BIM+GIS技術(shù)在冬奧場館智能化管理平臺中的應(yīng)用

1、    bim+gis技術(shù)在冬奧場館智能化管理平臺中的應(yīng)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(xiàng)目都會采用bim+gis技術(shù)，而在2022年將要舉行的冬奧會項(xiàng)目中，延慶賽區(qū)的冬奧會場館及賽道就運(yùn)用了bim和gis技術(shù)，除了完成建筑物的設(shè)計、建造、維護(hù)外，bim和gis的融合以及與多源建筑物設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的融合將為冬奧會場館、賽事運(yùn)營提供強(qiáng)有力的支持。bim+gis的三維特性，是進(jìn)行可視化運(yùn)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(diǎn)與融合bim（building information model），即建筑信息模型，是將項(xiàng)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(jìn)度，建造過程，運(yùn)營維護(hù)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(rèn)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(jì)七十年代被提出，但直到本世紀(jì)才開始興起，特別是隨著計算機(jī)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(xiàng)目中開始得到應(yīng)用。bim技術(shù)具有如下特點(diǎn)：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(yùn)

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。基于開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ifc（industry foundation classes）標(biāo)準(zhǔn)，bim模型有效地支持建筑行業(yè)內(nèi)各個應(yīng)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(jìn)行描述、采集、處理、存儲、管理、分析和應(yīng)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(jìn)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(yīng)用于測繪、城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市應(yīng)急、環(huán)境保護(hù)等各個領(lǐng)域。gis技術(shù)具有四大特點(diǎn)：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(shí)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。空間定位，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(shí)現(xiàn)空間定位功能?？臻g分析，具有強(qiáng)大的空間分析功能，可提供拓?fù)浞治觥⒕彌_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(shí)現(xiàn)了二維數(shù)據(jù)的展示、瀏覽，也可對二維數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)用于城市地理信息的管理，提升城市精細(xì)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(xì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)精細(xì)的組織管理，bim和gis的融合真正實(shí)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(dá)是極其精細(xì)的，對于構(gòu)件的細(xì)節(jié)表達(dá)很細(xì)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(dǎo)入gis系統(tǒng)時，需要進(jìn)行不同程度的輕量化處理，即將模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者

7、簡化。不同的領(lǐng)域bim數(shù)據(jù)的精細(xì)程度也不盡相同。對gis應(yīng)用來說，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，將bim數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維gis平臺需要進(jìn)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(fù)頂點(diǎn)、計算（刪除）法線、模型拆分、模型合并等諸多實(shí)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(shí)體模型一類。bim建模主要是實(shí)體建模，如采用幾何實(shí)體創(chuàng)建法（constructive solid geometry， csg）。一般復(fù)雜的空間實(shí)體

8、經(jīng)過簡單的實(shí)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(yùn)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(shí)體，因此可以對每個室內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)體查詢。而大部分gis模型是表面模型，這區(qū)別于bim的實(shí)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(jìn)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(jìn)行粘合形成封閉的空間區(qū)域，表層記載了大量點(diǎn)、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?fù)潢P(guān)系的表達(dá)不足，無法支持三維的空間分析與計算，難以實(shí)現(xiàn)有效的三維城市建模。技術(shù)實(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，過

9、程中需要進(jìn)行不同bim數(shù)據(jù)格式到標(biāo)準(zhǔn)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(shí)體數(shù)據(jù)模型，可以實(shí)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(zhǔn)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(xì)的三維模型，讓gis更精細(xì)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(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。實(shí)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(yīng)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(shí)意義。多源數(shù)據(jù)在三維場景中進(jìn)行融合匹配，首先應(yīng)該是坐標(biāo)

10、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，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(biāo)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(jìn)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(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證遙感/航飛影像數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，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(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)化裁切、相對坐標(biāo)與絕對坐標(biāo)校準(zhǔn)匹配、不同格式數(shù)據(jù)對應(yīng)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(shí)、準(zhǔn)確的可視化體驗(yàn)，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(biāo)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(yùn)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(shí)時上傳到本地運(yùn)營中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和分析到遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)智能建筑的基礎(chǔ)，而bim是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，基于統(tǒng)一的時空網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以深入建筑物的內(nèi)部，對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)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(shí)體模型，提供了bim revit格式數(shù)據(jù)的無縫導(dǎo)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(xiàng)目選用supermap平臺進(jìn)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(xì)化bim+gis融合模型和多源傳感技術(shù)，將實(shí)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(dǎo)，并支持與醫(yī)療、電商、旅游、應(yīng)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)場館bim綜合展示、場館室內(nèi)導(dǎo)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(zāi)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(xì)化bim模型進(jìn)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(shí)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(zhǔn)確的找到對應(yīng)設(shè)備的位置以及運(yùn)行情況。2、場館室內(nèi)導(dǎo)航通過場館和設(shè)備的bim以及獲取到的用戶實(shí)時坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)場館的智能化導(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行分析，提出了bim和gis融合的關(guān)鍵技術(shù)即bim輕量