年來，信息技術的逐漸發(fā)展為水利工程管理提供了新的技術。GIS（Geographic Information System）是一種特定的空間信息系統(tǒng)。在計算機系統(tǒng)（包括硬件和軟件）的支持下，它采集整個地球表層或者部分空間中的地理數(shù)據(jù)，然后可以進行分析、運算、顯示和管理，以及存儲數(shù)據(jù)和描述數(shù)據(jù)［1］。近年來隨著信息技術的發(fā)展，作為新興的技術與學科，GIS被廣泛應用于各行各業(yè)包括水利工程行業(yè)，并取得了驚人的發(fā)展。BIM（Building Information Modeling）技術是從傳統(tǒng)的2D設計向3D數(shù)字化建筑設計轉(zhuǎn)變的重要技術，它是以CAD技術作為基礎發(fā)展起來的［2］。目前，中國的水利建筑行業(yè)處在一個轉(zhuǎn)型時代，從傳統(tǒng)向現(xiàn)代科技進行轉(zhuǎn)變。隨著信息化的發(fā)展，2015年水利部正式提出為了促進水利現(xiàn)代化大力發(fā)展建設水利信息化的理念。推進水利工程信息化建設，就要結(jié)合BIM技術和GIS技術在水利工程的應用。目前許多城市，政府和企業(yè)表現(xiàn)出極大的興趣在構(gòu)建虛擬三維城市、建筑和基礎設施（包括水利工程）的模型。欲要實現(xiàn)許多3D模型的結(jié)合，需要解決BIM和GIS 的3D模型整合問題，最終在同一個3D模型上顯示空間和地理信息。但是，BIM和GIS的集成方面，目前還存在諸多問題。

BIM和GIS是采用不同的數(shù)據(jù)格式，因此首先要解決不同數(shù)據(jù)格式中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。IFC （Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎分類）作為BIM模型中一個關鍵且規(guī)范的數(shù)據(jù)交換標準，使得BIM 中大量軟件的數(shù)據(jù)交換成為可能。例如Archicad，AutoCAD 和Bentley MicroStation。GIS系統(tǒng)使用的是 CityGML格式。在過去的幾年里，有人嘗試在建筑和交通基礎設施實現(xiàn) BIM和 GIS的集成，而在水利工程中的應用尚為空白。因此本文試圖解決兩個數(shù)據(jù)格式的交換問題，實現(xiàn)水利工程3D模型中的BIM模型和GIS模型的交互，為水利工程的建設和運營過程提供良好的模型基礎。

1　BIM和GIS的數(shù)據(jù)特征

3D技術作為BIM的基礎，使得BIM技術能夠集成項目全生命周期內(nèi)的各個階段不同類型的信息，比如建筑構(gòu)件的幾何形狀，結(jié)構(gòu)的材料等，從而建立項目功能和實體一體化的數(shù)字化模型。此3D模型還可以整合項目全生命周期內(nèi)的全部建造信息，包括設計階段，施工階段和運維階段，從而方便項目管理［2］。

BIM 模型中包含了建筑的幾何信息和語義信息。BIM也被定義為一個數(shù)字表示的建筑的物理特征和功能特征，以及建筑的環(huán)境。同時BIM也表示了邏輯結(jié)構(gòu)且很好地解釋了建筑物體的空間性，并可以實現(xiàn)可視化。因此，促進利益相關者信息共享對于BIM是一個很重要的技術，同時給予項目管理者更好的決策指導，包括建筑工程和水利工程項目。BIM包含的豐富信息使得BIM能夠為水利工程的應用提供了堅實的基礎。

1.1BIM的數(shù)據(jù)特征

對于BIM和GIS的集成問題，首先要分析清楚BIM的數(shù)據(jù)特征，以便于解決后續(xù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。

（1）面向?qū)ο?。BIM 系統(tǒng)主要是面向?qū)ο箝_發(fā)的方式，便于通過模型導航和跟蹤流程。

（2）數(shù)據(jù)豐富和數(shù)據(jù)綜合全面。BIM可以覆筑物的物理特性和功能特性，包含豐富的數(shù)據(jù)和綜合全面的信息。

（3）空間關系。BIM能使建筑的各個構(gòu)件的空間關系在一個層次結(jié)構(gòu)方式里表示出來。

（4）語義豐富。BIM在建筑結(jié)構(gòu)和空間關系上包含了大量的細節(jié)和語義信息。

（5）支持視圖生成。BIM通常有不同的視圖基于用戶的需求。這些視圖可以基于信息模型生成，并且可以聚合成更大的模型。

1.2BIM的數(shù)據(jù)標準格式IFC

IFC是被用來表示建筑行業(yè)的基礎分類。1995年，歐洲研究計劃同意使用IFC代表建筑行業(yè)特定的分類圖。這些圖表通常表示空間對象的圖形及其關系的邏輯視圖系統(tǒng)規(guī)范。它是一組實體及其關系，代表了一個復雜的數(shù)據(jù)模式。IFC定義了數(shù)據(jù)元素，并表示建筑的各個部分及空間關系［4］。此外，還包含了關于空間擴展部分的相關信息。

IFC的模式結(jié)構(gòu)具有4個層次結(jié)構(gòu)。每一個層次都有一個概念層作為一個個體模式，并被定義為模式化的結(jié)構(gòu)。這些層次如圖1所示。

圖1　IFC 結(jié)構(gòu)層

1.3GIS

基于GIS技術，可以在3D模型中表達水工建筑物的環(huán)境信息。但是這里存在兩個關鍵的問題:一是需要考慮水工建筑物先進的幾何信息模型，第二是需要解決水工建筑物的建筑模型和所在區(qū)域空間環(huán)境模型的整合規(guī)則和框架。

1.4GIS的數(shù)據(jù)標準CityGML

隨著一個開放標準的廣泛需求，CityGML誕生了。CityGML被開發(fā)成一個共同的語義信息模型，代表不同的三維城市和地理對象，并且他們之間共享不同的應用程序。CityGML是一個基于XML格式的開放數(shù)據(jù)標準。它可以被用來存儲、交換虛擬的3D物體和城市模型在一些應用程序上。CityGML可以表示圖形外觀和標準分類，也可以表示城市和區(qū)域里具有相關性的地形物體的關系。它不僅可以表示城市中的建筑結(jié)構(gòu)，也可以表示高程、植被、水體和更多的物理對象。因此，CityGML可以實現(xiàn)復雜的分析，重復的任務，支持決策和主題查詢。

CityGML被設計在5個不同的細節(jié)層次（Level of Detail，LOD，以下簡稱LOD）里面，在被用于表示水利模型物體時候，可根據(jù)不同的要求給出不同的細節(jié)層次的應用模型［5］。

LOD0擁有最少的細節(jié)，被用來表示大的或者比較少細節(jié)的物體，類似于數(shù)字地理模型。LOD1通常被用來表示建筑的塊狀模型。LOD2展現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)的差異，比如屋頂、表面、材料和植被。LOD3考慮了建筑層面，它通過表示紋理來包括更多的建筑和物體的細節(jié)，比如墻、屋頂結(jié)構(gòu)、門、窗和陽臺等。LOD4添加了更多的細節(jié)去鏈接外部設計和內(nèi)部設計。它表達了房間、分區(qū)、室內(nèi)門、樓梯、家具、電量單位、通風設備和裝飾部件等。

2　IFC和CityGML的數(shù)據(jù)整合

因為不同的可視化需求，以及水利工程的計劃、建造、3D模擬等需求，人們需要將外部應用和內(nèi)部應用進行有機的結(jié)合?；A設施（包括水利工程）和建筑工程中BIM和GIS的結(jié)合已經(jīng)成為建筑和環(huán)境應用結(jié)合的核心。對于BIM和GIS的結(jié)合，需要開發(fā)語言模型去表示空間物體和建筑元素。IFC和CityGML是兩個很好的例子，能夠基于這兩個數(shù)據(jù)格式建立內(nèi)部的語義模型（建筑或水工建筑物）和外部的語義模型（水工建筑物周圍的環(huán)境）。一些研究表明［4，5］可以整合兩者之間的數(shù)據(jù)交換，但是目前缺乏一個完整的關于信息自動轉(zhuǎn)換的描述性框架。

2.1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間存在的障礙

GIS的模型不同于BIM模型，它是基于語義概念上的表示建筑環(huán)境應用的空間的物體。由于建筑元素在語義模型上的要求，不同的BIM模式已經(jīng)包含了幾何模型信息和語義模型信息。這些模型在BIM和GIS領域內(nèi)包含幾何和語義的表示，并且基于物體的概念數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但是，整合 BIM模型和GIS模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從一個模型轉(zhuǎn)到其他存在的模型里不是一件容易的事，存在以下障礙:

（1）不同領域的問題。BIM模型和GIS模型是由不同領域的人完成的。其設計者來自于不同的領域和專業(yè)背景。這兩個領域內(nèi)存在技術障礙，同時也使得在應用的過程，兩個標準不能自動轉(zhuǎn)換。

（2）設計BIM模型的軟件問題。如果大多數(shù)BIM模型是在設計階段完成的，那它存在比較好的整合狀態(tài)。但是大多數(shù)的建筑沒有完整的 BIM模型，比如國內(nèi)的一些水利工程項目是在很多年以前建設的，目前為止還沒有它的BIM模型，這就使得既有建筑水工建筑物的模型比較困難。

（3）設計BIM模型依據(jù)的文件存在問題。在國內(nèi)，大多數(shù)的BIM模型都是來自于CAD圖紙。這樣使得BIM模型缺乏物體定義，即缺少大量的語義信息。在整合BIM和GIS的時候，一個語義豐富的BIM模式是十分重要的。

（4）細節(jié)層次（LOD）的問題。通常情況下，不同的空間物體表達是根據(jù)不同的LOD層次。較低層次的LOD表示區(qū)域?qū)哟?，較高層次的LOD表示建筑物的細節(jié)和設備。GIS模型考慮的是在項目層面的信息，而BIM模型考慮的是一個水工建筑物的細節(jié)部分。即使實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換也是相對比較耗費時間的。

（5）大地參考系統(tǒng)和投影系統(tǒng)的問題。BIM模型在設計初期，通常使用的是本地坐標系，而GIS通常使用的是大地坐標系。這個問題在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時需要考慮進去。

（6）BIM模型的復雜程度。BIM模型的一些復雜的參數(shù)化形狀，比較難轉(zhuǎn)換到GIS系統(tǒng)中顯示出來。比如BIM模型中的不同管道之間的鏈接點，如果涉及到比較復雜的設計和參數(shù)，可能在轉(zhuǎn)換過程中丟失數(shù)據(jù)，因此，兩者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要考慮到這一點。

2.23D模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架

基于上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間存在的障礙，本文提出一個解決BIM模型和GIS模型轉(zhuǎn)換時語義信息和幾何信息可以一一對應的框架，從而可以很好地解決兩個不同數(shù)據(jù)標準IFC和CityGML之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。這個框架下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換包含兩個步驟，如圖2所示。

第一步:水工建筑物的3D圖形和數(shù)據(jù)，以及區(qū)域的信息收集來自于不同的渠道。這些數(shù)據(jù)通常以X3D，DXF，KML和COLLADA的格式存儲，這個格式是被用來創(chuàng)建可視化模型的。需要解決的問題是通過空間文本信息整合語義數(shù)據(jù)。在這個過程中，需要創(chuàng)建空間語義模型去鏈接幾何構(gòu)件和語義構(gòu)件。并且 CityGML被用來作為一個目標結(jié)構(gòu)去表達轉(zhuǎn)換過程的中間層。其中包括了3個方面去獲取數(shù)據(jù):

（1）2D信息。通常采用攝影測量法，比如360°旋轉(zhuǎn)拍照、航拍等先進的技術，獲取基本的2D信息。然后根據(jù)圖片和2D信息進行3D幾何重建，比如說根據(jù)2D圖紙去繪制3D的BIM模型。

（2）3D 信息。通常采用激光掃描（laser scanning）和地面測量（全站儀測量等），獲取3D的信息，直接用于3D模型的繪制。

（3）3D設計。目前有Autodesk公司的Revit可以直接進行3D的模型繪制，直觀方便。

未建立的2D幾何圖形需要和非語義的信息轉(zhuǎn)換為3D的GIS信息和3D的模型。

第二步:將創(chuàng)建好的CityGML轉(zhuǎn)換為IFC模型。以解決CityGML和IFC數(shù)據(jù)層次的對應關系，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換。圖2的框架給出了相似的參考概念，即關于水工建筑物中語義和建筑構(gòu)件的CityGML的定義和IFC的定義。

在第二步中還需要考慮大地參考系統(tǒng)和投影系統(tǒng)的問題，需要把BIM模型中的本地坐標系轉(zhuǎn)換為GIS系統(tǒng)中的大地坐標系，這樣兩者方可統(tǒng)一。此外，BIM模型的輕量化處理也是必要的，將BIM模型的細節(jié)層次降低到和GIS的模型一致，從而加載水利工程的BIM模型到GIS系統(tǒng)中，準確現(xiàn)實模型在GIS系統(tǒng)的位置和信息。

對于水工建筑物的建模領域，這個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架將會實現(xiàn)的初始結(jié)果具有兩大優(yōu)勢:

（1）CityGML和IFC在水工建筑物的語義層面擁有相同的概念。這個很可能使得兩個系統(tǒng)提供一個知識數(shù)據(jù)庫快速訪問和查詢到對應的建筑模型，包括建筑物的細節(jié)元素。

（2）這個框架支持了一個定義好的建筑環(huán)境中的用戶界面。同時，CityGML也被用作一個信息豐富的語義模型。這些可以幫助在不同的3D模型之間實現(xiàn)無損的連接和信息交換，包括CAD、Revit和復雜的細節(jié)的IFC模型。

圖2　IFC和CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的框架圖和集成模型應用

3　BIM和GIS集成在水利工程的應用

按照上述的IFC和CityGML相互轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的框架，可以順利地實現(xiàn) BIM模型中的數(shù)據(jù)和 GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)無縫銜接和傳輸。根據(jù)圖2對于BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題，信息的處理可以實現(xiàn)3個層面的應用:信息和模型的可視化，利用 3D模型實現(xiàn)水利工程建筑的設計規(guī)劃［6］、運營管理，以及工程的建設計劃、能源消耗和運維管理?；诖?，不僅可以實現(xiàn)BIM模型和GIS系統(tǒng)的集成，也可以使得水利工程建設管理人員根據(jù)BIM和GIS的集成系統(tǒng)，進行水利項目的全生命周期的管理和應用。圖 3為水利工程建設全生命周期 BIM+GIS集成應用實現(xiàn)框架圖。

圖3　水利工程建設全生命周期BIM+GIS集成應用實現(xiàn)框架圖

（1）項目可行性研究階段。GIS技術能夠提供豐富的數(shù)據(jù)和分析地理空間信息，從而幫助項目管理者建立地形、地貌等數(shù)字模型。GIS不僅能夠建立各種類型專業(yè)的數(shù)據(jù)地圖，而且形象地展現(xiàn)水工建筑物與周邊環(huán)境的空間關系。由于水工建筑物通常比較復雜，BIM 在可行性設計階段，可以結(jié)合GIS提供的準確的地理信息，設計模擬出場地的利用情況，為水利工程的設計模擬出多個可選擇方案，為決策者提供合理的決策建議。

（2）水利工程設計階段。BIM用三維模型直觀地、生動地表達出水工建筑物的各個細節(jié)。BIM也可以實現(xiàn)建筑物內(nèi)部不同專業(yè)的碰撞檢測功能，大大減少了設計工作量，有效地防止了施工過程的返工風險［7］。并且BIM可以模擬建筑物內(nèi)部的細節(jié)，實現(xiàn)設計的高效和精準。再比如水工建筑物內(nèi)部的災害逃生路線設計，都可以在BIM模型中進行仿真模擬，大大提高了設計效率。同時，GIS技術可仿真的模擬整體的洪水淹沒情景并分析，進一步提供相應的設計數(shù)據(jù)。不僅如此，BIM還為業(yè)主展示3D可視化，提前查看施工后的3D渲染模型。BIM和GIS的整合，為不同設計專業(yè)人員之間的合作提供橋梁，使得設計準確，參數(shù)精確，也為后期的運營維護提供了良好的基礎。

（3）施工階段的場地布置。水利工程項目管理者，可以采用BIM技術和GIS技術，同時考慮水利工程項目場地的有利條件，預測水工建筑物的結(jié)構(gòu)選型，選擇最優(yōu)的水利工程場地。不僅可以保證項目結(jié)構(gòu)設計能夠符合當?shù)厮?、地質(zhì)和氣候條件，而且保證了項目施工過程中的安全性，項目結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而增加項目順利實施的可能性。

（4）施工質(zhì)量和安全控制?；贐IM和GIS集成的模型，可以實施全程工程監(jiān)控和報警預警系統(tǒng)，準確定位各個施工細節(jié)和預測未來的可能性。在水利工程建設過程，帷幕灌漿是水利工程地基防滲處理的主要手段，BIM技術使得工程的施工質(zhì)量控制更加高效。施工階段還可以4D進度設計和管控，能夠良好的控制施工進度。

（5）工程后期的運維管理。施工結(jié)束后，為業(yè)主提供無紙化電子的模型交付。GIS具有對于水工建筑物周圍環(huán)境和地理信息的整體性功能，它可以實現(xiàn)覆蓋整個河流區(qū)域的空間信息以及地理信息。BIM包含了水利機電設備、閘門、通信信號設備等靜態(tài)信息，為維護管理提供了準確詳細的信息。GIS和BIM還可以分析動態(tài)信息，例如項目管理者可以監(jiān)控設備的運營是否安全，在3D模型的情況下，可以清楚的顯示各個控件的運營情況。再結(jié)合 BIM模型對于水工建筑物內(nèi)部構(gòu)造的幾何信息和非幾何的屬性信息的分析和管理應用，更大地發(fā)揮 BIM模型在水利工程的運營階段發(fā)貨很大的作用。

4　結(jié)語

建立水利工程的BIM 3D模型，可以對工程建造中的成本、質(zhì)量、進度和安全進行精細化控制。GIS可以提供地理環(huán)境、空間地理信息、水文等數(shù)據(jù)。GIS技術在水利工程中的應用已經(jīng)相對成熟，但是BIM技術只是剛剛起步。推進水利工程建設的信息化程度，融合以上兩種信息技術是關鍵。因此，本文分別對BIM和GIS技術的數(shù)據(jù)特征進行分析，對各自的數(shù)據(jù)格式IFC和CityGML進行幾何信息和語義信息的層次結(jié)構(gòu)進行分析。不僅總結(jié)了集成BIM和GIS過程中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在的障礙，還提出了可以實現(xiàn)BIM和GIS集成的IFC和CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架。以期為水利工程建設中BIM和GIS的集成系統(tǒng)提供參考建議，促進水利工程建設發(fā)展。

［1］任曉春.鐵路勘察設計中 BIM與 GIS結(jié)合方法討論［J］.鐵路技術創(chuàng)新，2014（5）:80-82.

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［3］劉延宏.基于BIM+GIS技術的鐵路橋梁工程管理應用研究［J］.交通世界，2015（27）:30-33.

［4］湯圣君，朱 慶，趙君嶠.BIM與GIS 數(shù)據(jù)集成:IFC 與CityGML 建筑幾何語義信息互操作技術［J］.土木建筑工程信息技術，2014，6（4）:11-17.

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［6］許慶義，楊小秋.基于 GIS的水利工程管理系統(tǒng)研究［J］.江蘇科技信息，2015（13）:45-46.

［7］林 偉，路佳欣，程雷梓，等.BIM在小南海水電站施工組織設計中的應用 ［J］.水電與新能源，2013（6）: 32-35.

Application of BIM and GIS Based Data Integration in Water Conservancy and Hydropower Engineering

LIU Jin-yan1，LIU Yun-feng2，LI Hao3，ZHAO Ping3，YIN Sun3
（1. Jilin Province Hydro and Power Design Institute，Changchun 130021，China，E-mail:shshrsh0826@163.com；2. Hohai University，Nanjing 210098，China；3. Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In order to promote the application of BIM in hydropower engineering，this paper analyzed the data characteristics of BIM，IFC domain and data structure，and it explained the CityGML data format in GIS system，semantic information and geometrical information in Level of Detail. After that，it summarized the barriers of data exchange between IFC and CityGML when integrating BIM and GIS. Based on the analysis，it proposed a data exchange framework to achieve the data exchange between BIM and GIS. It also explored the potential application of BIM and GIS system in the whole life cycle of water conservancy and hydropower engineering，providing useful suggestions for construction managers using integrated BIM and GIS system.

BIM；GIS；IFC；CityGML；hydropower engineering

TU17

A

1674-8859（2016）04-095-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.018

劉金巖（1978-），男，工程碩士，高級工程師，研究方向:水利水電工程設計與管理；

劉云鋒（1989-），男，博士，研究方向:土石壩與堤防工程、土工合成材料工程應用；

李 浩（1976-），男，博士，研究方向:流域水資源管理方面的研究；

趙 萍（1990-），女，碩士，助理工程師，研究方向:水文及水資源管理；

尹 筍（1988-），男，博士，研究方向:水文及水資源管理，水利水電工程管理。

2016-04-11.

數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)層次、GIS系統(tǒng)的CityGML數(shù)據(jù)格式以及CityGML中語義信息和幾何信息的細節(jié)層次結(jié)構(gòu)進行詳細分析的基礎上，總結(jié)了BIM和GIS集成時IFC和CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中存在的幾個障礙?；诖?，提出了可以實現(xiàn)BIM和GIS集成的IFC和CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架。并探討了BIM和GIS集成系統(tǒng)在水利工程全生命周期中的應用和前景，為水利工程各個階段應用BIM和GIS集成系統(tǒng)提供有利的參考建議。