Integração BIM e GIS para a infraestrutura: Análise de múltiplos tipos de dados e gestão inteligente das informações

Enquanto uma modelagem BIM pode fornecer informações detalhadas sobre ativos de infraestrutura, o GIS pode propiciar dados sobre esses ativos no contexto geográfico. É incontestável a sinergia entre BIM e GIS na gestão de ativos de infraestrutura.

O processo BIM cria um banco de dados integrado de um ativo, que inclui representação digital 3D de suas características físicas e funcionais e extensos dados alfanuméricos sobre componentes e/ou objetos associados. Já o GIS é capaz de reproduzir os ambientes naturais e construídos e agregar outros fatores vitais, como considerações demográficas, socioeconômicas e ambientais. O Building Information Modeling (BIM), ou Modelagem da Informação da Construção, e o Geographic Information System (GIS), ou Sistema de Informação Geográfica (SIG), são de domínios diferentes.

O primeiro foi desenvolvido para o domínio Arquitetura, Engenharia e Construção (AEC) e Gestão de Instalações (FM) e o segundo está relacionado com a indústria geoespacial , tratando com dados demográficos, socioeconômicos e ambientais, que o BIM não pode lidar com eficiência. Embora as duas plataformas sejam diferentes em termos de foco, escopo, geração de dados e cultura de gestão, a integração dos dois sistemas tem atraído a atenção de pesquisadores de ambas as áreas devido aos potenciais benefícios relacionados, principalmente, com as cidades inteligentes , a urbanização e Internet of Things (IoT) .

A integração de BIM e GIS

A integração de BIM e GIS pode ser realizada em vários níveis. Kang et al. agruparam estudos relevantes em cinco grupos, ou seja, abordagens baseadas em esquemas, abordagens baseadas em serviços, abordagens baseadas em ontologias, abordagens baseadas em processos e abordagens baseadas em sistemas.

Já Amirebrahimi et al. propuseram uma estrutura de três níveis, que sugere que a integração BIM/GIS pode ser operada em nível de dados, nível de processo e nível de sistema. Entre todos esses tipos ou níveis de integração, a integração em nível de dados é a forma mais fundamental de integração que lida com a troca básica de dados entre os dois sistemas diversos.

O principal desafio na integração BIM/GIS em nível de dados é a troca de dados eficiente e eficaz . Se BIM e GIS trocarem dados de forma eficaz, ambos podem se beneficiar mutuamente . Caso contrário, pode levar a dificuldades de compatibilidade para aplicações dedicadas a funções de construção especializadas . O problema de troca de dados entre BIM e GIS é causado, principalmente, pela incompatibilidade semântica entre o domínio AEC e a indústria geoespacial, o que pode ser refletido pelos esquemas de dados usados ​​nesses dois campos, por exemplo, Industry Foundation Classes (IFC) para construir a troca de informações no domínio AEC e City Geo graphy Markup Language (CityGML) para representar modelos de cidades virtuais na indústria geoespacial.

Na estrutura GIS, existem dois formatos principais de dados disponíveis, CityGML e shapefile. O CityGML está envolvido principalmente em estudos teóricos e o shapefile é usado principalmente em estudos orientados a aplicativos .

Shapefile

Um formato de dados espaciais desenvolvido pelo Environmental Systems Research Institute, Inc. (ESRI) para armazenar geometria não topológica e atribuir informações para recursos espaciais como pontos, linhas, superfícies e multipatches .

Um arquivo shapefile consiste em pelo menos três partes, ou seja, um arquivo principal (.shp), um arquivo de índice (.shx) e uma tabela dBASE (.dbf) . O arquivo principal armazena as informações geométricas de todas as feições, em que cada registro é uma forma com uma lista de seus vértices.

O arquivo de índice indexa todos os recursos no arquivo principal e suporta acesso mais rápido aos dados; um shapefile sem um arquivo de índice pode ser acessado, mas em uma velocidade mais lenta. A tabela dBASE é usada para armazenar detalhes de atributos para os recursos espaciais. Além dessas três partes, um shapefile pode ter outros componentes como um arquivo de projeção (.prj) ou um arquivo XML (.shp.xml) para registro de metadados geoespaciais. Os tipos de geometria suportados pelo shapefile geralmente incluem pontos, polilinhas, polígonos e multipatches.

Transformação do IFC em shapefile

Atualmente, poucas opções estão disponíveis para os usuários transformarem IFC em shapefile. É conduzido principalmente usando a extensão Data Interoperability for ArcGIS (DIA) , um pacote de extensão comercial para ArcGIS para expandir a gama de formatos de dados suportados. O DIA é composto por um mecanismo de dados, o Feature Manipulation Engine (FME), que atua para a troca dos mesmos e suporta uma variedade de formatos, incluindo CityGML . O DIA é mais usado do que o complicado FME devido à sua simplicidade.

No entanto, o DIA é conhecido por seu baixo desempenho na transformação IFC, arquivo de forma. Outro problema com o DIA é que o número de atributos que ele recupera é muito menor do que o oferecido pelo IFC, o que significa que resultaria em séria perda de informação semântica. Portanto, não existe uma abordagem perfeita para realizar a transformação do IFC em shapefile. Considerando o amplo uso de shapefile em pesquisas orientadas a aplicações, existe a necessidade de melhorar a qualidade da transformação em termos de geometria e semântica.

Zhu et al. transformam o IFC em shapefile usando uma abordagem de código aberto (OSA) para melhorar a robustez e a eficiência da transformação, concentrando na extração de informações geométricas, uma vez que estas são as informações mais fundamentais e necessárias para a maioria dos estudos para fins de visualização ou análise, e recuperando vários atributos necessários, como a identificação exclusiva. Assim, a informação geométrica extraída é transformada em multipatch, um dos tipos de shapefile que armazena geometria 3D (Figura 2).

Figura 2: Modelo de ponte extraído exibido no ArcScene. Fonte: Zhu et al. .

  Entretanto, o OSA suporta apenas a transformação de sólidos varridos, uma das cinco maneiras que o IFC usa para representar modelos 3D, e não foi testado usando outros tipos de modelo de construção além da ponte. Neste sentido, Zhu et al. aprimoraram o OSA, permitindo mais tipos de transformação de geometria, como recorte e representação mapeada, que foi identificada como um problema por Deng et al. . O algoritmo recém-desenvolvido para transformação de geometria foi referido como Enhanced-AMG (E-AMG). A Tabela 1 mostra os modelos originais e transformados de pontes e edifícios com o uso do E-AMG, visualizados no FZK e no ArcScense, mostrando que o algoritmo pode transformar esses modelos com sucesso.

Dificuldades na transformação do IFC em shapefile

Na área de modelagem sólida, a transformação entre Brep (Boundary representation), CSG (Constructive Solid Geometry) e varredura tem sido estudada para troca de dados entre diferentes sistemas CAD/BIM, por exemplo, a conversão bidirecional entre CSG e Brep , apesar de que, uma conversão de Brep para CSG é geralmente impossível, pois os modelos Brep carregam menos informações . No entanto, para a conversão interindústria BIM/GIS, mais aspectos precisam ser considerados: 

Não apenas CSG e sólido varrido, os modelos Brep também precisam ser transformados, como Brep (IFC) para Brep (shapefile); 

O posicionamento espacial dos elementos de construção deve ser ajustado para se adequar ao GIS, uma vez que o BIM usa um sistema de posicionamento relativo, enquanto o GIS usa um sistema de coordenadas globais;

Diferentes desafios surgem quando diferentes formatos de recebimento no lado do GIS são usados, como a transformação da geometria e a transferência semântica, principais preocupações quando o shapefile é usado . No entanto, cabe destacar que quando CityGML é utilizado, o mapeamento de semântica e o mapeamento de nível de detalhes também devem ser levados em consideração . Essas questões não precisam ser consideradas durante a conversão dentro da indústria, mas são elas que distinguem a conversão interindústria da conversão dentro da indústria.

Embora a conversão de representações dentro da indústria tenha sido bem resolvida no domínio da modelagem sólida, a conversão interindústria entre BIM e GIS ainda é um problema, encontrado por muitos pesquisadores que tentam integrar BIM e GIS, como Borrmann et al. , Isikdag et al. e Deng et al.

O problema de conversão BIM para GIS pode ser interpretado de duas maneiras:

A maneira instável usando ferramentas comerciais. A transformação da geometria de BIM para GIS pode ser concluída usando ferramentas comerciais como Feature Manipulation Engine (FME) e Data Inter operability Extension for ArcGIS (DIA) . Essas ferramentas transformam informações entre diferentes esquemas de dados mapeando classes definidas neles. Contudo, quando existem incompatibilidades semânticas, essa abordagem tende a falhar ou resultar em perda de informações. Ademais, essas ferramentas comerciais podem travar ao processar modelos IFC , onde erros de geometria criados durante a conversão podem fazer com que o FME não consiga ler o IFC e travar, como aconteceu com Boyes et al. ;

Em vez de usar ferramentas comerciais, os pesquisadores também desenvolvem algoritmos personalizados para transformação de geometria. Entretanto, entre os cinco tipos de representação 3D usados ​​pelo IFC, ou seja, Brep, CSG, sólido varrido, recorte e representação mapeada, apenas a transformação do sólido varrido foi completamente coberta , enquanto a transformação de CSG, recorte e representação mapeada ainda permanece um problema.

Aprimoramento das informações dos modelos BIM com o uso de dados GIS

Embora as informações GIS sejam necessárias para planejar e operar estradas, pontes, aeroportos, redes ferroviárias e outras infraestruturas com base em seus arredores, as informações BIM são críticas para o projeto e construção dessas estruturas. Dessa forma, associando as informações, pode-se obter uma camada de contexto geoespacial combinada com o modelo BIM, projetando estruturas físicas ao nível de objeto, geridas no contexto de uma paisagem maior e mais inteligente.

Potencializar o valor a longo prazo de novas infraestruturas significa fornecer projetos melhores que abordam muitos dos problemas atuais de sustentabilidade e resiliência. Diante disso, adicionar um projeto digital dentro de uma geografia real pode eliminar grande parte do risco de projetar e construir, uma vez que os maiores atrasos acontecem nas fases de planejamento e obtenção de permissões, que envolvem diversas avaliações de impactos sociais, econômicos e ambientais.

Em geral, os planejadores fazem grande parte dessas análises usando dados geoespaciais, verificando áreas a serem desapropriadas, mapas de planícies de inundação ou até mesmo estrutura subterrâneas de serviços públicos.

A integração de BIM e GIS também pode ser útil após a construção de uma estrutura. Assim, ao em vez de simplificar muito os dados finais fornecidos para a gestão de instalações, o modelo flexível, associado ao GIS, pode fornecer o que é necessário para as operações, sendo possível reutilizar esses dados ao longo de todo o ciclo de vida da estrutura. A título de exemplo, operar uma estrada denota gerir serviços de utilidade pública, instalação de defensas metálicas, manter a pintura das faixas e supervisionar as equipes de manutenção, com muitas manutenções e conservações. Assim, pode-se melhorar a operabilidade e eliminar erros ao conectar o GIS, CAD e BIM.

Desafios e soluções para a integração de dados GIS ao BIM

Os profissionais da indústria AEC normalmente confiam em informações GIS para determinar o impacto de seus projetos com base nas condições existentes no local e no contexto geográfico, incluindo topografia, áreas de inundações, estradas, infraestrutura subterrânea, áreas a desapropriar e componentes ambientais. Entretanto, o acesso a esses dados muitas vezes tem sido a fonte de muitos atrasos e ineficiências, considerando que:

GIS e CAD/BIM sempre existiram em caminhos paralelos, com diferentes formatos de arquivos, fluxos de trabalhos e conhecimentos, sendo complicado o compartilhamento de dados entre eles;

Fluxos de dados ineficientes dificultam a capacidade de usar informações de projeto de forma eficaz para abordar questões como mudança climática, aumento da urbanização e mudanças demográficas;

A entrada e conversão manual de dados aumenta o potencial de erros e perda de dados;

O meticuloso processo de coleta e atualização de dados do campo cria potenciais discrepâncias entre o que está no sistema e o que está no solo.

Dentre algumas soluções para assimilar a inteligência de localização com projeto, destaca-se o Autodesk Connector for ArcGIS, que integra o fluxo de dados entre o GIS e o Autodesk InfraWorks e o Autodesk Civil 3D. O Connector viabiliza que profissionais de infraestrutura trabalhem com dados GIS diretamente em seus projetos e usem essas informações para aprimorar o modelo de acordo com o mundo real. Além disso, os recursos GIS podem ser atualizados dentro do modelo, atualizando diretamente para o ArcGIS Online. 

Outra solução de destaque é o uso de dados GIS disponibilizados pelos serviços públicos e privados, como o VGeo (Visualizador de Dados do DNITGeo) , o Sicar (Sistema Nacional de Cadastro Ambiental Rural) , o SIGEF (Sistema de Gestão Fundiária) e o Geosimples .

O VGeo possui, em geral, informações de infraestrutura rodoviária, aquaviária e ferroviária, levantamentos de ortoimagens, modelos digitais de terrenos e faixas de domínio, bases cartográficas de estados, capitais, municípios e Amazônia Legal, além de dados ambientais e hidrografia. O Sicar e o SIGEF, dispõem principalmente de informações de cadastro de imóveis rurais e assentamentos, e o Geosimples atende prefeituras com fornecimento de serviços de engenharia, topografia, cartográficos, levantamento aerofotogramétrico, cadastral e GIS.

Entretanto, para usar os dados GIS disponibilizados pelos serviços públicos e privados, é necessário um conhecimento prévio sobre o conjunto de tecnologias voltadas a coleta e tratamento de informações espaciais, que é o geoprocessamento, e como integrar os resultados ao BIM. Em geral, o geoprocessamento possui 4 etapas, sendo a coleta, o armazenamento, o tratamento e análise e o uso integrado. Para o desenvolvimento destes passos e combinar os resultados gerados, pode-se utilizar softwares GIS, como o QGIS e o ArcGIS.

Para integrar a um modelo BIM, basta inserir e configurar os arquivos tipo shapefile dentro dos softwares BIM que tenham interoperabilidade com esta tipologia de arquivo, por exemplo.

Conclusão

Diante do exposto, pode-se observar que unir GIS e BIM pode ajudar os planejadores das cidades a tomar decisões que afetam as comunidades e fornecer aos engenheiros civis os dados de que precisam para projetos de construção e infraestrutura.

Assim, permitir esses fluxos de trabalho mais eficientes entre o GIS e as equipes de projeto deve enriquecer os projetos e aprimorar o novo papel que os profissionais da AEC podem desempenhar como defensores sociais e ambientais, além de beneficiar as comunidades em geral.

Dessa forma, entende-se que os benefícios da integração entre dados GIS e de projetos podem incluir: a coordenação aprimorada de solicitações de dados GIS; o fluxo de trabalho aprimorado para otimização de projeto; as atualizações de dados de campo mais eficientes no escritório; e a consistência aprimorada entre GIS e dados de projeto.

Portanto, inserir projetos digitais em geografias do mundo real mais precisas, melhora a tomada de decisões nos estágios iniciais do planejamento, o que influencia em muitas avaliações de impacto social, econômico e ambiental, principais causas dos maiores atrasos em grandes projetos de infraestrutura.

O Master Engenharia Civil e Gis da ZIGURAT com ênfase em BIM e GIS traduz esta evolução, fornecendo insights essenciais para encarar as crescentes exigências do setor.