ROCZNIKI GEOMATYKI 2018 m TOM XVI m ZESZYT 1(80): 19–31
Cele i wybrane problemy konwersji modeli BIM
na modele GIS
Conversion between BIM and GIS models –
objectives and selected issues
Dariusz Gotlib, Micha³ Wyszomirski
Politechnika Warszawska, Wydzia³ Geodezji i Kartografii, Zak³ad Kartografii
S³owa kluczowe: GIS, BIM, CityGML, IFC, modele budynków, dane przestrzenne Keywords: GIS, BIM, CityGML, IFC, models of buildings, spatial data
Wprowadzenie
Proces modelowania terenu i ró¿nych zjawisk zgodnie z metodyk¹ i technologi¹ GIS jest powszechnie znany i stosowany w praktyce od kilkudziesiêciu lat. Budynki s¹ przedstawiane w systemach informacji przestrzennej na wiele sposobów. Proces modelowania informacji o budynkach i zarz¹dzania obiektami budowlanymi okreœlany akronimem BIM (ang. Buil-ding Information Modeling) jest znany od niedawna to jest od 2002 roku. Stosowanie tego podejœcia zaczyna byæ coraz czêœciej wymogiem formalnym w pewnych okreœlonych przy-padkach, na przyk³ad przy budowie wa¿nych inwestycji publicznych. W ostatnich latach mo¿na zaobserwowaæ du¿y przyrost opracowywanych w ten sposób modeli budynków. Nie jest to jednak jeszcze zjawisko powszechnie. Kluczowym celem koncepcji BIM jest zapewnienie efektywnego dostêpu do informacji o budynku (w ca³ym cyklu jego ¿ycia) dla ró¿nych interesariuszy: architektów, in¿ynierów budowlanych, ekip remontowo-budowla-nych, pracowników techniczremontowo-budowla-nych, administratorów budynków itd. Jak dot¹d BIM jest trak-towany g³ównie jako rozwi¹zanie s³u¿¹ce do koordynacji integracji, wspó³dzia³ania, wspó³-pracy i automatyzacji procesów w budownictwie (Isikdag, Zlatanova, 2009). Modele BIM zawieraj¹ dane wymieniane pomiêdzy cz³onkami zespo³u projektowego, co znacznie reduku-je b³êdy i wspomaga zarz¹dzanie inwestycj¹ (Jernigan, 2007). Jednoczeœnie odbiorc¹ syste-mów BIM jest rozwijaj¹ca siê bran¿a FM (ang. Facility Management). Równolegle, inten-sywny rozwój koncepcji i technologii GIS w kierunku rozwi¹zañ 3D sprawi³, ¿e producenci i u¿ytkownicy geoinformacji coraz czêœciej tworz¹ i wykorzystuj¹ modele wnêtrz budyn-ków w celu prowadzenia spójnych analiz wnêtrza i zewnêtrza budynku oraz tworzenia map budynków. To wszystko sprawia, ¿e pojawia siê coraz wiêksze zapotrzebowanie na wymia-nê danych pomiêdzy dwoma „œwiatami technologicznymi”, które dotychczas rozwija³y siê niezale¿nie.
Cel konwersji danych pomiêdzy BIM i GIS
Zgodnie ze standardem ISO 12911 pojêcie „BIM” mo¿e byæ rozumiane na dwa g³ówne sposoby:
m jako model (ang. Building Information Model) – wspó³dzielona cyfrowa reprezenta-cja fizycznych i funkcjonalnych cech obiektów budowlanych, w tym budynków, mostów, dróg, zak³adów przetwórczych, takich jak rafinerie b¹dŸ wie¿e wiertnicze,
m jako proces (ang. Building Information Modelling) – sposób zarz¹dzania informacja-mi dotycz¹cyinformacja-mi obiektów oraz projektów, w celu skoordynowania operacji wprowa-dzania i pobierania danych, niezale¿nie od konkretnych implementacji tych operacji. Dla specjalistów zajmuj¹cych siê zarz¹dzaniem budynkami (bran¿a FM), efektywny do-stêp do kompletnego zestawu informacji o budynku ma znaczenie fundamentalne. Potrzebuj¹ oni zarówno informacji o wnêtrzu, jak i zewnêtrzu budynku. Dane o charakterze przestrzen-nym mog¹ odgrywaæ kluczow¹ rolê. BIM nie jest jedyprzestrzen-nym Ÿród³em informacji przestrzennej o budynku. Równolegle do BIM powstaj¹ ró¿norakie modele GIS. O ile do niedawna opisy-wa³y one zwykle otoczenie budynku, to obecnie opisuje siê i prezentuje równie¿ wnêtrza budynków. Z kolei model BIM tak¿e nie jest ograniczony wy³¹cznie do wnêtrza budynku lub budowli i prezentuje czêsto najbli¿sze otoczenie obiektów budowlanych. Jednak odbywa siê to w zupe³nie inny sposób ni¿ w przypadku systemów GIS. Modele BIM i GIS ró¿ni¹ siê znacznie zarówno na poziomie koncepcyjnym, jak i technologicznym. Systemy BIM coraz czêœciej korzystaj¹ z informacji pochodz¹cych z systemów GIS, a dok³adniej z danych prze-strzennych o otoczeniu budynku, na przyk³ad danych topograficznych (2D lub 3D), danych o sieci uzbrojenia terenu, danych ewidencji gruntów i budynków lub miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego. Aby zrealizowaæ to zadanie konieczna jest konwersja danych. Po³¹czenie obu Ÿróde³ danych na kolejnych etapach „¿ycia” budynku, mo¿e byæ niezwykle przydatne w takich procesach jak:
m wykrywanie konfliktów z infrastruktur¹ (mediami),
m kontrola zgodnoœci projektu z planem zagospodarowania terenu,
m wspomaganie projektowania umiejscowienia dŸwigów i innych maszyn budowlanych z uwzglêdnieniem charakterystyki terenu i s¹siaduj¹cej zabudowy,
m projektowanie dróg dojazdu, w tym sposobów dostarczenia elementów ponadgabary-towych,
m organizacja placu budowy i dostarczania materia³ów budowlanych,
m analiza widoku z okien przy projektowaniu po³o¿enia okien, balkonów, pokojów dzien-nych itp.,
m analiza wp³ywu umiejscowienia mieszkania w danym budynku na spodziewan¹ cenê sprzeda¿y lub wynajmu,
m wspomaganie prac ekip remontowych, s³u¿b specjalnych, wspomaganie akcji gaœni-czych (Isikdag, Underwood, Aouad, 2008) lub planowanie i prowadzenie akcji anty-terrorystycznych.
Mo¿liwoœci modelowania zewnêtrza obiektów w przypadku BIM s¹ bardziej ograniczone ni¿ w przypadku GIS. Tworzony model przedstawia zwykle tylko najbli¿sze otoczenie obiek-tu. Wykorzystanie danych z ró¿nych systemów GIS, ogranicza siê w du¿ej mierze do gene-ralizacji danych. Dlatego w dalszej czêœci skoncentrowano siê jedynie na opisie jednokierun-kowego procesu konwersji danych z BIM do GIS w zakresie modelu wnêtrza obiektu.
Modele budynków (mapy budynków) niezbêdne s¹ te¿ do tworzenia nowoczesnych sys-temów informacyjnych powszechnego u¿ycia. Tego typu systemy (wykorzystuj¹ce czasa-mi technologiê GIS) zaczynaj¹ wdra¿aæ na przyk³ad centra handlowe b¹dŸ komunikacyjne. Dziêki takim rozwi¹zaniom klienci mog¹ ogl¹daæ oraz wyszukiwaæ sklepy i oferty poprzez portal internetowy, kioski informacyjne lub aplikacje mobilne (w tym z funkcj¹ nawigacji). Stosuj¹c narzêdzia GIS opracowuje siê na œwiecie coraz wiêcej bardziej lub mniej skompli-kowanych map wnêtrz budynków. Tworzone s¹ one czêsto zupe³nie niezale¿nie od syste-mów BIM.
Potrzeba efektywnej wymiany danych pomiêdzy modelami BIM i GIS staje siê wiêc coraz wiêksza. Wymiana danych pomiêdzy BIM i GIS, o ile obecnie ma w ogóle miejsce, odbywa siê zwykle przez u¿ycie okreœlonych formatów wymiany danych.
W przypadku BIM formatem dedykowanym do wymiany danych pomiêdzy ró¿nymi aplikacjami wspomagaj¹cymi tworzenie BIM jest format IFC (ang. Industry Foundation Classes), który zosta³ stworzony przez konsorcjum Industry Alliance for Interoperability powo³ane w 1994 roku przez firmê Autodesk. W roku 1997 zmieniono nazwê konsorcjum na International Alliance for Interoperability w celu zaakcentowania nacisku na wspó³pracê wielu bran¿ zarówno przy rozwoju samego standardu, jak i przy jego wykorzystaniu (NBS, 2017). Aktualnie konsorcjum nazywa siê buildingSMART.
Dla systemów GIS, formatów, które mog¹ wspomagaæ eksport i import danych jest bardzo wiele. W przypadku tworzenia modeli 3D miast, w szczególnoœci modeli uwzglêdnia-j¹cych wnêtrza budynków, najwa¿niejszym i najbardziej popularnym sta³ siê ostatnio stan-dard CityGML. Dlatego w przeprowadzonych badaniach zdecydowano siê na wykorzysta-nie tego w³aœwykorzysta-nie standardu.
Konwersja danych z modelu BIM (IFC) do GIS (CityGML) nie zawsze jest zadaniem prostym, poniewa¿ ró¿nice miêdzy nimi (zarówno dotycz¹ce schematu pojêciowego jak i formatu danych) s¹ znacz¹ce. Dlatego poddano badaniom proces tego typu konwersji, a najwa¿niejsze obserwacje i wnioski przedstawiono w dalszej czêœci artyku³u.
Podobieñstwa i ró¿nice pomiêdzy modelami BIM i GIS
Systemy BIM i GIS ³¹czy wiele cech wspólnych. Najbardziej istotn¹ jest ta, i¿ oba operuj¹ na danych przestrzennych, s³u¿¹ do zapisu informacji o przestrzeni i pozwalaj¹ na analizê oraz wizualizacjê przestrzenn¹. Najwa¿niejsze ró¿nice (na poziomie ogólnym) o charakterze technicznym przedstawiono w tabeli 1.
Bazy danych przestrzennych s¹ specyficznym typem baz danych, w których dane s¹ zapisane w strukturach pozwalaj¹cych na uzyskanie wspó³rzêdnych obiektów w zdefinio-wanym geodezyjnym uk³adzie wspó³rzêdnych (Gotlib, Iwaniak, Olszewski, 2007). Techno-logia GIS szeroko wykorzystuje obecnie standardy us³ug sieciowych opracowanych na po-trzeby systemów informatycznych. Systemy zarz¹dzania bazami danych przestrzennych zapewniaj¹ miêdzy innymi:
m obs³ugê geometrycznych typów danych zapewniaj¹cych uporz¹dkowany zapis
wspó³-rzêdnych oraz zarz¹dzanie uk³adem wspó³wspó³-rzêdnych, w tym transformacjê wspó³rzêd-nych pomiêdzy uk³adami wspó³rzêdwspó³rzêd-nych,
m obs³ugê relacji przestrzennych poprzez udostêpnienie rozszerzonego o operatory
prze-strzenne jêzyka zapytañ pozwalaj¹cego na wykonywanie analiz przestrzennych oraz umo¿liwienie definiowania wiêzów integralnoœci przestrzennej,
m wizualizacjê kartograficzn¹ danych przestrzennych.
Programy do tworzenia i zarz¹dzania BIM nie maj¹ wymienionych cech. Powszechne dostêpne systemy BIM nie u¿ywaj¹ standardowych us³ug sieciowych. Wymiana danych nastêpuje przez wspó³dzielenie pliku zawieraj¹cego projekt lub wymianê plików IFC. Syste-my BIM maj¹ bardzo ubogie algorytSyste-my analiz przestrzennych ograniczaj¹ce siê do analiz topologii modelu. Aplikacje BIM s¹ zorientowane na tworzenie modelu zgodnie z normami budowlanymi. Wzajemne relacje przestrzenne zapisane w BIM wynikaj¹ z zasad projektowa-nia budynków, na przyk³ad przestrzeñ ograniczona œcianami, pod³og¹ i stropem jest po-mieszczeniem, w otworze okiennym znajduje siê okno itp. Prezentacja treœci modeli BIM w aplikacjach do tworzenia tych modeli ogranicza siê do prezentacji danych zgodnie z nor-mami stosowanymi w budownictwie i jest typowa dla oprogramowania CAD. Nie spe³nia wymogów prezentacji kartograficznych (Gotlib, Marciniak, 2012). W przeciwieñstwie do systemów GIS, dla ka¿dego budynku (lub grupy budynków) stosowany jest oddzielny, lo-kalny uk³ad wspó³rzêdnych, co uniemo¿liwia prowadzenie szerszych analiz kontekstowych z wykorzystaniem: danych katastralnych, danych geodezyjnej ewidencji sieci uzbrojenia te-renu, planów zagospodarowania przestrzennego lub obliczanie tras. Modeli BIM nie da siê równie¿ efektywnie wykorzystaæ do zasilania systemów nawigacyjnych (Gotlib, Gnat, 2013). To jedynie niektóre najwa¿niejsze ró¿nice pomiêdzy BIM i GIS. Wymienione ró¿nice s¹ znacz¹ce.
Tabela 1. Zestawienie g³ównych ró¿nic technicznych pomiêdzy systemami BIM i GIS
a h c e C GIS BIM h c y n a d z a b ii g o l o n h c e t z e i n a t s y z r o K h c y n n e z r t s e z r p k a t nie r e w r e s -t n e il k e z r u t k e ti h c r a w a c a r P tak nie z il a n a a i n a w y n o k y w æ œ o w il ¿ o M h c y n n e z r t s e z r p k a t nie g u ³ s u ii g o l o n h c e t e i n a w y t s y z r o k y W ) s e c i v r e s b e w ( h c y w o i c e i s k a t nie i j c a t n e z e r p j e n z c i f a r g o t r a k æ œ o w il ¿ o M h c y n a d k a t nie e i n d o g z h c y n a d i j c a t n e z e r p æ œ o w il ¿ o M i m y n a l w o d u b i m a ³ u g e r i i m a m r o n z ) h c a k d a p y z r p h c y w o k t ¹ j y w w o k l y t ( e i n tak h c y n d ê z r ³ ó p s w d a ³ k u y n a w o s o t S ró¿neuk³adywspó³rzêdnych i m a s a z c i e w il ¿ o m , h c y n j y z e d o e g y d a ³ k u e n l a k o l e n a w o s o t s h c y n t ¹ k o t s o r p h c y n d ê z r ³ ó p s w h c y n d ê z r ³ ó p s w d a ³ k u y n l a k o l e i n l e i z d d o y n a w o s o t s o d h c y n t ¹ k o t s o r p u k n y d u b o g e d ¿ a k a l d i j c k n u f /i z d ê z r a n æ œ o n p ê t s o D y p a m e i n e z r o w t h c y c ¹ j a g a m o p s w u k n y d u b a i n e z c o t o k a t tylkopodstawoweobiekty u k n y d u b a i n e z c o t o o g e i n d e r œ o p z e b z i j c k n u f /i z d ê z r a n æ œ o n p ê t s o D i w ó t k e i b o e i n a w o s y r h c y c ¹ j a g a m o p s w h c y n a l w o d u b w ó t n e m e l e e i n tak
Ró¿nice w modelach pojêciowych
Wymiana informacji pomiêdzy ró¿nymi systemami opieraj¹cymi siê na ró¿nych modelach to zagadnienie z³o¿one, ale te¿ znane w informatyce. Interoperacyjnoœæ systemów uzyskuje siê miêdzy innymi przez stosowanie takich metodyk jak MDA (ang. Model Driven Architec-ture), która zosta³a opracowana przez OMG (Object Management Group) i jest powszechnie stosowana. Podstawowym za³o¿eniem jest separacja pomiêdzy niezale¿nym od platform modelem pojêciowym a specyficznym œrodowiskiem implementacji. Rozwi¹zañ problemu interoperacyjnoœci poszukuje siê przede wszystkim na poziomie uzyskania zgodnoœci se-mantycznej, czyli na poziomie modeli pojêciowych. Sam problem konwersji na poziomie technicznym (np. kwestia formatu danych) zwykle nie stanowi istotnej bariery.
Najwiêkszy problem w procesie konwersji BIM i GIS stanowi¹ w³aœnie ró¿nice w mode-lu pojêciowym danych, zarówno w aspekcie semantycznym (wyró¿niane klasy obiektów i atrybuty), jak i w zakresie sposobu modelowania geometrii (typy geometryczne danych). System GIS wykorzystuje bazê danych przestrzennych, w której poszczególnym klasom obiektów przypisuje siê okreœlone typy geometryczne, na przyk³ad z normy ISO 19107. Zarówno klasy, ich atrybuty i typy danych definiuje najczêœciej projektant na etapie modelo-wania pojêciowego. Natomiast system BIM operuje na œciœle zdefiniowanym schemacie pojêciowym, z typowymi tylko dla BIM sposobem opisu geometrii. Model pojêciowy BIM zosta³ zaprojektowany w innym celu ni¿ obecnie wykorzystywane modele GIS. Kluczow¹ rolê odgrywaj¹ w nim klasy modeluj¹ce konstrukcjê obiektów, takie obiekty jak: œciana, belka, s³up, natomiast w modelach GIS tego typu klasy zwykle nie wystêpuj¹.
Zale¿nie od zdefiniowanego przez projektanta GIS pojêciowego modelu danych, mapo-wanie klas pomiêdzy baz¹ danych przestrzennych GIS a BIM mo¿e byæ mo¿liwe w pe³ni, czêœciowo lub w ograniczonym zakresie. Zagadnienie to jest jednak zbyt obszerne na omó-wienie w niniejszym artykule. Dlatego w dalszej czêœci zdecydowano siê pokazaæ jedynie przyk³ad konwersji miêdzy dwoma popularnymi formatami i zarazem modelami, aby w ten sposób zasygnalizowaæ z³o¿onoœæ problemu i zwróciæ uwagê na to, ¿e konwersja mo¿e byæ trudna do zautomatyzowania w pe³nym zakresie i mo¿e prowadziæ do licznych b³êdów, redundancji danych oraz niespójnoœci przy aktualizacji.
Konwersja danych pomiêdzy IFC i CityGML
Istniej¹ gotowe narzêdzia informatyczne do konwersji danych pomiêdzy BIM i GIS, w szczególnoœci pomiêdzy formatem IFC oraz CityGML. Mo¿na tu wymieniæ na przyk³ad oprogramowanie FME oraz oprogramowanie firmy Esri. Zautomatyzowane przeprowadze-nie konwersji, bez zrozumienia istotnych ró¿nic pomiêdzy modelami i formatami, mo¿e jed-nak prowadziæ do uzyskania niezadowalaj¹cych efektów. Celem artyku³u nie jest wiêc omó-wienie dzia³ania gotowych konwerterów, ale przedstaomó-wienie na wybranych prostych przy-k³adach ograniczeñ semantycznych i pokazanie z³o¿onoœci technicznej tych procesów. Szcze-gólnie ciekawe, zdaniem autorów, jest zrozumienie sposobu konstrukcji formatu wymiany danych BIM, który jest znacz¹co inny od konstrukcji znanych specjalistom z zakresu tech-nologii GIS.
Jak ju¿ wspomniano wczeœniej, dedykowanym do wymiany informacji pomiêdzy opro-gramowaniem BIM a innymi systemami jest format i model IFC. Jest on promowany jako
uniwersalny model danych wspomagaj¹cy wymianê danych i obs³ugê cyklu ¿ycia budynku (Solibri, 2017). Jest to tekstowy, maj¹cy cechy modelu obiektowego, format plików opraco-wany w celu u³atwienia interoperacyjnoœci w przemyœle architektonicznym i in¿ynieryjno-konstrukcyjnym (ang. Architecture, Engineering and Construction – AEC). IFC jest przed-stawiony w normie ISO 16739:2013. Definicja modelu danych IFC zosta³a opisana w jêzyku EXPRESS, który jest jêzykiem modelowania danych o obiektach przemys³owych. Jêzyk EXPRESS zosta³ opisany w normie ISO 10303 „Standard for the Exchange of Product model STEP” i ustandaryzowany w 1994 roku przez normê ISO 10303-11 (ISO, 2004). Model IFC dostarcza zestaw definicji dla wszystkich typów elementów obiektu spotykanych w budownictwie, a IFC jest struktur¹ s³u¿¹c¹ do przechowywania tych definicji w teksto-wych plikach danych. Definicja IFC dopuszcza kilka formatów plików s³u¿¹cych do przeno-szenia danych:
1. STEP IFC – model IFC mo¿e byæ zapisany w pliku STEP, którego format jest usank-cjonowany norm¹ ISO 10303-21 (ISO, 2016),
2. IFCXML – model IFC mo¿e byæ zapisany w pliku XML, którego format jest podzbio-rem SGML (Standard Generalized Markup Language) uregulowanego norm¹ ISO 8879 (ISO, 1986) i który zosta³ usankcjonowany specyfikacj¹ W3C (W3C, 2015). 3. IFCZIP – jest to plik IFC w formacie XML spakowany algorytmem kompresji Deflate
opartym na metodzie strumieniowej s³ownikowej kompresji danych Lempel-Ziv 77 (LZ77) oraz na kodowaniu Huffmana.
W rozwoju systemów GIS w ostatnich latach, istotne miejsce zajmuje CityGML. Jest to otwarty, zestandaryzowany model i jednoczeœnie format wymiany danych, przeznaczony do zapisu i przedstawiania cyfrowych modeli terenu 3D. Okreœla sposoby opisywania typo-wych dla baz danych GIS obiektów: budynków, dróg, rzek, mostów, roœlinnoœci i urz¹dzeñ oraz relacji miêdzy nimi. Definiuje ró¿ne standardowe poziomy szczegó³owoœci LoD (ang. Level of Detail) zapisu obiektów w 3D, co pozwala reprezentowaæ obiekty dla ró¿nych zastosowañ i celów (3D Geoinformation group at TU Delft, 2017). W kontekœcie wymiany danych z BIM szczególnie istotny jest najwiêkszy poziom szczegó³owoœci, czyli LoD 4, który pozwala na modelowanie wnêtrza budynku. CityGML jest standardem rozwijanym przez organizacjê OGC (ang. Open Geospatial Consortium). Jest on implementowany jako schemat aplikacji GML (ang. Geographic Markup Language). Model CityGML nie opisuje budynku w sposób tak szczegó³owy, jak to ma miejsce przy projektach architektoniczno-budowlanych. Nie jest on przewidziany do wspomagania architektów i in¿ynierów budowla-nych. Model ten opisuje budynek i jego otoczenie w sposób pozwalaj¹cy na prowadzenie typowych dla systemów GIS analiz przestrzennych oraz wykonywania typowych dla nich wizualizacji, w szczególnoœci wizualizacji kartograficznych. Dane osadzone s¹ w geodezyj-nym uk³adzie wspó³rzêdnych oraz stosowane s¹ typy danych i sposoby zapisu danych zgod-ne z normami z serii ISO 19100.
Dalej omówiony zostanie jedynie najprostszy, ale najczêœciej stosowany sposób wymiany danych pomiêdzy BIM i GIS: wymiana przez eksport/import plików IFC. Takie podejœcie jest najczêœciej brane pod uwagê ze wzglêdu na ³atwoœæ implementacji. Poza nim mo¿na rozwa-¿aæ inne sposoby integracji danych BIM i GIS, ale tematyka ta jest obszerna i wykracza znacz¹co poza zakres tego artyku³u.
W przypadku importu modelu BIM do systemu GIS mo¿na przeprowadziæ proces impor-tu danych do CityGML LoD 4 przez proces mapowania klas obiektów z modelu IFC. Model IFC definiuje ponad 200 klas obiektów zwi¹zanych z budynkiem lub budowl¹, a model
CityGML zaledwie kilka klas obiektów: budynek (Building i BuildingPart), pomieszczenie (Room), instalacje i urz¹dzenia znajduj¹ce siê wewn¹trz budynku (IntBuildingInstallation), wyposa¿enie (BuildingFurniture), drzwi i okna (Window i Door) oraz klasy reprezentuj¹ce powierzchnie œcian, pod³óg, dachu itp. bêd¹ce pochodnymi klasy _BoundarySurface. Choæ-by z tego powodu nie mo¿e Choæ-byæ mowy o pe³nej wymianie danych pomiêdzy BIM i GIS. Je¿eli chodzi o reprezentacjê samego budynku, sensowna jest tylko wymiana jednokierunkowa – z BIM do GIS i to w ograniczonym zakresie.
Problemem przy wymianie danych s¹ tak¿e ró¿nice w domenach atrybutów oraz inny sposób ich definiowania. O ile w przypadku CityGML mamy do czynienia z prostym przypi-sywaniem atrybutów do klas, o tyle w IFC wykorzystuje siê struktury poœrednie (obiekty agreguj¹ce IfcRelAggregates). Ze wzglêdu na ograniczenia objêtoœci niniejszego opracowa-nia przeanalizowana zostanie tylko podstawowa klasa reprezentuj¹ca budynek oraz kilka wybranych atrybutów.
W modelu CityGML klasa Building jest jedn¹ z dwóch potomnych klasy _AbstractBuilding (rys. 1). Je¿eli budynek sk³ada siê z segmentów konstrukcyjnych, ró¿ni¹cych siê na przy-k³ad liczb¹ piêter lub rodzajem dachu musi byæ podzielony na kilka dodatkowych obiektów klasy BuildingPart. Abstrakcyjna klasa _AbstractBuilding s³u¿y do przedstawienia atrybu-tów budynku, geometrycznej i semantycznej reprezentacji budynku lub czêœci budynku (na ró¿nych poziomach szczegó³owoœci).
W modelu IFC budynek jest reprezentowany przez obiekt klasy IfcBuilding. Klasa ta dziedziczy atrybuty z klasy nadrzêdnej IfcSpatialStructureElement. Lista atrybutów klasy IfcBuilding z uwzglêdnieniem atrybutów odziedziczonych z klasy IfcSpatialStructureEle-ment oraz klas nadrzêdnych w stosunku do klasy IfcSpatialStructureEleIfcSpatialStructureEle-ment zosta³a przed-stawiona w tabeli 2.
Rysunek 1. Fragment modelu CityGML – klasa reprezentuj¹ca budynek (Ÿród³o: OGC City Geography
Obiekt klasy IfcBuilding jest powi¹zany relacjami z obiektami innych klas okreœlaj¹cymi cechy budynku. Na przyk³ad atrybut Representation wskazuje obiekt klasy IfcProductRepresentation, który agreguje wszystkie elemen-ty geometryczne sk³adaj¹ce siê na reprezentacjê geometryczn¹ obiek-tu (rys. 2). Atrybuty opisowe obiektu s¹ przypisane do obiektu klasy IfcBuilding poprzez obiekt klasy IfcRelDefinesByProperties stanowi¹cy element agreguj¹cy, który identyfikuje przypisane do obiektu klasy IfcBuilding obiekty klasy IfcPropertySet, zawieraj¹ce zbiory atrybutów. Kondygnacje, bêd¹ce elementem sk³adowym w przestrzennej strukturze obiektu IfcBuilding s¹ przypisane do obiektu klasy IfcBuilding poprzez obiekt klasy IfcRelAggrega-tes stanowi¹cy element agreguj¹cy, który identyfikuje przypisane do obiektu klasy IfcBuil-ding obiekty klasy IfcBuilIfcBuil-dingStorey.
Tylko pobie¿ne przedstawienie (rys. 2) zale¿noœci w strukturze modelu IFC pokazuje jej z³o¿onoœæ i inne podejœcie do modelowania ni¿ w typowych bazach danych GIS. Pewnym problemem mo¿e byæ tak¿e pozyskanie opisu geometrycznego obiektu z danych IFC, w sposób potrzebny w bazach danych GIS. Informacje o geometrii bry³y budynku, p³asz-czyznach j¹ definiuj¹cych oraz obrysie budynku mo¿na uzyskaæ analizuj¹c atrybuty Object-Placement i Representation obiektu klasy IfcBuilding w IFC. W tabeli 3 przedstawiono mo¿liwoœci przepisania danych o budynku z modelu IFC (klasa IfcBuilding i powi¹zane z ni¹ obiekty innych klas) do CityGML (klasa AbstractBuildingType).
Z analizy tabeli 3 mo¿na wysnuæ wniosek, ¿e mapowanie schematu IFC na CityGML nie jest prostym mapowaniem 1:1 pomiêdzy wybranymi atrybutami w ramach dwóch odpowia-daj¹cych sobie klas w IFC i CityGML. Podczas konwersji konieczne jest wykorzystanie algorytmu ³¹cz¹cego ze sob¹ kilka klas w zale¿noœciach hierarchicznych. Implementacja procesu konwersji w sensie technicznym nie jest natomiast problemowa. Oba standardy oparte s¹ o zapis w plikach tekstowych. Jedynym problemem mo¿e byæ optymalizacja algo-rytmu „przepisywania” danych, ze wzglêdu na du¿e wielkoœci zbiorów tekstowych. Mo¿na tu stosowaæ ró¿ne zabiegi, miêdzy innymi wykorzystaæ technologie baz NoSQL.
Tabela 2. Atrybuty klasy IfcBuilding (z modelu IFC)
z uwzglêdnieniem atrybutów odziedziczonych z klas nadrzêdnych
t u b y r t A Typ d I l a b o l G IfcGloballyUniqueId(STRING) y r o t s i H r e n w O IfcOwnerHistory(ENTITY) e m a N IfcLabel(STRING) n o i t p i r c s e D IfcText(STRING) e p y T t c e j b O IfcLabel(STRING) t n e m e c a l P t c e j b O IfcObjectPlacement(ENTITY) n o i t a t n e s e r p e R IfcProductRepresentation(ENTITY) e m a N g n o L IfcLabel(STRING) e p y T n o i t i s o p m o C IfcElementCompositionEnum(ENUM) t h g i e H f e R f O n o i t a v e l E IfcLengthMeasure(REAL) n i a r r e T f O n o i t a v e l E IfcLengthMeasure(REAL) s s e r d d A g n i d l i u B IfcPostalAddress(ENTITY)
Rysunek 2. Fragment modelu IFC – klasa IfcBuilding reprezentuj¹ca budynek
(Ÿród³o: opracowanie w³asne)
Relating Representation Relating Representations HasProperty ObjectPlacement IsDefinedBy
Podsumowanie
Architekci zawsze tworzyli modele budynków, a ich g³ównymi odbiorcami byli wyko-nawcy budowlani. Obecnie grono zainteresowanych wynikami ich pracy powiêksza siê. S¹ nimi miêdzy innymi specjaliœci i analitycy GIS. Dlatego, ju¿ od etapu projektowania obiektu budowlanego warto mieæ na uwadze, ¿e opracowywane modele, zapisywane obecnie w technologii cyfrowej, bêd¹ s³u¿y³y nie tylko wykonawcom i in¿ynierom budowlanym, ale równie¿ osobom zarz¹dzaj¹cym budynkami, analitykom przestrzennym, s³u¿bom ochrony, s³u¿bom ratunkowym, policji b¹dŸ zwyk³ym osobom szukaj¹cym okreœlonego pomieszcze-nia w budynku.
Podstawowymi formatami danych, które mog¹ byæ wykorzystywane przy wymianie danych pomiêdzy BIM i GIS s¹ obecnie IFC oraz CityGML. Ze wzglêdu na zupe³nie
od-Tabela 3. Wynik przeprowadzonej analizy badawczej – ocena mo¿liwoœci zasilenia CityGML danymi
z IFC (w tabeli przedstawiono jedynie niewielki fragment ca³ego zestawienia licz¹cego ponad 30 atrybutów) y s a l k t u b y r t A e p y T g n i d l i u B t c a r t s b A L M G y t i C w u t u b y r t a p y T SposóbuzyskaniadanychzmodeluIFC s s a l c gml:CodeType AtrybutObjectTypeklasyIfcBuilding. n o i t c n u f gml:CodeType AtrybutMarketCategoryzawartywzbiorzeatrybutów e s U g n i d l i u B _ t e s P przypisanymdoobiektuklasy g n i d l i u B c f I poprzezobiektagreguj¹cy . s e i t r e p o r P y B s e n i f e D l e R c f I e g a s u gml:CodeType AtrybutOccupancyTypezawartywzbiorzeatrybutów n o m m o C g n i d l i u B _ t e s P przypisanymdoobiektuklasy g n i d l i u B c f I poprzezobiektagreguj¹cy . s e i t r e p o r P y B s e n i f e D l e R c f I t h g i e H d e r u s a e m gml:LengthType AtrybutHeightznajduj¹cysiêwzbiorzeatrybutów h c y w o i c œ o l i BuildingBaseQuantitiesprzypisanymdo y s a l k u t k e i b o IfcBuildingpoprzezobiektagreguj¹cy . s e i t r e p o r P y B s e n i f e D l e R c f I d n u o r G e v o b A s y e r o t s xs:nonNegativeInteger AtrybutNumberOfStoreyszawartywzbiorze w ó t u b y r t a Pset_BuildingCommonprzypisanymdo y s a l k u t k e i b o IfcBuildingpoprzezobiektagreguj¹cy s e i t r e p o r P y B s e n i f e D l e R c f I któryzawieraliczbê j e ¿ y w o p i j c a n g y d n o k a b z c i L .i j c a n g y d n o k h c i k t s y z s w z e z r p o p a n o l œ e r k o æ y b e ¿ o m u t n u r g u m o i z o p j e ¿ i n o p i w ó t u b y r t a ê z i l a n a Elevationka¿degozobiektówklasy . y e r o t S g n i d l i u B c f I d n u o r G w o l e B s y e r o t s xs:nonNegativeInteger m o o R r o i r e t n i InteriorRoomPropertyType Informacjeopomieszczeniachwewn¹trzbudynku y s a l k w ó t k e i b o ê z i l a n a z e z r p o p æ a k s y z u a n ¿ o m e c a p S c f I powi¹zanychzobiektamiIfcBuildingStorey, y s a l k m e t k e i b o z e n a z ¹ i w o p ¹ s e r ó t k IfcBuilding. t r a P g n i d l i u B f O s t s i s n o c BuildingPartPropertyType Informacjeoobiektachzwi¹zanychzbudynkiemmo¿na h c y n d o h c o p s a l k w ó t k e i b o ê z i l a n a z e z r p o p æ a k s y z u y s a l k IfcProductpowi¹zanychzobiektemklasy g n i d l i u B c f I . s s e r d d a core:AddressPropertyType ObiektIfcAddresswskazywanyprzezatrybutklasy g n i d l i u B c f I onazwieBuildingAddress.
mienn¹ konstrukcjê modelu pojêciowego danych oraz inny sposób definiowania relacji, pro-ste przepisanie danych z jednego pliku do drugiego nie jest jednak prost¹ operacj¹ techniczn¹. Konieczne jest w³aœciwe okreœlenie („mapowanie”) odpowiadaj¹cych sobie klas, atrybutów i relacji. Pewnym problemem w kontekœcie czasu niezbêdnego na wykonanie konwersji danych jest wielkoœæ zbiorów danych IFC i CityGML wynikaj¹ca z ich tekstowego charak-teru. Bior¹c pod uwagê skomplikowany sposób zapisu relacji w IFC, zupe³nie inny ni¿ w relacyjnym modelu danych, proces przetwarzania równie¿ jest czasoch³onny. Wskazane jest poszukiwanie algorytmów i technologii optymalizuj¹cych to dzia³anie. Przeprowadzone ba-dania wykaza³y, ¿e mimo wspomnianych problemów, wymiana danych jest mo¿liwa. Aby by³a w pe³ni efektywna nale¿y d¹¿yæ do bardziej zaawansowanych rozwi¹zañ, ni¿ tylko proste przepisywanie danych z jednego pliku tekstowego do drugiego. Rzeczywistym pro-blemem jest wspó³dzielenie danych BIM i GIS, w taki sposób, aby mo¿liwa by³a ich spójna aktualizacja. Wykorzystanie poœrednich formatów (w tym przypadku IFC i CityGML) nie jest idealnym rozwi¹zaniem. Nadal technologia BIM i GIS rozwija siê niezale¿nie. W ró¿nych oœrodkach badawczych i firmach prowadzone s¹ jednak badania i podejmowane prace roz-wojowe, które w przysz³oœci pozwol¹ na bardziej efektywn¹ ni¿ obecnie wymianê z³o¿onych informacji o budynku na potrzeby ró¿nych aplikacji. Aktualnoœæ tego stwierdzenia potwier-dza fakt, ¿e w czasie koñcowego przygotowania tej publikacji do druku, firmy Autodesk (dostawca wiod¹cego oprogramowania do tworzenia BIM) oraz Esri (dostawca wiod¹cego oprogramowania do tworzenia GIS), og³osi³y podjêcie nowej wspó³pracy w celu stworzenia „pomostu technologicznego” pomiêdzy BIM i GIS (Ÿród³o: Esri i Autodesk, 15.11.2017(ZDNET, 2017)). Niezwykle wa¿n¹, aczkolwiek oddzieln¹ kwesti¹ jest mo¿li-woœæ w³¹czenia modeli wnêtrz budynków jako elementu infrastruktury danych przestrzen-nych w ramach INSPIRE. Zagadnienie to wykracza jednak poza ramy niniejszego artyku³u. Ze wzglêdu na z³o¿onoœæ problemu, nie jest mo¿liwe omówienie w jednym artykule (a nawet kilku) przeprowadzonych eksperymentów praktycznych oraz przedstawienie wszyst-kich wa¿nych aspektów metodycznych wymiany danych. Bêd¹ one przedmiotem oddziel-nych publikacji, w tym rozprawy doktorskiej. Dlatego w niniejszym opracowaniu autorzy skoncentrowali siê jedynie na pokazaniu wybranych zagadnieñ konwersji danych na przyk³a-dzie podstawowej klasy, jak¹ w tym przypadku jest klasa reprezentuj¹ca budynek. Choæ problem konwersji miêdzy dwoma formatami danych mo¿e byæ czasami interpretowany jako rutynowe dzia³anie informatyczne, to w tym przypadku zamierzeniem autorów jest pokazanie, ¿e tak nie jest w przypadku konwersji pomiêdzy BIM a GIS. Przeprowadzone eksperymenty przede wszystkim pokazuj¹ odmiennoœci modeli BIM i GIS. Poprawne wyko-nanie konwersji plików wymaga rozumienia odmiennych koncepcji obu modeli (na poziomie celu, struktury i pojêæ), a tym samym wynikaj¹cych z nich ograniczeñ przy konwersji.
Podziêkowania. Autorzy dziêkuj¹ dwóm anonimowym recenzentom za cenne wska-zówki.
Finansowanie. Praca finansowana ze œrodków statutowych Wydzia³u Geodezji i Karto-grafii Politechniki Warszawskiej.
Literatura (References)
3D Geoinformation group at TU Delft. 2017.09.24. What is CityGML? Retrieved from CityGML homepage: https://www.citygml.org/about/
British Standards Institution, 2014: PAS 1192-3 Specification for information management for the operational phase of assets using BIM. London, British Standards Institution.
British Standards Institution, 2007: BS 1192:2007. Collaborative production of architectural, engineering and construction information – Code of practice. London, British Standards Institution.
buildingSMART, 2017, 09 24: Industry Foundation Classes Release 4 (IFC4). Retrieved from building-SMART: http://www.buildingsmart-tech.org/ifc/IFC4/final/html/index.htm
Gotlib Dariusz, Gnat Mi³osz, 2013: Spatial Database Modeling For Indoor Navigation Systems. Reports on
Geodesy and Geoinformatics 95: 49-63, DOI: 10.2478/rgg-2013-0012.
Gotlib Dariusz, Marciniak Jacek, 2012: Cartographical aspects in the design of indoor navigation systems.
Annual of Navigation 19 (1): 35-48.
Gotlib Dariusz, Iwaniak Adam, Olszewski Robert, 2007: GIS. Obszary zastosowañ (GIS. Areas of applica-tions). Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN.
Isikdag Umit, Zlatanova Sisi, 2009: Towards defining a framework for automatic generation of buildings in CityGML using building Information Models. [In:] 3D Geo-Information Sciences: 79-96.
Isikdag Umit, Underwood Jason, Aouad Ghassan, 2008: An investigation into the applicability of building information models in geospatial environment in support of site selection and fire response management processes. Advanced Engineering Informatics 22 (4): 504-519.
ISO, 1986: ISO 8879:1986 Information processing – Text and office systems – Standard Generalized Markup Language (SGML). ISO. International Organization for Standardization.
ISO, 2004: ISO 10303-11:2004 Industrial automation systems and integration – Product data representation and exchange – Part 11: Description methods: The EXPRESS language reference manual. ISO. International Organization for Standardization.
ISO, 2012: ISO/TS 12911:2012 Framework for building information modelling (BIM) guidance. International Organization for Standardization.
ISO, 2016: ISO 10303-21:2016 Industrial automation systems and integration – Product data representation and exchange – Part 21: Implementation methods: Clear text encoding of the exchange structure. Interna-tional Organization for Standardization.
Jernigan Finith E., 2007: BIG BIM little bim. The practical approach to building information modelling. Salisbury: 4Site Press, Salisbury, Maryland, USA.
Kang Tea W., Hong, Chang H., 2015: IFC-CityGML LOD Mapping Automation based on Multi-Processing. Proceedings of the 32st ISARC : 1-8. Oulu, Finland, International Association for Automation and Robotics in Construction.
National BIM Standard, 2014, 08 25: What is a BIM? Retrieved from National BIM Standard: http://www.nationalbimstandard.org/faq.php#faq1
NBS, 2017, 09 24: IFC – is it simply misunderstood? Retrieved from Construction Knowledge, Specification and Services NBS: http://www.thenbs.com/topics/bim/articles/ifc-is-it-simply-misunderstood.asp Open Geospatial Consortium, 2012: OGC City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard.
Open Geospatial Consortium.
Race Steve, 2013: BIM Demystified. London, RIBA Publishing.
Solibri, 2017, 09 24: About BIM and IFC. Retrieved from Solibri: http://www.solibri.com/support/bim-ifc/ W3C: 2015, 11 15: Extensible Markup Language (XML). Retrieved from Extensible Markup Language
(XML): https://www.w3.org/XML/
ZDNet, 2017, 11 15: Autodesk teams with Esri to integrate BIM, GIS tech. Retrieved from ZDNet: http://www.zdnet.com/article/autodesk-teams-with-esri-to-integrate-bim-gis-tech/
Streszczenie
Obecnie zauwa¿alny jest istotny wzrost zainteresowania tworzeniem i wykorzystywaniem modeli budynków typu BIM (ang. Building Information Modeling). Dzieje siê tak miêdzy innymi z powodu przepisów wymuszaj¹cych opracowywanie modeli i stosowanie procedur BIM w przypadku wielu rodzajów inwestycji budowlanych (np. budynków u¿ytecznoœci publicznej), w niektórych pañstwach na œwiecie. BIM to zarówno z³o¿ony i kosztowny zbiór danych, jak i z³o¿ony proces zarz¹dzania
informacjami od etapu projektu budynku, poprzez jego budowê, a¿ po u¿ytkowanie. Pocz¹tkowo modele BIM by³y w obszarze zainteresowania prawie wy³¹cznie ekspertów z zakresu architektury i budownictwa. Potrzeby u¿ytkowników w zakresie zarz¹dzania nieruchomoœciami, ochrony budyn-ków oraz lokalizacji i nawigacji u¿ytkownibudyn-ków wewn¹trz budynbudyn-ków sprawi³y, ¿e równolegle zaczêto tworzyæ systemy informacji przestrzennej (GIS) nie tylko prezentuj¹ce zewnêtrze budynków (budowli) ale tak¿e ich wnêtrza. Spowodowa³o to wzrost zainteresowania BIM w œrodowisku specjalistów zajmuj¹cych siê geoinformacj¹. Miêdzy innymi ze wzglêdów ekonomicznych tworzenie dwóch nieza-le¿nych modeli dla tego samego budynku jest co najmniej dyskusyjne. Jedn¹ z metod ograniczenia kosztów jest wykorzystanie modeli BIM i przekszta³cenie ich w razie potrzeby do postaci modeli GIS. Ze wzglêdu na fundamentalne ró¿nice pojêciowe, technologiczne oraz odmienne funkcje, konwersja modelu BIM do modelu GIS nie jest zadaniem oczywistym i prostym. W artykule omówiono wyniki badañ i testów, na podstawie których mo¿na oceniæ z³o¿onoœæ tego procesu. Zwrócono uwagê zarów-no na kwestie techzarów-nologiczne (w tym problemy konwersji pomiêdzy ró¿nymi formatami danych), jak i kwestie zwi¹zane z koniecznoœci¹ uzupe³nieñ i przekszta³ceñ danych zale¿nie od przewidywanych zastosowañ.
Abstract
Interest in creating and using BIM (Building Information Modeling) models has been noticeably growing. This is due, among other things, to regulations that enforce the development of models and the use of BIM procedures for many types of construction investment in some countries. BIM is both, a complex and costly set of data and a complex information management process from the design phase of the building, through its construction, to its use. Initially, BIM models were of interest ??almost exclusively for architectural, construction and building experts. The needs of users in the field of property management, building protection, location and indoor navigation have resulted in parallel creation of GIS systems, presenting exteriors, as well as interiors of buildings. This has led to interest in BIM’s development expressed by geoinformatics professionals. For economic reasons, creating two independent models for the same building is at least debatable. One way to reduce costs is to use BIM models and convert them as needed to GIS models. Because of the fundamental concep-tual, technological, and functional differences, converting a BIM model to a GIS model is not an obvious and simple task. This paper summarizes the results of the tests and attempts to evaluate the complexity of this process. Attention is paid to both, technological issues (including conversion betwe-en differbetwe-ent data formats), as well as issues related to the need to supplembetwe-ent and transform data according to the intended uses.
Dane autorów / Autors details: dr hab. in¿. Dariusz Gotlib, prof. PW https://orcid.org/0000-0001-7532-4497 d.gotlib@gik.pw.edu.pl
mgr in¿. Micha³ Wyszomirski
https://orcid.org/0000-0002-5407-0536 michal.wyszomirski@gmail.com
Przes³ano / Received 4.10.2017 Zaakceptowano / Accepted 9.01.2018 Opublikowano / Published 15.02.2018
