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美国BIM教什么(六)

01-01100次 BIM工程师来源:综合整理

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   地理信息模型 Geographical Information Science (GIS) 在很多领域都发挥着关键性作用,比如城市规划,交通管理,室外导航,与人口信息统计等。在GIS规则制定与技术开发方面的主要力量之一是Environmental Systems Research Institute (ESRI)。ArcGIS是该公司的产品,Geodatabase的概念定义,ShapeFile的格式规定也都出自该机构之手。从名字也可以看出来,该机构科研味道浓重,新产品层出不穷,到现在为止已经有了一系列ArcGIS相关的产品和服务。最新的一款产品是ArcGIS Earth, 现在仍是Beta版,由于跟ArcGIS关联的格式完美兼容,可以想象这将是未来做科研和管理的一大利器。
 
  Geodatabase与其他数据库相比最大的不同之一,表格中所存的每一个项(feature),都有一个shape属性。数据库除了支持语义上的Query之外,很强大的一个功能是支持地理(Geometry)和拓扑关系(Topology)的Query。比如用在很多教科书上的一个例子,Jack想买个房子,希望这个房子二百米内有公共汽车站,五百米内没有高速,一里地内有医院,二里地内有小学等。通过几个简单的搜索,Geodatabase就可以给出满足要求的可选答案。在二维世界,这是一门做规划及管理的利器。在三维环境下,ArcGIS及其Geodatabase也可以做一定程度的地理和拓扑关系的Query,但相比其在二维环境下的强大,就非常不成熟了。几年前我们曾做过一个科研项目,把一个三维车库模型在GIS环境下做出来,然后进行施工管理,加上时间,实现四维的Query。这样就可以很便利的发现施工空间的Conflict,吊车等设备的入场计划,以及安全隐患的定位等。在研究过程中,我们发现了很多ArcGIS在三维分析上的不足,有很多功能都是我们自己开发的。该研究有两篇科研论文发表:
 
  1. Su, X. and Cai, H. (2014)。 ”Life CycleApproach to Construction Workspace Modeling and Planning.” Journal of Construction Engineering and Management, 140(7),04014019.
 
  2. Su, X. and Cai, H. (2014)。 "Enabling Construction 4D TopologicalAnalysis for Effective Construction Planning." Journal of Computing in Civil Engineering, 10.1061/(ASCE)CP.1943-5487.0000463,04014123.
 
  第一篇讲的是实现施工空间动态变化的一个数据结构,第二篇是实现结合了进度和空间规划的思维分析的数学方法。还有一篇在审的讲的是该方法实际应用下的设计。这三篇算是讲了一个拿GIS当BIM用的小故事,也证明了GIS与BIM的整合是可能的。由于在理论上的贡献,两篇文章都发表了,但在review的过程中,土木建筑方面的学者们对该研究最大的顾虑就是,如果这是一个施工管理和计划的工具,为什么不直接用BIM?在文章末尾,我费了很大力气来解释,这个工具是为了证明我的理论,借助GIS的地理和拓扑分析很方便,并不是我就非得在GIS下用,理论可以移植到BIM平台下。这个解释得到了大多评审学者的接受。而在我的最初版本中,我的论调是,我们在下一盘很大的棋,那就是把GIS和BIM结合在一起,将来GIS可以建立和管理建筑模型,而BIM可以做各种空间和计划的四维分析。话说的太大,可想而知同行们会怎么评价。那段日子我每次打开电子邮件看新收到的review comment都提心吊胆,话说的不客气的有很多。最后我们只好让步,毕竟在一本学术杂志上谈梦想可能也不太合适,尤其是没有具体提出怎么实现这个梦想的前提下(一篇文章只能占10页啊哎写完正文没地方了)。
 
  GIS和BIM的整合不是一件简单的事。最直观的一点,他们对图形表达的数据结构就完全不同。GIS用的是点线面;点有坐标;线有两点;面分几种,三角形,三角带,环等。这种结构的优点是可以方便的表示大量种类的图形。BIM对图形是基于一种关于Swipe和Extrude的理念。一个简单的例子:一个长方形,把它规定朝向放在一个点上,然后向上extrude成一个块,这就变成了一堵墙。这种结构的好处很明显:基于三维模型来快速方便的产出平面图和截面图。而在这种情况下,空间拓扑分析等就支持的不是很好了。Andre Borrman曾写过一系列文章研究IFC结构下的空间拓扑分析,读者有兴趣可以去看看。
 
  两者对信息的储存也完全不同。GIS使用Geodatabase 数据库,VertorData的点线面体功能分明,有各自的角色和属性。Geodatabase可存储的数据量巨大,以terabyte,甚至Petabyte Exabyte来算。在图形表现时,有强大的分级优化功能,比如我们在看整张中国地图时就看不到自己家房子。只有当深入到村前那条小桥级别时才能看到我家房子。就ArcGIS来说,软件集成了大量空间分析方法,在数据库提供优化搜索和算法的支持下,这些方法很强大。但是这些方法都需要几何体明确的坐标,例如一个方块有多少面,每个面有哪些三角形,每个三角形有哪三条线或哪三个点,以及每个点的坐标是多少。同时这些几何体也可以承载语义信息,比如某条线代表52号公路的第二截之类。在三维环境下,首先很多分析方法就不支持了,其次很多支持的方法由于计算负荷太大变得不实用,还有些可以使用的方法却无法给出准确的结果。GIS还支持Raster Data。我早年间写过一篇文章关于用GIS做现场空间分析的,用的就是Raster数据。读者有兴趣可以去看看。
 
  Su, X., Andoh, A., Cai, H., Pan, J., Kandil, A., and Said H. (2012) “GIS-baseddynamic construction site material layout evaluation for building renovationprojects.” Automation in Construction,27, 40-49。
 
  BIM存储数据使用的是File System。换句话说,我们用BIM软件储存的模型就是一个文件。这个文件里有关于模型的各种数据记录。有些文件甚至可以用记事本打开(比如。IFC),但是内容我们却读不懂。这些数据记录遵守一种规则,我们所用的BIM软件则可以根据这种规则把数据用图形展示出来。从根本上说,这种工作原理与使用Geodatabase的GIS软件是一样的,都是数据可视化。但File System可存储的数据量远不如Geodatabase,不知各位读者接触过多大的BIM模型,上G可能就很麻烦了吧?很多时候还得人工把模型分块,使用中心模型来统一管理。另外现阶段软件不支持分级可视优化,一打开模型就得把所有东西都给你看,电脑不好的转一下等两分钟,这都是将来可以优化的地方。究其原因,无非是BIM的发展远超最初的设想。从最初一个Architecture Design 的工具,到现在无数人为之努力的Integrated Project Delivery System,BIM已经进化了很多。
 
  话说回来,这几年在国内看到了很多关于GIS和BIM结合的构想。虽然与我的梦想一致,但我的顾虑也很多,最大的一个就是:这种结合的需求是什么?或者说解决的最根本的问题是什么?做Smart City,是否有必要把每一个建筑都具体到BIM的程度?做Smart Building,是否需要真的把一堆建筑放到一个具体地图上?这样做了之后是否能带来巨大的便利?如果只是信息整合层面上的研究,要把所有东西一股脑放在一块,在现有的硬件限制下,那是计算机系学者们的研究方向。如果是针对单个建筑的项目,把它的相关信息(材料采购等)放到大地图上来研究路线位置等,那么BIM的地位是什么?从BIM模型里弄出来材料清单然后放到GIS下去搞就好了。即使这种整合成功了,也是在非常表面的层次,没有很大贡献。那么现阶段具体有哪些可行的方向呢?未完待续。

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