陳玉龍

(1.北京建筑大學(xué)，北京 100044；2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

建筑信息模型(BIM)作為一種全新的理念及技術(shù)手段，憑借其特征參數(shù)化、設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字化，成為設(shè)施信息資源共享、全生命周期決策的可靠基礎(chǔ)[1]。三維GIS作為GIS發(fā)展的方向之一，基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，面向海量三維地理空間數(shù)據(jù)，在可視化基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三維模型與地形、地貌的無縫集成，同時(shí)滿足空間查詢、空間分析及符號化渲染功能[2]。其強(qiáng)大的三維可視化能力及空間查詢分析能力，恰好可以彌補(bǔ)BIM周邊宏觀環(huán)境處理及可視化能力的不足，使BIM從單體精細(xì)化模型設(shè)計(jì)應(yīng)用上升到多維數(shù)據(jù)應(yīng)用層面。

目前，BIM與三維GIS集成主要研究集中在兩個(gè)方面：一是工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)與城市地理標(biāo)記語言(CityGML)數(shù)據(jù)的共享機(jī)制和語義傳遞方向。國外學(xué)者利用CityGML ADE擴(kuò)展機(jī)制、GeoBIM擴(kuò)展模型、UBM模型實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享[3-5]；呂慧玲等提出了一種BIM模型到多細(xì)節(jié)層次GIS模型的轉(zhuǎn)換方法，優(yōu)化了BIM-GIS模型可視化效果[6]。二是BIM與GIS集成應(yīng)用方面。Yamamura提出了一種以GIS-BIM為基礎(chǔ)的城市能源規(guī)劃系統(tǒng)訪問優(yōu)化技術(shù)綜合分析調(diào)整城市基礎(chǔ)設(shè)施的政策思路[7]；Lrizarry等利用GIS-BIM模型的視覺表現(xiàn)能力，實(shí)現(xiàn)建筑材料的流程管理可視化[8]；李佩瑤等提出一種面向?qū)Ш降腎FC模型室內(nèi)空間信息提取的方法，實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)部空間通達(dá)性一體化的語義描述[9]。

截至目前，大部分研究主要集中在兩種模型間的轉(zhuǎn)換原型設(shè)計(jì)上，局限于單體BIM信息在三維GIS地理空間中的展示，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、可視化性能上未進(jìn)行更深一步的探討，很難滿足不同行業(yè)對空間信息完整空間表達(dá)和管理的需求，存在以下幾點(diǎn)不足：

(1) 語義信息映射不完整，未能將BIM屬性及功能信息全部繼承。

(2) 大尺度BIM-GIS數(shù)據(jù)缺乏良好的數(shù)據(jù)組織模式和空間索引結(jié)構(gòu)，真實(shí)質(zhì)感的三維圖形可視化效率低。

1 BIM-GIS集成可視化框架總體思路

BIM-GIS集成可分為3個(gè)層次：一是建筑設(shè)施外輪廓幾何信息的集成，主要應(yīng)用于城市建模；二是建筑物設(shè)施構(gòu)件信息及其內(nèi)屬性(與構(gòu)件實(shí)體本身相關(guān)的屬性)的集成，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)施內(nèi)外環(huán)境的統(tǒng)一管理；三是BIM-GIS模型內(nèi)建筑構(gòu)件的幾何、語義、內(nèi)屬性、外屬性(建筑構(gòu)件非實(shí)體屬性，描述構(gòu)件的功能信息)能夠進(jìn)行完整的描述和表達(dá)，同時(shí)運(yùn)用GIS大范圍空間數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)施全生命周期可視化表達(dá)與分析[10]。

不同層次的BIM-GIS集成本質(zhì)區(qū)別為BIM數(shù)據(jù)挖掘的深度不同，但每個(gè)層次的應(yīng)用都離不開整合模型可視化關(guān)鍵技術(shù)。因此，本文以典型BIM(RVT)數(shù)據(jù)為例，設(shè)計(jì)一種基于金字塔結(jié)構(gòu)的BIM-GIS可視化方法，在滿足各層次數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，提高三維場景的可視化效率，同時(shí)滿足空間查詢分析功能，總體框架如圖1所示。

圖1 BIM-GIS集成可視化總體框架

框架主要包括3個(gè)環(huán)節(jié)：

(1) 通過RVT數(shù)據(jù)格式解析，要素幾何信息判斷，針對不同層次的應(yīng)用需求建立語義過濾條件，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為表面模型，同時(shí)關(guān)聯(lián)建筑構(gòu)件的屬性信息及材質(zhì)信息。

(2) 基于LOD技術(shù)的金字塔多分辨率層次模型，將集成的BIM-GIS模型按照八叉樹邏輯結(jié)構(gòu)分割為多層次的網(wǎng)格模型，應(yīng)用多分辨率LOD技術(shù)，距視點(diǎn)距離不同的網(wǎng)格內(nèi)采取不同的模型表面細(xì)節(jié)。

(3) 過濾清洗表面模型原始數(shù)據(jù)的材質(zhì)和紋理信息，使之成為透明不可見但包括幾何信息及屬性的模型，然后根據(jù)坐標(biāo)重疊放置在模型場景中，通過空間三維坐標(biāo)的定位，獲取構(gòu)件ID，實(shí)現(xiàn)查詢分析功能。

2 RVT模型數(shù)據(jù)解析及幾何轉(zhuǎn)換

BIM采用的幾何表達(dá)方式多為構(gòu)造實(shí)體幾何模型(CSG)和掃描體[11]，屬于體模型的空間構(gòu)模方法，GIS中地物三維模型幾何表達(dá)方式多為邊界表示模型(B-rep)[12]。BIM-GIS集成的關(guān)鍵在于體模型向面模型的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS在數(shù)據(jù)格式與空間位置的統(tǒng)一。具體過程如下：

首先解析RVT數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，對其中與構(gòu)筑物相關(guān)的幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并獲取與幾何數(shù)據(jù)相對性的語義信息，并以幾何語義信息作為約束條件，以ElementID為構(gòu)件元素的關(guān)鍵字段標(biāo)識，關(guān)聯(lián)其幾何信息和屬性信息。

其次對過濾后的RVT模型進(jìn)行幾何轉(zhuǎn)換，即實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為表面模型，獲取每個(gè)構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)，包括頂點(diǎn)坐標(biāo)及法線信息。

最后提取構(gòu)件的材質(zhì)信息。RVT數(shù)據(jù)中，材質(zhì)信息以獨(dú)立元素的形式進(jìn)行存儲和管理，在RVT文檔中每個(gè)材質(zhì)元素都用唯一的ID進(jìn)行標(biāo)識。通過ElementID關(guān)聯(lián)Model Elements中所包含材質(zhì)參數(shù)，并從中獲取其材質(zhì)信息，包括填充圖案、顏色、渲染等信息。

2.1 RVT數(shù)據(jù)解析

RVT模型是BIM全生命周期過程中設(shè)計(jì)階段的典型數(shù)據(jù)，同時(shí)在施工與運(yùn)維階段中的結(jié)構(gòu)分析、綜合碰撞檢查、造價(jià)管理及運(yùn)行管理中得到繼承，以RVT模型作為本文的BIM數(shù)據(jù)來源，具有代表性意義。RVT模型數(shù)據(jù)庫由模型元素、基準(zhǔn)元素、特定視圖元素3部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 RVT模型數(shù)據(jù)庫

模型元素(model elements)中存儲了RVT模型所有的三維幾何信息及與幾何相關(guān)的語義信息描述。從操作層面上，RVT模型包含了建筑設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、電氣等多方面建筑相關(guān)構(gòu)件幾何信息，從結(jié)構(gòu)層面定義了從室外到室內(nèi)各種類型的建筑及其附屬設(shè)施的構(gòu)件名稱，即語義信息。同時(shí)，模型元素中的幾何構(gòu)件還包含建筑階段化信息、光熱傳導(dǎo)、標(biāo)識數(shù)據(jù)等屬性信息。因此，在對RVT模型轉(zhuǎn)換為GIS表面模型的過程中，可根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)建幾何或語義過濾器，從而滿足不同層次的模型轉(zhuǎn)換需求。

2.2 幾何信息轉(zhuǎn)換

GeometryObject基類是描述所有Model Element幾何類的基類，其子類包括GeometryElement、GeometryInstance、Curve、Edge、Face、Mesh、Point、Polyline、Profile、Solid。其中，GeometryElement是描述一個(gè)構(gòu)件幾何信息的集合，可包含嵌套層次的多個(gè)幾何結(jié)構(gòu)，而GeometryInstance則多數(shù)用于表達(dá)Revit中的族文件，是布置在項(xiàng)目中的具體構(gòu)件，相當(dāng)于經(jīng)幾何變換的SymbolGoemetry，即加載到項(xiàng)目中的族文件，這二者涵蓋了RVT模型中最主要的構(gòu)件幾何信息，Solid是RVT模型中描述三維數(shù)據(jù)最主要的方法，其他的子類基本不作為獨(dú)立的構(gòu)件三維幾何信息存在。具體的幾何信息轉(zhuǎn)換為：

(1) 根據(jù)不同層次的應(yīng)用需求，構(gòu)件語義過濾器，篩選出符合要求的構(gòu)件類型。

(2) 獲取Model Elements幾何類的圖元信息。首先為避免模型轉(zhuǎn)換過程中構(gòu)件幾何信息丟失問題，RVT模型精度指定為精細(xì)模型，然后歷遍過濾后的Model Elements的Geometry，若不為空，得到Geometry-Object子類類型，獲取構(gòu)件幾何信息表達(dá)方式。

(3) 獲取頂點(diǎn)坐標(biāo)及法線向量。歷遍Geometry- Object子類類型，①若是GeometryElement，則需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，獲取可能的幾何類型，用遞歸循環(huán)函數(shù)解析其全部的幾何數(shù)據(jù)；②若是Geometry Instance，需要通過GetInstance Geometry函數(shù)遞歸循環(huán)來獲取其真實(shí)的幾何數(shù)據(jù)；③若是其他幾何結(jié)構(gòu)，都是直接的幾何表達(dá)方式，不涉及遞歸循環(huán)處理。以Solid舉例，可直接通過Solid中的Face進(jìn)行解析，獲取三角面數(shù)據(jù)，通過設(shè)置其精細(xì)程度，控制弧面的顯示效果，也可以利用Revit工具類SolidUtils來解析。

(4) 關(guān)聯(lián)材質(zhì)信息與屬性信息。在RVT模型中，只有Model Elements包含材質(zhì)信息，通過實(shí)體(solid)獲取與實(shí)體相關(guān)的所有材質(zhì)ID，根據(jù)材質(zhì)ID獲取材質(zhì)對象，與實(shí)體幾何信息關(guān)聯(lián)。ElementID作為Element唯一標(biāo)識符，可將其作為關(guān)鍵字段將Model Elements中的屬性信息與幾何信息關(guān)聯(lián)。

3 基于多分辨率層次模型的BIM-GIS數(shù)據(jù)模型

BIM-GIS原始模型的海量數(shù)據(jù)特征，使應(yīng)用系統(tǒng)無法提供場景實(shí)施繪制的能力。采用多細(xì)節(jié)層次(LOD)技術(shù)對BIM-GIS模型進(jìn)行多尺度表達(dá)是目前主流的可視化研究內(nèi)容，在BIM模型向GIS表面模型轉(zhuǎn)換的過程中，對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，以實(shí)現(xiàn)不同細(xì)節(jié)的幾何重構(gòu)[13]。該方法在模型可視化角度進(jìn)行了優(yōu)化，本文在此基礎(chǔ)上，采用八叉樹空間索引機(jī)制，構(gòu)建多分辨率層次模型，能夠在保證BIM建筑構(gòu)件信息幾何、語義屬性信息完整繼承表達(dá)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)大尺度BIM-GIS場景實(shí)時(shí)繪制能力，提高模型顯示速度。

3.1 多分辨率層次的BIM-GIS可視化

多分辨率層次(multi-resolution hierarchy)模型，通常采用倍率的方法構(gòu)建金字塔，形成多個(gè)分辨率層次。通過構(gòu)建金字塔多分辨率模型，可為BIM-GIS可視化系統(tǒng)提供不同精度的三維數(shù)據(jù)。多分辨率層次模型采用八叉樹空間索引機(jī)制，經(jīng)遞歸劃分后，在保證模型原始精度的基礎(chǔ)上，將分割的模型體元化，以子節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，自下而上逐層進(jìn)行模型表面簡化重建，生成模型LOD數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建多分辨率層次模型，其流程及文件組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多分辨率層次BIM-GIS數(shù)據(jù)構(gòu)建流程及文件組織結(jié)構(gòu)

在大尺度高細(xì)節(jié)三維數(shù)據(jù)可視化處理過程中，八叉樹是效果較好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[14]，能夠滿足三維視椎體剪裁算法的要求。采用規(guī)則的空間八叉樹將BIM-GIS模型數(shù)據(jù)包圍盒八等分(如圖4所示)，節(jié)點(diǎn)收斂條件取決于用戶指定深度閾值或多邊形數(shù)量閾值，經(jīng)遞歸劃分后，特征復(fù)雜區(qū)域分割為較小的體元，簡單區(qū)域分割體為較大體元。

圖4 三維模型八叉樹劃分

分割后的原始精度表面模型存儲在子節(jié)點(diǎn)中，過渡節(jié)點(diǎn)則存儲逐級簡化重建的LOD數(shù)據(jù)。為提高簡化效率、保持簡化模型表面特征，文本采用模型最小Q值頂點(diǎn)對(pair contraction)收縮方法[15]，判斷兩個(gè)頂點(diǎn)距離是否小于設(shè)定閾值，將小于閾值的頂點(diǎn)進(jìn)行收縮操作，依次反復(fù)迭代，直至重建的表面模型滿足簡化要求，進(jìn)而從底層到頂層逐層生成多分辨率LOD模型。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)紋理映射，將降低分辨率的紋理貼圖坐標(biāo)與幾何多邊形頂點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一。多分辨率層次LOD模型展示效果如圖5所示。

圖5 多分辨率層次LOD模型

3.2 BIM-GIS數(shù)據(jù)組織管理

在八叉樹結(jié)構(gòu)中，只有子節(jié)點(diǎn)存儲的為原始精度幾何模型，為滿足BIM-GIS模型可視化效果，過程節(jié)點(diǎn)中存儲的為經(jīng)過幾何重構(gòu)的模型，建筑構(gòu)件精細(xì)幾何形態(tài)經(jīng)過簡化會出現(xiàn)不同程度的刪減。當(dāng)觀察視點(diǎn)位于父節(jié)點(diǎn)以下、子節(jié)點(diǎn)以上時(shí)，系統(tǒng)繪制的BIM-GIS模型細(xì)節(jié)丟失，在進(jìn)行建筑構(gòu)件屬性信息查詢時(shí)，難免因此出現(xiàn)查詢錯(cuò)誤或失敗的情況發(fā)生。因此本文設(shè)計(jì)了一種方法，將承載屬性信息的原始精度模型進(jìn)行材質(zhì)紋理清洗，生成透明不可見，但以實(shí)體存在并繼承了BIM全部的幾何、屬性信息的模型，然后空間重疊放置于BIM-GIS場景中。由于該模型不包含材質(zhì)與紋理等圖像信息，不影響計(jì)算機(jī)模型繪制速度，可一次性裝載到三維場景中。在實(shí)際操作時(shí)，通過窗口空間三維坐標(biāo)的拾取，獲取構(gòu)件ID，關(guān)聯(lián)該構(gòu)件相關(guān)的屬性信息，從而實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件屬性查詢分析功能。

BIM-GIS模型中實(shí)體對象除屬性對象以外，還包括空間對象及符號對象，如圖6所示。為實(shí)現(xiàn)BIM-GIS模型數(shù)據(jù)的快速加載與前端顯示，需要對BIM-GIS模型中柵格、矢量、三維模型、材質(zhì)貼圖、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化管理。其中三維模型及材質(zhì)貼圖作為符號對象管理，以滿足三維場景快速實(shí)時(shí)加載與顯示；空間對象幾何信息則從不同維度描述實(shí)體對象的地理空間特征，采用網(wǎng)絡(luò)索引技術(shù)，在邏輯上按照空間對象的位置和大小，把該空間對象轉(zhuǎn)為兩個(gè)列的值存儲起來，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫層次可構(gòu)建包含這兩個(gè)列和其他位置相關(guān)的列的B-Tree索引，能極大提高空間對象的聚簇效果及查詢效率。

圖6 BIM-GIS實(shí)體對象組織結(jié)構(gòu)

4 試驗(yàn)與分析

本文采用Autodesk提供的標(biāo)準(zhǔn)RVT模型作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于語義信息將RVT模型轉(zhuǎn)換為表面模型，實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件細(xì)節(jié)的無損輸出，保證了構(gòu)件幾何語義信息的完整描述。圖7(a)是轉(zhuǎn)換前的RVT原始模型，包括建筑、HVAC、管道3種構(gòu)件類型；圖7(b)為轉(zhuǎn)換完成的表面模型；圖7(c)為風(fēng)管構(gòu)件轉(zhuǎn)換完成的表面模型。對比RVT原始模型與轉(zhuǎn)換后的表面模型，本文提出的模型轉(zhuǎn)換方法能夠完整繼承RVT模型的幾何、紋理、材質(zhì)信息。然后采用深度為3的八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將原始精度表面模型逐層構(gòu)建多分辨率LOD模型，以符號的形式代替原有的矢量模型，如圖8所示。在同樣操作環(huán)境下對原始精度表面模型和多分辨層次LOD模型作比較分析試驗(yàn)(見表1)，模型加載顯示效率上，多分辨率層次LOD模型要高于原始精度表面模型。

圖7 RVT模型與轉(zhuǎn)換后的表面模型對比

圖8 多分辨率層次模型-建筑

表1原始精度模型與多分辨率層次LOD模型數(shù)據(jù)加載顯示比較

模型類型模型加載時(shí)間/s加載時(shí)內(nèi)存消耗/MB漫游時(shí)內(nèi)存消耗/MB顯示幀率/FPS原始精度模型7.832.0633.6129多分辨率層次LDO模型2.37.768.3834

5 結(jié) 語

本文提出的基于多分辨率層次模型的BIM-GIS集成可視化方法，能夠在完整繼承BIM建筑構(gòu)件信息幾何、語義屬性信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)BIM模型與GIS模型的集成；并通過對原始精度模型的處理與數(shù)據(jù)組織管理，在滿足建筑構(gòu)件屬性信息完成描述與表達(dá)的基礎(chǔ)上，提高BIM-GIS可視化效率。BIM與GIS之間并無可替代性，更傾向于一種互補(bǔ)的關(guān)系。BIM是用來整合和管理設(shè)施本身全生命周期各個(gè)階段的信息，GIS則是整合和管理設(shè)施外部環(huán)境信息，把二者信息進(jìn)行共享和互操作，以滿足查詢、空間分析及可視化的功能，是未來GIS的發(fā)展方向之一，也是BIM多維應(yīng)用的一個(gè)重要途徑。