参赛编号：B92
作品名称：基于GIS的BIM三维建模与可视化
作者单位：淮阴师范学院 城市与环境学院 地理信息科学系
小组成员：张长伟，鞠婷，杨欠荣，杨茹
指导老师：宋仁波，陶叶青
- 设计背景和意义
建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过三维建筑模型仿真模拟建筑物所具有的真实信息，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。目前，典型的BIM系统包括Revit、Navisworks、Bentley Navigator和Tekla Structures 等都具有强大BIM建模和可视化能力，并被建筑设计和城市规划广泛采用。考虑现有BIM系统的实现主要是基于AutoCAD平台的二次开发，其实现过程繁琐、复杂，实现周期长、成本高，需要开发人员具有较强的编程经验和开发技能。利用GIS平台管理海量空间数据已成现实，基于GIS的数据批处理、空间分析、建模和二次开发功能，探索基于GIS平台的BIM系统开发具有现实意义和应用价值。
图1 北京郊区某办公楼CAD施工图
图2北京郊区某办公楼施工现场概况图
本项目以北京郊区某办公楼施工为例，以CAD施工图和场地施工图为数据源（图1），运用ArcGIS再现施工场景（图2），采用 Python面向对象编程语言结合ArcPy站点包编程，同时，结合ModeBuilder建模实现BIM数据的提取和预处理。在此基础上，运用ModelBuilder可视化建模工具结合多种ArcToolbox处理和分析工具，通过构建可以自运行的模型，实现建筑物主要结构部件的自动建模。然后，利用Visual Studio集成开发工具，采用C#面向对象编程语言结合ArcGIS Engine组件，通过编程构建三维可视化应用程序，实现BIM模型的三维展示、查询和分析。
二.设计思想和技术路线
本作品设计的主要思路是将BIM建模分解为一系列GIS数据处理、文件转换和空间分析操作。通过ModelBuilder结合ArcToolBox工具箱中的多种工具实现建模数据的自动预处理，实现建筑物主体结构模型和管线模型的自动构建。运用C#面向对象编程语言结合ArcGIS Engine组件的二次开发，构建建筑物模型可视化系统并对其进行可视化和分析，技术路线如图3所示。
图3 技术流程图
三.主要功能及特点
模块1：数据预处理
基础数据和处理方法：利用CAD施工图中的平面、立面和剖面图，运用ModelBuilder可视化建模工具结合ArcToolbox工具箱中的空间分析和文件转换工具，在提取出建筑物部件包括侧墙、窗户、门、柱、阳台、楼板和屋顶等部件的空间信息，同时提取出各部件的属性(参数)信息，然后将它们导入Geodatabase数据库，其模型构建及其生成结果如图4所示。
(a)数据预处理工具箱
(b) 南立面图
(c) 平面图
(d) 东立面
(e) 窗户属性表
图4 数据预处理过程及其结果
模块2：脚本工具
在数据预处理的基础上，采用Python面向对象编程语言结合Arcpy站点包，通过编程设计墙体、窗户、门、墙的脚本程序，并将它们封装于脚本工具箱，其主要脚本工具组成及其生成结果如图5所示。
(a) 数据预处理模块
(b) 内墙
(c) 窗户
图5主要脚本工具的组成及其生成结果
模块3：三维建模
（1）建筑物主体结构
在设计数据预处理和脚本工具的基础上，利用ModerBuilder分别构建出建筑物主体结构包括内外墙、门窗、楼板、阳台和屋顶等的三维模型，主要由生成内外墙、生成楼板、生成门窗、生成阳台、生成屋顶和生成玻璃幕墙等模型组成，其模型生成过程及其结果如图6所示。
(a) 三维建模模块
(b) 外墙
(c) 阳台
(d) 楼板
(e) 屋顶
(f) 门墙
(g) 门
(h) 内墙
(i) 柱体
（j）外墙的自动构建方法
图6 建筑物主体结构部件的自动构建方法
（2）管线建模
在构建建筑物部件的基础上，利用 ModelBuilder创建钢筋、柱体钢筋箍和上下水管线等，主要由生成上下水管线和生成柱体钢筋、生成钢筋箍三个模型组成，生成过程及其结果如图7所示。
(a) 管线建模模块
(b) 钢筋和钢筋箍
(c) 钢筋的自动构建方法
图7管线模型的自动构建方法
模块4：模型细化
在三维建模的基础上，利用 ModelBuilder玻璃幕墙镂空、墙体镂空等，主要由璃幕墙镂空、模型合并和墙体镂空三个模型组成，生成过程及其结果如图8所示。
(a) 玻璃幕墙镂空
(b) 墙体镂空
图8模型细化的自动构建方法
四. 模型可视化及系统开发
在构建BIM模型包括建筑物主体结构和管线三维模型的基础上，在Visual studio平台下，利用C#语言结合ArcGIS Engine开发了BIM可视化系统（图9），系统提供了可视化、漫游、缩放、空间查询和分析等功能。
ArcScene场景可视化
ArcGIS Pro场景可视化
图9 BIM可视化系统界面
五.特点与展望
本项目以施工场地图和CAD施工图为数据源，在数据预自动处理和Geodatabase数据建库的基础上，通过Arcpy结合ArcToolbox工具箱辅助编写脚本程序，并结合ModelBuilder实现BIM模型的自动构建，最后结合ArcGIS Engine实现BIM可视化程序开发，实现了BIM三维模型的可视化和分析。