BIM数据的解析与可视化研究

张振伟

摘 要：三维建筑信息模型（BIM）能够利用数字信息来描述建筑物所拥有的真实信息，精细、专业是其最大的优势。而传统三维地理信息系统（GIS）更多地偏向于研究宏观的三维地域场景。近年来，BIM与GIS逐步演变为一种互补的干系，BIM用来整合和管理建筑物本身的所有阶段信息，GIS则集成及管理建筑外部宏观环境信息。对此，本文提出一种联系桌面端GIS软件和工业基础类标准（IFC）的BIM数据可视化的研究方法。

关键词：BIM技术;三维可视化;ifcplusplus;IFC标准;BIM+GIS

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0031-03

Abstract： The three-dimensional building information model （BIM） can use digital information to describe the real information of the building， and its greatest advantage is precision and professionalism. The traditional 3D geographic information system （GIS） is more inclined to study the macroscopic 3D geographic scenes. In recent years， BIM and GIS have gradually evolved into a complementary relationship， BIM is used to integrate and manage all phases of the building itself， while GIS integrates and manages the external macro environment information of the building. In this regard， this paper proposed a research method of BIM data visualization linking desktop GIS software and industry foundation clas （IFC）.

Keywords： BIM technology;three-dimensional visualization;ifcplusplus;IFC standard;BIM+GIS

三维建筑信息模型（BIM）是在建筑工程有关项目信息数据的基础上建立起来的，BIM能够利用数字信息来描述建筑物所拥有的真实信息，精细、专业是其最大的优势[1]。BIM一向侧重于表达与实现微观建筑构件以及建筑物内部的精细模型，而传统的三维GIS更多地倾向于研究宏观的三维地域场景，而且能够在大型宏观地域环境中进行数据的管理、存储、处理和分析[2]。

近年来，BIM与三维GIS优劣势对比以及BIM和三维GIS集成引发了人们激烈的探讨。从BIM领域来讲，GIS能够对宏观的大型三维场景空间数据开展各类空间查询操作并且进行相应的空间分析，为BIM做出决策支持;而对于GIS来说，BIM模型可以被看作GIS领域的一个非常必要的数据来源，使得GIS在表达宏观场景的同时涉及微观领域，对建筑的精细构件进行描述和管理[3]。

由于BIM与三维GIS行业可以实现无缝衔接并且具备优势互补的优点，因此业界相关人士纷纷看好两者的集成应用。但是，BIM与GIS的集成依旧存在诸多挑战和亟待解决的问题，例如，不同的行业领域简单地把多种软件模型格式转换会造成BIM语义信息部分缺失而难以实现全面共享的目标[4]。一种软件对于数据标准的支持本质上就是支持对数据的读写，IFC标准是BIM行业中重要的数据模型标准[5]，包含丰富的建筑构件的语义属性信息。

1 IFC架构概述

1.1 IFC简介

IFC是BIM数据的公开标准，是由国际协同工作联盟（IAI）建立的主流标准名称。IFC的目标和归宿是规定和达成一个基于对象的用于对信息进行共享的行业标准，它可以容纳几何、计算、设备管理和工程造价等数据，也能成为建筑领域、电气暖通、地形结构等行业的数据来源。

采取IFC标准将会成为解决软件协同问题的重要途径，基于建筑模型的数据信息协同将要向利用统一的标准转变[6]。

1.2 IFC总体架构

IFC标准的体系结构分为四个层次，自下向上由资源层（Resource Layer）、核心层（Core Layer）、共享层（Interoperability Layer）和领域层（Domain Layer）四个层次组成[7]。

2 IFC文件信息分析

2.1 文件屬性及属性集

IFC文件中所有实体本身的信息都是通过属性来描述的，IFC文件的属性由直接属性、导出属性和反属性三部分组成[8]。属性集是属性的集合。

2.1.1 静态属性集。静态属性集以IFC实体的方式定义，其属性以IfcSchema的方式静态地定义在属性集中，如IfcDoorLiningProperties、IfcDoorPanelProperties、IfcSoundProperties等[9]。

2.1.2 动态属性集。动态属性集在IfcPropertySet中进行表示，可以把它当作是一个装载属性以及属性信息的载体，而IfcProperty则用来说明表达具体的属性信息。

2.2 IFC文件几何表示

IFC文件中的几何表示主要由Ifc Building Element提供。IfcLocalPlacement用来描述构件的相对空间位置，而IfcProductDefinitionShape用于定义几何形状，主要是在局部坐标系中。

2.3 IFC构件的位置信息

在IFC标准里，通常采用相对坐标系对构件进行位置的确定。例如，人们用Object Placement来描述一根立柱（IfcColumn）位置的相关信息。而PlacementRelT和Relative Placement两部分构成了Object Placement。

2.3.1 PlacementRelTo。PlacementRelTo指的是参考坐标系，Column的参考坐标系也就是高楼IfcBuidlingStorey所在的坐标系，IfcBuidlingStorey以IfcBuilding所在的坐标系为参考，IfcBuilding以IfcSite所在的坐标系为参考，IfcSite定义的是整体坐标系，没有参考坐标系[10]。

2.3.2 Relative Placement。Relative Placement是指坐标转换，这种坐标转换在相对坐标系内完成。

假如坐标系拥有多层参考，那么就需要在规定每一个构件层次逻辑关系的基础上获取每一个构件的绝对坐标信息，所采用的方法是逐级检索。

3 三维可视化

3.1 ifcplusplus概述

ifcplusplus是一个能够用来读取IFC文件的C++类模型，这种IFC文件遵循产品模型数据交互规范（STEP）标准。

在ifcplusplus和OSG的基础上，人们可以搭建平台来展示IFC模型，其间需要安装boost库、OSG以及OSG依赖的第三方库。

3.2 OSG概述

OSG是一个开源的高性能3D图形工具包，位于底层渲染API（OpenGL）和3D应用程序的中间层[11]，OSG引擎由一系列与图形学相关的功能模块组成，它的作用在于为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化的功能[12]。

3.3 ifcplusplus读取文件

IFC标准使用EXPRESS语言描述三维建筑信息模型数据，EXPRESS语言在STEP国际标准中被定义。ifcplusplus读取STEP的流程如图1所示。

3.4 BIM数据可视化实践

VBF软件是基于地理信息系统而研发的地理大数据可视化软件，具有多维度、高仿真、立体直观的效果。它主要应用于时空数据可视化、空间大数据分析可视化以及地表环境模拟，能够实现时空信息从全球到微观尺度的一体化表达、信息查询、量算分析、仿真与推演等功能。

在VBF平台中，对IFC文件的读取经历获取路径、获取数据、几何转换、加载到三维球体上等步骤。部分代码如下：

4 结语

本文立足于BIM+GIS的发展需求，探讨了对BIM数据进行解析并且基于GIS平台的可视化的必要性以及实现的可能性。对于BIM数据的深层解析、ifcplusplus工作原理以及三维可视化的探索仍有漫长的道路要走。

参考文献：

[1]王婷，肖莉萍.国内外BIM标准综述与探讨[J].建筑经济，2014（5）：108-111.

[2]刘阳，李欣.3D GIS中空间数据可视化的研究与应用[J].计算机工程与设计，2006（6）：1090-1092.

[3]周凤，高平，伊爽.BIM与GIS集成3D可视化校园项目空间管理研究[J].项目管理技术，2017（6）：90-96.

[4]徐照，徐夏炎，李启明，等.基于WebGL与ifc的建筑信息模型可视化分析方法[J].东南大学学报（自然科学版），2016（2）：444-449.

[5]危双丰，王月琴，张建广，等.ifc深入解析及三维可视化[J].工程勘察，2018（2）：41-45.

[6]马志明，李严，李胜波.ifc架构及模型构成分析[J].四川兵工学报，2014（11）：114-118.

[7]刘尚蔚，推晓伟，魏群.基于IFC標准的BIM信息互用研究[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2014（6）：52-56.

[8]李硕.基于BIM的水电站三维结构模型可视化设计研究[D].北京：华北电力大学，2018：18-19.

[9]周洪波，施平望，邓雪原.基于IFC标准的BIM构件库研究[J].图学学报，2017（4）：589-595.

[10]陈远，逯瑶.基于IFC标准的BIM模型空间结构组成与程序解析[J].计算机应用与软件，2018（4）：162-167.

[11]项杰，靳媛媛，李爱光.OSG中三维场景构建的关键技术[J].地理空间信息，2012（1）：43-45.

[12]韩哲，刘玉明，管文艳，等.osgEarth在三维GIS开发中的研究与应用[J].现代防御技术，2017（2）：14-21.