Generación de citygml con base en IFC

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(1)GENERACION DE CITYGML CON BASE EN IFC. FREDY ORLANDO BELLO PEREZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA MAESTRIA EN CIENCIAS DE LA INFORMACION Y LAS COMUNICACIONES ENFASIS EN SISTEMAS DE INFORMACION SANTAFE DE BOGOTA 2015.

(2) GENERACION DE CITYGML CON BASE EN IFC. FREDY ORLANDO BELLO PEREZ. Tesis de grado como requisito para optar por el título de Magíster en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Director JOSE NELSON PEREZ CASTILLO Doctor en Informática. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA MAESTRIA EN CIENCIAS DE LA INFORMACION Y LAS COMUNICACIONES ENFASIS EN SISTEMAS DE INFORMACION SANTAFE DE BOGOTA 2015.

(3) Nota de aceptación __________________________________________________ __________________________________________________ __________________________________________________ __________________________________________________ __________________________________________________ __________________________________________________. __________________________________________________ Firma del presidente del jurado. __________________________________________________ Firma del jurado. __________________________________________________ Firma del jurado. Bogotá D.C. __________________________ de 2015.

(4) Dedico este trabajo en primer lugar a mis amados madre y padre, Leonilde y Orlando quienes el día en que lean esto comprenderán que ellos fueron el motivo e inspiración principal para superar este reto. A Yuly Piracoca, mi compañera de vida, que a pesar de ser la persona que más lejos está de estos temas computacionales es quien mejor comprende cuanto esfuerzo me ha costado lograrlo. A mi amada familia, que siempre ha sabido brindarme su apoyo, mi hermana Sandra y su compañero de vida Rodrigo, mi hermano Oscar y su compañera de vida Lina, mi sobrinito Santi, mis primitas y primos, tías, tíos, abuelitas y abuelitos. A mis amigas y amigos, que con su apoyo siempre hacen más agradable el camino..

(5) AGRADECIMIENTOS Agradecimiento especial al profesor José Nelson Pérez Castillo PhD. por su oportuna y constante asesoría en la investigación realizada. Agradecimiento especial a los profesores que he tenido la fortuna de encontrar en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, gracias a ustedes y su sabiduría, he mejorado mi perspectiva logrando una mucho más amplia. Infinito agradecimiento a todas las personas que de alguna u otra forma apoyaron la realización de esta investigación..

(6) CONTENIDO Pág. RESUMEN .......................................................................................................................... 14 ABSTRACT ........................................................................................................................ 15 1.. INTRODUCCION ................................................................................................... 16. 2.. PROBLEMA DE INVESTIGACION .................................................................... 18 2.1. PREGUNTA DE INVESTIGACION ..................................................................... 18 2.2. OBJETIVOS ........................................................................................................... 18 2.2.1. Objetivo General .............................................................................................. 18 2.2.2. Objetivos Específicos ....................................................................................... 19 2.3. DISEÑO METODOLÓGICO ................................................................................. 19 2.4. ALCANCE.............................................................................................................. 21 2.5. CASO DE ESTUDIO PROPUESTO ...................................................................... 21. 3.. INTEROPERABILIDAD CAD/GIS/BIM ............................................................. 23 3.1. CONSTRUCCIONES VERDES Y VISUALIZACIÓN 3D.................................................... 23 3.1.1. Principios de la Construcción Verde ............................................................... 24 3.1.2. Visualización .................................................................................................... 25 3.1.2.1. Representación 3D: ...................................................................................... 25 3.2. INTEROPERABILIDAD EN EL DOMINIO DE LA CONSTRUCCIÓN............. 26 3.2.1. IFC ................................................................................................................... 26 3.2.1.1. El esfuerzo de desarrollo del modelo IFC .................................................... 27 3.2.1.2. Arquitectura del modelo IFC ........................................................................ 27 3.2.1.3. Futuro de IFC ............................................................................................... 28 3.2.2. Problemas en el modelado de edificaciones .................................................... 28 3.2.3. IFC / BIM ......................................................................................................... 29 3.3. INTEROPERABILIDAD CONSTRUCCIÓN – GIS ............................................. 31 3.3.1. IFC/GML .......................................................................................................... 31 3.4. INTEROPERABILIDAD EN EL DOMINIO GEOESPACIAL............................. 32 3.4.1. Lenguaje de Marcado Geográfico (GML) ....................................................... 32 3.4.2. CityGML........................................................................................................... 33 3.4.2.1. Semántica ...................................................................................................... 33 3.4.2.2. Geometría. .................................................................................................... 34 3.4.2.3. Relación con otros estándares 3D ................................................................ 34 3.4.2.4. Modelado de Información de Edificaciones (BIM) / IFC ............................. 34 3.4.3. Caracterización de CityGML ........................................................................... 35 3.4.4. CityGML/BIM .................................................................................................. 36 3.5. CAD / GIS / BIM..................................................................................................... 38 3.5.1. Integración de GIS urbano, CAD, y BIM ......................................................... 38 3.5.1.1. Generación de CityGML con base en IFC ................................................... 39 3.5.2. Integración de CAD / GIS / BIM mediante estándares .................................... 40.

(7) 3.5.3. Iniciativa del OGC ........................................................................................... 40 3.5.4. Arquitectura propuesta por el OGC ................................................................ 41 3.5.5. Pruebas con base en la iniciativa del OGC ..................................................... 42 3.5.5.1. Modelos complementarios. ........................................................................... 42 3.5.5.2. Puente IFC / CityGML .................................................................................. 42 4. PROCEDIMIENTO PROPUESTO PARA GENERACION DE CITYGML CON BASE EN IFC ........................................................................................................... 43 4.1. MARCO CONCEPTUAL ...................................................................................... 43 4.1.1. BIM................................................................................................................... 43 4.1.1.1. BIM /GIS ....................................................................................................... 44 4.1.2. IFC ................................................................................................................... 46 4.1.2.1. Modelo .......................................................................................................... 47 4.1.2.2. Cubrimiento .................................................................................................. 49 4.1.3. CAD .................................................................................................................. 50 4.1.3.1. GIS ................................................................................................................ 50 4.1.3.2. Integración CAD / GIS ................................................................................. 51 4.1.4. GML ................................................................................................................. 52 4.1.4.1. Complejidad .................................................................................................. 53 4.1.4.2. Modelo .......................................................................................................... 53 4.1.4.3. Geometría ..................................................................................................... 54 4.1.4.4. Coordenadas ................................................................................................. 54 4.1.5. CityGML........................................................................................................... 55 4.1.5.1. Modelado semántico - geométrico coherente ............................................... 55 4.1.5.2. Modelo Espacial ........................................................................................... 55 4.1.5.3. Representación multiescala .......................................................................... 58 4.1.6. Representación Geométrica 3D ....................................................................... 59 4.1.6.1. Representación Sweep .................................................................................. 59 4.1.6.2. Representación CSG (Constructive Solid Geometry) ................................... 60 4.1.6.3. Representación BRep (Boundary Representation) ....................................... 61 4.1.6.4. Representación Geométrica de productos en IFC. ...................................... 61 4.2. ANTECEDENTES ................................................................................................. 64 4.2.1. Estudios Preliminares ...................................................................................... 66 4.3. PROCEDIMIENTO ................................................................................................ 74 4.3.1. Nivel de detalle 1 .............................................................................................. 76 4.3.2. Nivel de detalle 2 .............................................................................................. 81 4.3.3. Nivel de detalle 3 .............................................................................................. 85 5.. MATERIALES, HERRAMIENTAS Y METODOS ............................................ 89 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.. MODELO DE EDIFICACIÓN DEL EDIFICIO SABIO CALDAS. ...................... 89 OPEN IFC TOOLS ..................................................................................................... 90 JTS .......................................................................................................................... 91 CITYGML4J ........................................................................................................... 91 APACHE COMMONS MATH .............................................................................. 92.

(8) 6.. RESULTADOS......................................................................................................... 93 6.1. PROCEDIMIENTO PROPUESTO ........................................................................ 93 6.2. MODELOS CITYGML GENERADOS ................................................................. 93 6.3. MODELOS CITYGML DE VERIFICACION ....................................................... 97 6.4. MODELO BIM2GISBM ........................................................................................ 99 6.4.1. Coordenada ...................................................................................................... 99 6.4.2. Segmento .......................................................................................................... 99 6.4.3. Poligono ........................................................................................................... 99 6.4.4. Rectangulo...................................................................................................... 100 6.4.5. Solido ............................................................................................................. 100 6.4.6. Muro ............................................................................................................... 101 6.4.7. Vacio .............................................................................................................. 101 6.4.8. Plancha .......................................................................................................... 101 6.4.9. Piso................................................................................................................. 101 6.4.10. Edificio ........................................................................................................ 101 6.5. LIBRERÍA BIM2GIS4J ........................................................................................ 101. 7.. DISCUSIÓN Y TRABAJOS FUTUROS ............................................................. 103. 8.. CONCLUSIONES .................................................................................................. 105. 9.. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................. 106. 10.. ANEXOS ................................................................................................................. 111. ANEXO A - DOCUMENTACION DE LA LIBRERIA BIM2GIS4J............................... 112 ANEXO B - ARTÍCULO PUBLICADO EN LA REVISTA INGENIERIA Y UNIVERSIDAD DE LA UNIVERSIDAD JAVERIANA ................................................ 118.

(9) LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1: Modelo 3D del edificio Sabio Caldas ................................................................... 22 Figura 2. Mapa temático de la investigación ....................................................................... 24 Figura 3: Técnicas utilizadas en diseño de edificaciones..................................................... 31 Figura 4: Algunos niveles de detalle de CityGML, LOD1 a LOD3 .................................... 36 Figura 5: Escalas y grados de semántica encontrados en modelos de edificaciones 3D con las correspondientes categorías de nivel de detalle de CityGML ........................................ 37 Figura 6. Parte del esquema CityGML con entidades y atributos relevantes al BIM .......... 38 Figura 7. Arquitectura CAD / GIS / BIM propuesta por el OGC ........................................ 41 Figura 8. Arquitectura de sistema de IFC ............................................................................ 48 Figura 9. Estructura IFC para definir un muro ..................................................................... 49 Figura 10. Entidades ejemplo Puente y Río ......................................................................... 53 Figura 11. Estructura básica de GML .................................................................................. 54 Figura 12. Diagrama UML del modelo de geometría de CityGML (subconjunto y perfil de GML3): Primitivas y compuestas ........................................................................................ 56 Figura 13. Diagrama UML del modelo de geometría de CityGML: Complejos y agregados .............................................................................................................................................. 57 Figura 14. Geometrías combinadas ...................................................................................... 57 Figura 15. Features básicas de CityGML asociadas con su nivel de detalle ........................ 59 Figura 16. Ejemplos de representación Sweep (de barrido) ................................................ 60 Figura 17. Ejemplo de sólido CSG ...................................................................................... 61 Figura 18. Ejemplo de sólido modelado con BRep.............................................................. 62 Figura 19. Diagrama EXPRESS-G para la representación geométrica de un objeto en IFC63 Figura 20. Ejemplo de ubicación relativa local en IFC ........................................................ 63 Figura 21. Edificio Sabio Caldas ......................................................................................... 65 Figura 22. Modelo BIM del edificio Sabio Caldas .............................................................. 65 Figura 23. Modelo QUASY ................................................................................................. 67 Figura 24. Modelo IFC2GML .............................................................................................. 68 Figura 25. Modelo UBM ...................................................................................................... 69 Figura 26. CityGML ADE - GeoBIM .................................................................................. 70 Figura 27. CityGML ADE - Semantic City Model (SCM).................................................. 71 Figura 28. Modelo BIM el edificio Sabio Caldas elaborado en Revit ................................. 75 Figura 29. Modelo IFC del edificio Sabio Caldas ............................................................... 75 Figura 30. Planchas de tipo piso (FLOOR) .......................................................................... 77 Figura 31. Coordenadas necesarias para la ubicación en el contexto espacial de una plancha en IFC (aplicable también a muros, techos, ventanas, puertas y vacíos) ............................. 78 Figura 32. Geometrías de las planchas del edificio Sabio Caldas, extraídas del archivo IFC .............................................................................................................................................. 79 Figura 33. Polígonos correspondientes a las planchas de los pisos 6, 7 y 8 respectivamente .............................................................................................................................................. 80 Figura 34. Polígono base para CityGML resultado del envelope de la unión de todas las planchas ................................................................................................................................ 80.

(10) Figura 35. Polígono base para CityGML resultado de la unión de todas las geometrías de las planchas .......................................................................................................................... 81 Figura 36. Muros del modelo IFC contenidos en el piso 6 del edificio ............................... 82 Figura 37. Operación booleana 3D para representar el corte de un muro mediante el uso de un plano ................................................................................................................................ 83 Figura 38. Operación booleana 3D para representar el corte de dos muros mediante los planos de techos ................................................................................................................... 84 Figura 39. Plancha, techos y muros del piso 6 del modelo IFC del edificio Sabio Caldas. . 85 Figura 40. Vacíos de un muro del edificio ........................................................................... 86 Figura 41. Geometrías de vacíos ubicadas respecto al muro que las contiene .................... 87 Figura 42. Muro con sus respectivos vacíos abiertos ........................................................... 87 Figura 43. Muro con ventanas ubicadas en sus respectivos vacíos...................................... 88 Figura 44. Modelo IFC original del Edificio Sabio Caldas, pisos 4 y 5 .............................. 89 Figura 45. Modelo IFC simplificado del Edificio Sabio Caldas, pisos 4 y 5 ....................... 90 Figura 46. Modelo CityGML LOD1 visualizado con LandXplorer .................................... 91 Figura 47. Planchas del edificio en formato IFC y los 2 posibles sólidos obtenidos en formato CityGML LOD1 ..................................................................................................... 94 Figura 48. Planchas, pisos y muros en formato IFC (izquierda) y en formato CityGML LOD2 (derecha) ................................................................................................................... 94 Figura 49. Planchas, pisos, muros, puertas y ventanas en formato IFC (izquierda) y en formato CityGML LOD3 (derecha) ..................................................................................... 95 Figura 50. Modelos CityGML LOD3, LOD2 y LOD1 del edificio visualizados en gvSIG3D .............................................................................................................................................. 96 Figura 51. Modelo CityGML LOD3 visualizado en gvSIG3D incluyendo su contexto geográfico. ............................................................................................................................ 96 Figura 52. Planchas IFC de una casa y solido CityGML LOD1 obtenido mediante el procedimiento propuesto ...................................................................................................... 97 Figura 53. Planchas, pisos y muros en formato IFC (izquierda) y en formato CityGML LOD2 (derecha) ................................................................................................................... 97 Figura 54. Planchas, pisos, muros, puertas y ventanas en IFC (izquierda) y en CityGML LOD3 (derecha) ................................................................................................................... 98 Figura 55. Modelos CityGML LOD3, LOD2 y LOD1 de la casa visualizados en gvSIG3D .............................................................................................................................................. 98 Figura 56. Modelo propuesto: BIM2GISBM (BIM To GIS Basic Model) ....................... 100 Figura 57. Caso de uso Generar Modelo CityGML LOD1, LOD2 y LOD3 ..................... 112 Figura 58. Diagrama de secuencia general. ....................................................................... 114 Figura 59. Diagrama de secuencia de generación LOD1 ................................................... 115 Figura 60. Diagrama de secuencia de generación LOD2 ................................................... 116 Figura 61. Diagrama de secuencia de generación LOD3 ................................................... 116 Figura 62. Diagrama de secuencia para corte de sólidos mediante operaciones booleanas. ............................................................................................................................................ 117.

(11) LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Comparativa Estudios Preliminares ....................................................................... 73.

(12) LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO A - DOCUMENTACION DE LA LIBRERIA BIM2GIS4J............................... 112 ANEXO B - ARTÍCULO PUBLICADO EN LA REVISTA INGENIERIA Y UNIVERSIDAD DE LA UNIVERSIDAD JAVERIANA ................................................ 118.

(13) ACRONIMO DE SIGLAS AEC: Architecture, Engineering & Construction AEC/FM: Architecture, Engineering & Construction / Facility Management AIXM: Aeronautical Information Exchange Model BIM: Building information modeling BRep: Boundary Representation CAD: Computer-aided design CityGML: City Geography Markup Language CRS: Coordinate Reference System CSG: Constructive Solid Geometry GeoRSS: Geographic Really Simple Syndication GIS: Geographic Information System GML: Geography Markup Language IAI: International Alliance for Interoperability IFC: Industry foundation Classes IFD: International Framework for Dictionaries IFG: IFC for GIS IS: Ingeniería de Software ISO: International Organization for Standardization ISO/PAS: International Organization for Standardization / Publicly Available Specification JTS: Java Topology Suite LEED: Leadership in Energy & Environmental Design LOD: Level of Detail LODX: Level of Detail X NURBS: Non-uniform rational basis spline OGC: Open Geospatial Consortium OGC CS/W: Catalog Services for the Web OGP: Oil and Gas Producer’s Association OWS: Open Geospatial Web Services STEP: Standard for the Exchange of Product model data TIN: Triangulated Irregular Network TransXML: Transportation Extensible Markup Language UML: Unified Modeling Language URI: Uniform Resource Identifier URL: Uniform Resource Locator URN: Uniform Resource Name W3DS: Web 3D Service WCS: Web Coverage Servers WFS: Web Feature Service WMS: Web Map Service XML: Extensible Markup Language.

(14) RESUMEN La presente investigación busca facilitar la integración entre los modelos arquitectónicos 3D generados por BIM (Building Information Modeling) y los sistemas de información geográfica, mediante la creación de un procedimiento, un modelo y una librería que permiten la generación de CityGML (City Geography Markup Language) tomando como base IFC (Industry Foundation Classes) que es un estándar que contempla aspectos tales como muros, puertas, ventanas e incluso costos y otros componentes de las edificaciones. En el dominio de los Sistemas de Información Geográfica (Geographic Information System , GIS) se desarrolló una especificación que facilita la interoperabilidad denominado Lenguaje de Marcado Geográfico (Geography Markup Language, GML) el cual permite la representación de las entidades geográficas del mundo real, tales como puntos de interés, carreteras, predios, etc. Con base en GML se desarrolló una especificación orientada a la representación de modelos de ciudades 3D virtuales denominado CityGML, el cual permite representar en 5 diferentes niveles de detalle las entidades que normalmente se presentan en un paisaje urbano, y especialmente las edificaciones. Se tomó como caso de aplicación el modelo 3D del Edificio Sabio Caldas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, dicho modelo se elaboró en herramientas de diseño arquitectónico que permiten su almacenamiento con el estándar IFC, el cual posteriormente fue tomado como base para la generación de la representación CityGML correspondiente. Adicionalmente se hizo verificación del procedimiento con un modelo IFC de una casa de dos pisos..

(15) ABSTRACT This research seeks to facilitate the integration between the 3D architectural models generated by BIM (Building Information Modeling) and geographic information systems by proposing a process, a model and a library that allows the production of CityGML (City Geography Markup Language) based on the IFC standard (Industry Foundation Classes) which has contemplated aspects as walls, doors, windows and even costs and other buildings components. Geographic information Systems (GIS) domain has developed a specification that facilitates interoperability, this is called Geography Markup Language (GML) which allows representation of geographic entities of real world such as rivers, parcels and others. A representation of virtual 3D city models called CityGML was developed based on GML, CityGML allows representing 5 different levels of detail entities that normally occur in an urban landscape, and buildings specially. A 3D model of the Francisco José de Caldas University was taken as application case, such model was created with architectural design tools that allows to be exported to the IFC standard, which later was taken as input for the generation of corresponding CityGML. A second IFC two-story house model was used for verification..

(16) 1. INTRODUCCION La construcción verde es una práctica que busca el diseño y construcción de edificaciones que sean amables con el medio ambiente mediante el aprovechamiento eficiente de la energía, su uso se ha extendido como respuesta al impacto de las actividades humanas en el calentamiento global, es liderado por las naciones más desarrolladas del planeta y se espera que a futuro se expanda su práctica. El diseño de edificaciones verdes requiere una visualización de modelos que facilite la cooperación de los actores involucrados en el proceso de creación, modelado, implementación y mantenimiento; la visualización es utilizada ampliamente en los sistemas de planeación urbana y en la actualidad se usa BIM como estrategia de modelado 3D. Los sistemas de planeación basados en BIM permiten que la distribución urbana sea más eficiente y por tanto exista un mejor aprovechamiento de los recursos. Los sistemas de respuesta a emergencias son un ejemplo claro de la aplicación de BIM, permiten una reacción más rápida a cualquier eventualidad permitiendo por ejemplo la ubicación anticipada de las áreas contenedoras de sustancias contaminantes en una fábrica durante un incendio para darles prioridad de atención. La interoperabilidad es una temática que día a día cobra más fuerza en todos los sistemas de información, gracias a ella se facilita la reutilización de activos de información y se amplían los alcances de los sistemas. Los sistemas de información geográfica tienden a evolucionar hacia modelos 3D y análogamente el diseño de edificaciones tiende a moverse hacia BIM lo cual ha producido una convergencia natural entre estos dos dominios, dicha convergencia se ve materializada en la creación de modelos digitales urbanos con base en información geográfica de terreno. La posibilidad de integrar a las comunidades GIS y AEC abre las puertas para diferentes tipos de disciplinas que pueden influenciar de manera positiva los aspectos medio ambientales, o por ejemplo la planeación y la respuesta a emergencias. Las comunidades GIS y AEC encontraron que tanto IFC como CityGML contienen elementos que se traslapan y que por tanto pueden llegar a constituir un eslabón de integración entre los mundos de los sistemas de información geográfica y los sistemas de modelado de edificaciones. Para tal efecto se plantea la necesidad de llevar a cabo un análisis de las entidades comunes a las 2 especificaciones (IFC y CityGML) que arroje luces sobre la forma en que pueden ser integrados, la presente investigación busca la generación de CityGML con base en IFC como base para permitir dicha integración..

(17) La investigación presentada tuvo su origen en el plan de desarrollo institucional de la Universidad Francisco José de Caldas, en ese plan se contempla el crecimiento de la universidad con el fin de brindar mejores condiciones educativas a los estudiantes y ampliar la cobertura académica. Una de las estrategias para lograr esto es la utilización de tecnologías BIM que faciliten las labores de planeación y visualización de las instalaciones existentes y que planean construirse en un futuro cercano. El documento de informe de investigación se estructuró de la siguiente forma:        . Capítulo 2, Problema de Investigación: presenta el detalle del problema investigado, los objetivos, metodología y el alcance propuesto. Capítulo 3, Interoperabilidad CAD/GIS/BIM: documenta el estado de la interoperabilidad CAD/GIS/BIM en el momento de abordar la investigación. Capítulo 4, Procedimiento de generación de CityGML con Base en IFC: Muestra el procedimiento propuesto junto al marco conceptual necesario para su desarrollo, también se describen los antecedentes de la investigación. Capítulo 5, Materiales, herramientas y métodos: enumera de forma generalizada las herramientas utilizadas en el proceso de generación de CityGML con base en IFC. Capítulo 6, Resultados: expone de forma concreta los resultados encontrados en la investigación: un procedimiento, un modelo y una librería. Capítulo 7, Discusión y trabajos futuros: se razona acerca de la investigación realizada y se proponen trabajos futuros que puedan desprenderse de la misma. Capítulo 8, Conclusiones: Detalla las conclusiones que arrojó la investigación realizada. Anexos: Se detalla a nivel técnico la librería desarrollada.. 17.

(18) 2. PROBLEMA DE INVESTIGACION Existe una necesidad de integración entre las comunidades involucradas con los sistemas de información geográfica, la arquitectura, la ingeniería y la construcción. Se busca en la actualidad un mecanismo que facilite la utilización de la información de edificaciones y que permita un mayor grado de interoperabilidad. La solución a esta necesidad involucra el análisis de aspectos como la integración CAD / GIS / BIM tomando como base el estándar IFC, la geometría computacional y los modelos 3D. Se puede pensar básicamente en 2 enfoques para visualizar el aporte a la educación que la investigación presentada trae implícitos. El primer enfoque se refiere al aporte realizado al diseño de edificaciones de carácter educativo, que puede mejorarse al integrar los sistemas GIS con sistemas de diseño de edificaciones permitiendo así un trabajo coordinado de los interesados en las diferentes áreas de la edificación, tales como iluminación, ventilación, apariencia, etc. El segundo enfoque se refiere al aporte que se hace al cuerpo del conocimiento que consiste en explicar en detalle cómo genera CityGML con base en IFC. El hecho de no estudiar el problema planteado implicaría un potencial vacío en las técnicas de modelado de edificaciones y en el análisis de fenómenos urbanos e incluso afectaría potencialmente el desarrollo futuro de las distintas áreas relacionadas con la información geográfica de las ciudades tales como la planeación, la simulación o la respuesta a emergencias. Otro de los aspectos negativos de descartar el estudio de la problemática planteada sería el potencial estancamiento tecnológico de los sistemas de información geográficos basados en estándares abiertos, tales como GML y CityGML. 2.1. PREGUNTA DE INVESTIGACION Teniendo como base los planteamientos presentados anteriormente se definió la pregunta de investigación de la siguiente forma: ES POSIBLE GENERAR CITYGML CON BASE EN IFC? 2.2. OBJETIVOS 2.2.1. Objetivo General Apoyar la creación de un modelo digital para la planificación y el diseño urbano.. 18.

(19) 2.2.2. Objetivos Específicos Comprender la estructura de diseño de GML. Estudiar el modelo de CityGML para comprender sus distintos componentes. Analizar el modelo de IFC para determinar las entidades clave que puedan permitir le generación de CityGML. Desarrollar y probar una herramienta que permita convertir IFC a CityGML de manera automatizada. Generar CityGML LOD1 con base en IFC. (Se llegó hasta nivel 3) 2.3. DISEÑO METODOLÓGICO La investigación planteada presenta características relacionadas con la ingeniería de software en cuanto a que pretende comprobar la posibilidad de implementar una herramienta que permita comprobar el proceso de generar CityGML LOD1 con base en IFC. Los métodos de investigación tradicionales no son siempre directamente aplicables a este tipo de investigación (Marcos 2005), razón por la cual se ha optado por definir un diseño metodológico completamente basado en la propuesta realizada al respecto en la universidad Rey Juan Carlos y publicada por la ACM en “The ACM Special Interest Group on Software Engineering”. La ingeniería de software difiere de las ciencias formales, humanas y naturales en los tipos de fenómenos estudiados, la ingeniería de software estudia métodos y técnicas para la creación de nuevos objetos en tanto que las otras ciencias se ocupan de estudiar objetos o fenómenos ya existentes, las ciencias se ocupan de lo natural en tanto que la ingeniería con el dominio de lo artificial. Se puede clasificar la investigación en ingeniería de software en tres tipos: Ciencias de la Ingeniería del Software, Ciencias del Software y Ciencias de los Sistemas de Información. Las primeras se ocupan de cómo crear el software, las segundas estudian el software y las técnicas, modelos y métodos que permiten crearlo, las terceras se ocupan de cómo implementar y usar el software y/o las técnicas y modelos que permiten crearlo. Respecto al objeto de estudio: en las ciencias empíricas y formales se busca encontrar respuesta a diversos interrogantes mediante el estudio de objetos o fenómenos existentes. En la ingeniería construyen nuevos objetos que son susceptibles de ser investigados, de esta forma la investigación en ingeniería no busca exclusivamente saber sobre los objetos sino que su investigación puede centrarse en el "saber cómo" se construyen estos nuevos objetos.. 19.

(20) La presente investigación puede asociarse a las ciencias de la ingeniería de software, puesto que busca la creación de software, busca resolver la pregunta de si es posible acometer una tarea específica (la generación de CityGML con base en IFC) y busca también entender los componentes involucrados y el procedimiento necesario. Tradicionalmente se conocen métodos de investigación cuantitativos y cualitativos, para la presente investigación se recurre a un tercer tipo de métodos propuesto recientemente, los métodos creativos, en los que el investigador hace especial uso de herramientas como la imaginación, premonición y visualización. Con lo anterior, la metodología propuesta se estructura en las siguientes fases propuestas en (Marcos 2005): . Búsqueda de documentación: La búsqueda de documentación incluye: documentación a cerca del problema a resolver y documentación relacionada con el método de resolución.. . Determinación del problema: En esta etapa se trata de determinar y definir claramente, partiendo de los problemas sin resolver dentro de nuestro campo de conocimiento, el problema que se va a abordar.. . Creación de la hipótesis: Recuérdese que el objeto de estudio en este tipo de ciencia es la construcción de nuevos objetos (modelos, técnicas o, como en nuestro caso de estudio, métodos), que, por no existir, no son susceptible de experimentación. La hipótesis en Ciencias de la IS se formulará como la descripción del nuevo objeto que se desea construir.. . Definición del método de trabajo Es preciso elegir el paradigma metodológico que se va a seguir (cualitativo, cuantitativo, creativo).. . Resolución, validación y verificación: Es necesario realizar, de un modo muy simplificado, las siguiente actividades: especificación del proceso de desarrollo de software, especificación de actividades a realizar en el mismo, especificación de las técnicas a utilizar. o Resolución: mediante el análisis de casos de estudio y un proceso de imaginación y creatividad. o Verificación: mediante la implementación de un prototipo que permita eliminar ambigüedades y verificar su corrección o Validación: mediante su aplicación en casos de prueba.. 20.

(21) . Análisis de resultados: Se trata de contrastar la hipótesis planteada al comienzo de la investigación con los resultados obtenidos de ésta. Se debe comprobar hasta qué punto se han cumplido los objetivos y en qué medida se ha resuelto el problema. En esta fase es muy importante delimitar los aspectos que no se han podido resolver y otros nuevos problemas que hayan surgido como consecuencia de la investigación y que pasarán a ser puntos de partida de nuevas investigaciones.. . Redacción del informe final: Consiste en la redacción del informe en el que se expone, paso a paso, la investigación realizada. En él se detalla: hipótesis, método de investigación, conclusiones, bibliografía y cualquier otro dato que se considere de relevancia para la comprensión y evaluación del trabajo realizado.. 2.4. ALCANCE El objetivo de la investigación se centra en la generación de IFC con base en CityGML, teniendo esto presente se delimitó el alcance. Dado que tanto IFC como CityGML son estándares internacionales que se componen de una vasta cantidad de elementos estructurales es necesario centrarse en aquellos que sean críticos para la investigación. Con IFC se pueden modelar edificaciones al más mínimo detalle, incluyendo desde elementos estructurales como paredes, pisos, vigas, ventanas o puertas hasta redes de suministro de servicios. Con CityGML se pueden modelar áreas urbanas incluyendo desde topología del terreno, hasta edificaciones detalladas con elementos estructurales como vigas y paredes hasta mobiliario como sillas y mesas. La investigación se basó en tomar un modelo específico de una edificación en IFC (caso de estudio detallado en el numeral 2.5) que incluye elementos netamente estructurales y generar CityGML, que permite obtener una representación básica de la edificación, la cual puede ser de utilidad en estudios de áreas metropolitanas extensas, como es el caso de sistemas de transporte urbano o análisis de inundaciones, entre otras. A futuro, en trabajos posteriores al presentado podría refinarse la conversión del modelo de tal forma que se incremente el número de elementos involucrados en la conversión y se pueda así generar modelos más detallados y con un mayor rango de aplicación. 2.5. CASO DE ESTUDIO PROPUESTO En la Universidad Distrital se llevó a cabo un proceso de modelado del edificio Sabio Caldas, dentro el marco investigativo de la maestría en Ciencias de la Información y las. 21.

(22) Comunicaciones. Este proceso fue liderado por el docente José Nelson Pérez Castillo, director de la investigación presentada. El modelo del edificio se ha realizado en herramientas de CAD 3D de la alta tecnología, las cuales brindan la posibilidad de exportar al estándar IFC, que finalmente se convierte en el insumo base de la investigación planteada. En la figura 1 se puede apreciar una representación del modelo tridimensional del edificio Sabio Caldas, enfocado en la entrada de estudiantes.. Figura 1: Modelo 3D del edificio Sabio Caldas Fuente: el autor. Se propuso tomar como base el mencionado modelo de edificación para realizar la generación de CityGML. El modelo fuente incluye únicamente elementos estructurales con la finalidad de dar validez al alcance propuesto.. 22.

(23) 3. INTEROPERABILIDAD CAD/GIS/BIM La humanidad recientemente ha tomado conciencia de los riesgos que involucran la explotación desmedida de los recursos naturales, se han impulsado diversos esfuerzos a todo nivel para lograr un uso más eficiente de los mismos minimizando el impacto negativo sobre los ecosistemas y la industria de la construcción no es ajena a tales esfuerzos y ha presentado el concepto de construcciones verdes, las cuales pretenden optimizar la utilización de los recursos en todas las fases de los proyectos y de esta forma garantizar una mejor relación con el entorno ambiental sobre el cual se edifica. En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas se utilizan los modelos informáticos como apoyo al plan del desarrollo institucional para facilitar el diseño previo de las nuevas edificaciones y como puerta de entrada al mundo de las construcciones verdes, se ha encontrado al elaborar estos modelos que existe una necesidad de integración con el ámbito geoespacial que permita geolocalizar los diseños, visualizar la edificación y reducir los riesgos (Pérez and Rodriguez 2009) durante la construcción. Un análisis de la literatura relativa a la integración de sistemas de información geográfica y arquitectura, ingeniería y construcción permitió la creación del mapa temático mostrado en la figura 2, el cual sintetiza la perspectiva global de la interoperabilidad CAD/GIS/BIM y propone una estructura de marco conceptual para la investigación. 3.1. Construcciones verdes y Visualización 3D El Green Building es parte de una respuesta global a la influencia creciente de la actividad humana en el calentamiento global. Las edificaciones son responsables por más del 40% de todas las emisiones de dióxido de carbono, uno de los principales culpables del fenómeno del calentamiento (Yudelson 2007). Las naciones desarrolladas necesitan liderar la reducción de emisiones de dióxido de carbono de manera ejemplar, y hay razones para creer que no es solamente una responsabilidad social sino que también será un buen negocio puesto que el mundo entero está interesado en adoptar tecnologías que permitan reducir las emisiones. Las edificaciones verdes también representan una forma de atacar la desigualdad de la distribución global de recursos puesto que consumen menos recursos y por tanto son más económicas y eficientes de operar, son buenas para el ambiente. Características tales como techos verdes (que poseen vegetación) enfatizan la sensibilidad a la preservación del hábitat urbano.. 23.

(24) Figura 2. Mapa temático de la investigación Fuente: el autor. 3.1.1. Principios de la Construcción Verde La construcción verde es una práctica que busca el diseño y construcción de edificaciones que sean amables con el medio ambiente mediante el aprovechamiento eficiente de la energía, para tal fin se basa en 4 principios (Woolley et al. 1997):    . Reducir la utilización de energía Minimizar la polución externa y el daño ambiental Reducir el gasto de recursos Minimizar la polución interna y el daño a la salud. Para el 2010 se calculó que existirían edificaciones diseñadas para reducir el consumo de energía a un 50% de los niveles empleados en el 2005 con la ayuda de técnicas de diseño 24.

(25) integrado y enfoques tecnológico innovadores. Los arquitectos y demás profesionales involucrados en la industria del diseño y la construcción han comenzado a tomar acciones positivas en pro del medio ambiente (Yudelson 2009). 3.1.2. Visualización La geovisualización es un medio eficiente y efectivo para la transferencia de conocimiento espacial. Junto con técnicas de interacción apropiadas tales como navegación o edición, permite al usuario humano percibir, evaluar, y analizar fácilmente geoinformación e información con referencia espacial. El desarrollo urbano depende en gran medida de la cooperación entre política, economía y sociedad para alcanzar los objetivos de la sostenibilidad. La visualización es percibida como una herramienta exhaustiva para el análisis de datos abundantes, complejos y con poca estructuración y también como medio de comunicación efectivo. En la planeación el componente de visualización no es solamente significativo sino también indispensable. A pesar de su rol esencial en la planeación la literatura en tecnologías de visualización no ha evolucionado más allá del uso de sistemas de información geográfica (Steinebach and Guhathakurta 2009). La comunicación y la visualización están en el corazón de los sistemas de planeación. El raciocinio para la visualización en la planeación y el diseño está basado en tres premisas. Primera, es necesario entender las posibles consecuencias para considerar múltiples puntos de vista; segunda, el entender información compleja acerca de la planeación y diseño urbanos puede facilitarse si es visualizada; tercera, la visualización ayuda a comunicarse con otros (Duhr et al. 2005). Recientemente se ha generado una revolución en la producción y distribución de artefactos digitales que representan visualmente el entorno urbano y facilitan su consulta y visualización (Dodge et al. 2008). La visualización tridimensional habilita al usuario para sumergirse en los entornos digitales y en el caso de los modelos urbanos la mayoría son generados con herramientas CAD (Batty 2008). En la arquitectura, ingeniería y la construcción, la información se presenta frecuentemente de manera gráfica mediante modelos que visualizan la configuración espacial de las edificaciones (Yan 2006), sin embargo, la información gráfica tiene dos limitaciones principales, la primera que no es suficiente para evaluaciones automatizadas de diseño y la segunda la dificultad para ser compartida entre profesionales de las diversas áreas relacionadas. 3.1.2.1. Representación 3D: Los sistemas de información geográfica han probado que los fenómenos del mundo real pueden ser modelados eficientemente con modelos de datos 2D (puntos, líneas, polígonos para vectores y grillas para imágenes), sin embargo existen situaciones en las cuales se 25.

(26) requiere de modelos 3D o nD. El desarrollo de modelos 3D ha sido foco importante de investigación en la comunidad GIS (Kasccaemsuppakorn et al. 2010). Las principales técnicas de representación de objetos en 3D son: descomposición en celdas (del espacio), barrido (extrusión de formas 2D), teoría de conjuntos (combinación de primitivas 3D) y representación de frontera (o la “piel” de los objetos) (Stroud 2006). La representación de frontera (Boundary Representation, BRep) modela un objeto mediante la combinación de primitivas predefinidas como punto, arco, cara y volumen (Abdul-Rahman and Pilouk 2008), se representan los objetos utilizando límites. La BRep es ampliamente utilizada en aplicaciones de tipo CAD (Worboys and Walton 2008). Las aplicaciones AEC generalmente manejan sistemas de coordenadas euclidianas locales donde todos los planos son llanos (Herring et al. 2008). Con el rápido progreso de los sistemas de información geográfica y las tecnologías de la computación ubicua, el espacio con el que se trabaja ya no se limita a los exteriores sino que se extiende hasta los espacios interiores (Li 2008). Otra tendencia actual es la implementación de infraestructuras de datos espaciales 3D, para lo cual el Open Geospatial Consortium (OGC) ha propuesto la implementación de un servicio web de modelos 3D, que sería el componente central de visualización (Basanow et al. 2008). El OGC ha planteado la creación de un servicio de visualización 3D (W3DS) que permitirá representar y servir escenas tridimensionales, la información deberá ser servida en formato X3D para garantizar compatibilidad con herramientas que soporten este estándar (Kolbe and Schilling 2010). Los datos CityGML fuente de los modelos 3D pueden ser publicados mediante interfaces de servicios web de entidades (Web Feature Service, WFS) que en la actualidad son ampliamente aceptadas e implementadas por distintos paquetes de software (Mas et al. 2006). 3.2. INTEROPERABILIDAD EN EL DOMINIO DE LA CONSTRUCCIÓN 3.2.1. IFC Es un modelo desarrollado desde 1996 por la Alianza Internacional para la Interoperabilidad (International Alliance for Interoperability, IAI) para facilitar la el intercambio de información, fue estandarizado mediante la norma ISO/PAS 16739 (IFC). Es un modelo semántico para edificaciones y terreno, desarrollado para el dominio de la arquitectura, ingeniería y construcción, es importante resaltar que IFC es un modelo de datos de edificaciones y por tanto difiere de los modelos de datos puramente geométricos. Un modelo de datos en cualquier dominio describe los atributos de las entidades en ese dominio al igual que las relaciones existentes entre dichas entidades. Debido a que todos los programas de computador trabajan con algún tipo de datos deben contar con algún modelo de datos subyacente. Las aplicaciones CAD 2D tradicionales y algunos programas 26.

(27) de modelado 3D genéricos representan internamente los datos usando entidades geométricas como puntos, líneas, rectángulos y planos. Así, en tanto que esas aplicaciones pueden describir con exactitud la geometría en cualquier dominio, no pueden capturar información específica del dominio acerca de las entidades. Para superar las limitaciones de las representaciones geométricas de propósito general, cada industria relacionada con el diseño ha estado desarrollando modelos de datos basados en objetos que son específicos a su dominio. En el caso de la industria de la construcción esto se traduce en un modelo de datos que está construido con base en entidades y relaciones. La Geometría es solamente una de esas propiedades entre otras que poseen las entidades de construcción. El modelo de datos es rico en información acerca de la edificación y puede utilizarse para propósitos variados tales como documentación, visualización o análisis (Khemlani 2004). Un ejemplo simple pero clave de la diferencia entre un modelo de datos geométrico y un modelo de datos de edificaciones es la representación del espacio. Las aplicaciones CAD 2D y 3D tradicionalmente no representan el espacio porque no existe como una entidad física distinguible. Sin embargo una entidad espacio será parte integral de un modelo de edificación, e incluirá las relaciones apropiadas con muros, cielos rasos, pisos etc. 3.2.1.1. El esfuerzo de desarrollo del modelo IFC Aunque las aplicaciones basadas en modelos geométricos continúan siendo ampliamente usadas en la industria de la arquitectura, ingeniería y construcción son a la vez responsables de su lento progreso y es por esa razón que se hizo necesario desarrollar un modelo de datos específico para las edificaciones. El esfuerzo de desarrollo de IFC fue paralelamente cercano a otro modelo conocido como STEP (STandard for The Exchange of Product model data) iniciado en 1984 por la ISO que estaba enfocada en definir estándares para la representación e intercambio de información de productos en general. Actualmente el modelo IFC continúa relacionado al estándar STEP utilizando varias de sus definiciones de recursos y utilizando el mismo lenguaje de modelado (EXPRESS) para desarrollar y definir el modelo. La primera versión de IFC fue publicada en 1997 y cada una de las versiones subsecuentes ha agregado capacidades para representar más entidades y más relaciones del ciclo de vida de las edificaciones. 3.2.1.2. Arquitectura del modelo IFC El modelo IFC representa no solamente componentes tangibles de las edificaciones como muros, puertas, vigas, techos, mobiliario, etc. sino que también incluye conceptos más 27.

(28) abstractos como planificadores, actividades, espacios, organización, costos, etc. en forma de entidades. Todas las entidades pueden tener un número de propiedades como nombre, geometría, materiales, acabados, relaciones, etc. La arquitectura de IFC está compuesta por 4 capas principales: dominios, interoperabilidad, núcleo y recursos (IAI 1999). Cada capa comprende diversas categorías y cada categoría contiene entidades individuales definidas (Kiziltas et al. 2010). Los modelos IFC pueden ser intercambiados usando XML o archivos en formato PART 21. El formato PART 21 se especifica en la norma ISO 10303-21:2002, que a su vez hace parte de la norma ISO 10303 conocida como estándar para intercambio de modelos de producto (Standard for The Exchange of Product model data, STEP), la cual buscaba facilitar el intercambio de información de productos entre sistemas de diseño asistido por computador (Wilson 1998). 3.2.1.3. Futuro de IFC El esfuerzo de desarrollo de IFC continuará de forma constante y buscará seguir siendo certificado como estándar por la ISO (actualmente es la norma ISO/PAS 16739:2005) con el fin de que los fabricantes de software puedan tomarlo como referencia. Con la industria moviéndose lenta pero irrevocablemente hacia modelado de información de edificaciones, IFC se ha convertido en formato crítico para intercambio de datos basado en modelos en el ámbito de la construcción 3.2.2. Problemas en el modelado de edificaciones Usualmente los proyectos de construcción de edificaciones involucran la colaboración de múltiples participantes: clientes, contratistas, usuarios finales, etc. Existen diferentes enfoques de colaboración y se intercambian grandes cantidades de datos entre los participantes durante las diferentes etapas del proyecto como requerimientos, descripción, trazado, presupuesto, etc. El intercambio de modelos de edificación presenta una serie de problemas (Jørgensen et al. 2008):   . Los involucrados crean y usan diferentes partes de la edificación, las cuales se enfocan en disciplinas distintas. Se manejan diferentes modelos de edificación con diferentes herramientas, esto puede conducir a datos redundantes y frecuentemente se deben actualizar manualmente todos los modelos. Distintas herramientas de diseño manejan diferentes representaciones de edificaciones y formatos propietarios. El intercambio de archivos al usar dichos formatos requiere interfaces de software, de lo contrario se debe repetir trabajo.. 28.

(29)  . Siempre existe el riesgo de que las operaciones de mantenimiento sobre datos redundantes lleven a inconsistencias. Muchos recursos pueden perderse innecesariamente al ejecutar trabajo extra cuando se tienen datos inconsistentes.. 3.2.3. IFC / BIM En la actualidad se utiliza software de tipo CAD para todo tipo de actividades, desde la creación de productos de consumo masivo hasta el diseño de naves espaciales, la tecnología CAD brinda a sus usuarios la mejor opción para trabajar con elementos geométricos que sirven como base para la construcción de estructuras complejas. BIM es la sigla de Building Information Modeling que se traduce como modelado de información de edificaciones, como su nombre sugiere este modelo facilita el diseño de edificaciones en 3D e involucra todos los aspectos relacionados con este proceso, ayudando a minimizar los problemas de comunicación entre los miembros del equipo que diseña la edificación. Los sectores de la arquitectura, la ingeniería y la construcción hacen uso intensivo de herramientas CAD para el diseño de edificaciones debido a la alta complejidad que esta tarea implica. Existe un estudio publicado en 2008 (Kiviniemi et al. 2008) que analiza el estado que en el campo del diseño de edificaciones basado en CAD y utilizando BIM. A continuación se presentan algunos de los aspectos revelados por ese estudio. El estudio mencionado se llevó a cabo en Dinamarca, Finlandia, Holanda, Noruega, y Suiza. Estos países son claves puesto que son los que más han trabajado en el tema de interoperabilidad CAD/GIS/BIM. La mayoría de los encuestados pertenecen al IAI y a SmartBuilding. Se encontró que BIM está bien establecido entre los vendedores de aplicaciones CAD, es decir que hay un soporte para este tipo de modelado y que este soporte tiende a ser cada vez mayor. El hecho de que se tenga soporte para BIM facilita que se pueda compartir información bajo este modelo, pero este compartir necesita estándares abiertos que puedan ser entendidos por cualquier involucrado en dicho intercambio de información. El estudio ha encontrado que BIM está siendo usado cada vez con mayor frecuencia y que los arquitectos son los profesionales que más están aplicándolo. Con la aparición de BIM emergió una nueva oportunidad: la comunicación basada en un modelo para explotar el valor de la información que contiene (Várkonyi 2009). La interoperabilidad y el diseño sostenible son discutidos frecuentemente de forma independiente, sin embargo el valor y significado del paradigma de interoperabilidad es demostrable más efectivamente cuando se relaciona con estrategias de diseño para la sostenibilidad y eficiencia energética (Thoo 2008). Uno de los aspectos más significativos. 29.

(30) de BIM, es su habilidad para capturar la descripción de una edificación en un formato semánticamente inteligente, que puede ser analizado para estudiar diferentes aspectos de desempeño como por ejemplo el uso de energía, de ahí su correlación natural con las edificaciones verdes (Khemlani 2007). Las firmas productoras de software CAD se esfuerzan por establecer métodos de colaboración y desarrollo consistentes y confiables y para estas tareas IFC es el estándar ideal para trabajar con modelos digitales de edificación (Sanders 2004). La IAI ha definido un estándar que es actualmente la base para el intercambio de información BIM, dicho estándar recibe el nombre de IFC (Industry Foundation Classes) el cual fue diseñado con anterioridad a la aparición de BIM y brinda un modelo para hacer representar los componentes relacionados con las edificaciones. La versión actual de IFC es la 2x3 y se ha adicionado una extensión a denominada IFG que incluye aspectos relacionados con los sistemas de información geográfica, tales como la georreferenciación. Entre las principales aplicaciones CAD que se encontraron como las más usadas para arquitectura se pueden listar:       . ArchiCAD AutoCAD Architecture Revit Architecture Gehry Digital Project Vectorworks Architect (Nemetschek) Bentley Architecture DDS CAD House Partner. Adicionalmente se encontraron los siguientes resultados cuando los participantes del estudio respondieron a la pregunta ¿Cuál de las siguientes técnicas usa en su trabajo de diseño? Se observa en la figura 3 que la técnica más difundida es el CAD y que tanto IFC como BIM están creciendo respecto al volumen de utilización. El estudio ha encontrado que BIM está siendo usada cada vez con mayor frecuencia y que los arquitectos son los profesionales que más están aplicándolo.. 30.

(31) Figura 3: Técnicas utilizadas en diseño de edificaciones Fuente: (Kiviniemi, Tarandi, Karlshøj, Bell and Ole 2008). 3.3. INTEROPERABILIDAD CONSTRUCCIÓN – GIS 3.3.1. IFC/GML La IAI ha creado un proyecto denominado IFG cuyo propósito es involucrar a los sistemas de información geográfica dentro del esquema IFC, IFG está en capacidad de ofrecer las siguientes funcionalidades (Wix 2006), que en el IFC original no están presentes:       . Edificaciones y espacios Sistemas de distribución Sistemas de coordenadas Figuras Geometría calificada Modelado del terreno Proximidad. 31.

(32) 3.4. INTEROPERABILIDAD EN EL DOMINIO GEOESPACIAL Se entiende por interoperabilidad la habilidad de dos o más sistemas o componentes de intercambiar y utilizar la información (Kosanke 2006). La interoperabilidad permite facilitar la costosa práctica de integrar cada sistema existente con cada sistema y versión nuevos (Sciences 2007). En general puede ser analizada en diferentes capas de abstracción, las cuales deben ser resueltas para llegar a una interoperabilidad completa (Harmelen 2008), dichas capas son: la física, que contempla desde voltajes electrónicos, hasta protocolos de comunicación, la sintáctica, que actualmente se basa en lenguajes de marcado y la ,semántica que se preocupa por las categorías y relaciones conceptuales, siendo esta última la más compleja. 3.4.1. Lenguaje de Marcado Geográfico (GML) GML es una codificación open-source basada en XML y orientado a la representación de objetos geográficos. Organizado como una jerarquía de features, colecciones y geometrías entre otras estructuras, los objetos GML son modelados a semejanza de las entidades del mundo real caracterizadas por propiedades y estados (Shekar and Xiong 2008). GML ha sido definido como un formato de almacenamiento e intercambio de información con el cual sistemas dispares pueden compartir datos geográficos comunes. GML fue desarrollado y publicado por el Open Geospatial Consortium (OGC) una entidad internacional formada por varias organizaciones públicas y privadas. El OGC adoptó XML como la base para el desarrollo de GML. Al obtener aceptación de la industria, gobierno y la academia la especificación GML ha sido incorporada como documento de la Organización Internacional de estándares (International Organization for Standarization, ISO). Con la aparición de GML 3.0 en 2003, el OGC hizo adiciones significativas al número y capacidades de sus esquemas. Debido a que los fenómenos del mundo real no se limitan a espacios uni o bidimensionales se agregó el soporte de features con geometría 3D compleja no lineal. Dos componentes importantes de la especificación GML son Feature y Feature Collection. Un Feature (o colección de features) puede ser un camino, un río, una edificación o cualquier entidad geográfica que necesite representación. Los Feature pueden tener varias propiedades definidas, tales como gml:location, gml:boundedBy o gml:LocationString. La clase abstracta gml:Geometry define objetos que pueden ser representados como puntos, curvas y polígonos. El centro de una región puede ser descrita como un punto que tiene la propiedad centerOf fijada en un valor dado. Un elemento puede ser identificado por su id,. 32.

(33) un nombre y una descripción. También puede ser asociado a un sistema de referencia espacial. GML ha encontrado muchos campos de aplicación incluyendo pero no limitándose a planeación y administración de recursos, dispositivos móviles y sistemas de respuesta a emergencias. 3.4.2. CityGML Los modelos de ciudades 3D virtuales han sido utilizados en el pasado principalmente para la visualización o exploración gráfica de paisajes urbanos. Actualmente, un número creciente de aplicaciones como simulaciones ambientales y de entrenamiento, planeación urbana y administración de instalaciones, administración de desastres y seguridad nacional o navegación personal requieren información adicional acerca de los objetos de las ciudades representados de forma estándar. El objetivo al desarrollar CityGML fue lograr un entendimiento y definición común de las entidades básicas, atributos y relaciones dentro de un modelo de ciudad 3D. Al proveer un modelo base, con entidades que son relevantes a muchas disciplinas, el modelo de ciudad puede convertirse en un puerto central desde el cual distintas aplicaciones pueden obtener información relacionada con su dominio. CityGML es un estándar internacional para la representación e intercambio de modelos de paisaje y ciudades 3D adoptado por el Open Geospatial Consortium. El modelo de datos detrás de CityGML se basa en la familia de estándares ISO 19100 y fue implementado como un esquema de aplicación para GML (Kolbe 2008). CityGML representa cuatro diferentes aspectos de los modelos virtuales de ciudad 3D, semántica, geometría, topología y apariencia. Todos los objetos pueden ser representados en hasta cinco niveles de detalle diferentes (del 0 al 4) y bien definidos con precisión y complejidad estructural incrementales. 3.4.2.1. Semántica El modelo semántico de CityGML emplea la familia de estándares ISO 19100 para el modelado de features geográficas. De acuerdo con ISO 19109 las feature geográficas son abstracciones de objetos del mundo real y pueden tener un número arbitrario de atributos espaciales y no espaciales. Los principios del modelado orientado por objetos pueden ser aplicados con el fin de crear jerarquías de especialización y agregación. La clase base de todas las clases temáticas es la clase abstracta CityObject. Los CityObjects pueden ser agregados para construir un modelo de ciudad el cual es una subclase de la superclase GML FeatureCollection. La clase pivote del modelo de edificación es AbstractBuilding de la cual se derivan dos clases no abstractas llamadas Building y BuildingPart. 33.

(34) 3.4.2.2. Geometría. CityGML utiliza un subconjunto del modelo de geometría de GML3 el cual es una implementación del estándar ISO 19107. De acuerdo a ISO 19107 y GML3 las geometrías de los features geográficos son representadas como objetos con identidad y subestructuras adicionales (geométricas). GML3 provee clases para primitivas geométricas que varían entre 0 y 3 dimensiones, geometrías compuestas 1D a 3D y geometrías agregadas 0D a 3D. Las geometrías volumétricas son modeladas de acuerdo a la representación de frontera (Boundary Representation, BRep) donde cada sólido es encerrado por una superficie cerrada (típicamente es una CompositeSurface) 3.4.2.3. Relación con otros estándares 3D Los modelos de ciudades 3D virtuales no son investigados exclusivamente en el contexto de los sistemas de geoinformación. El campo de la arquitectura, ingeniería, construcción y administración de instalaciones (AEC/FM) al igual que el campo de gráficas computacionales proveen sus propios estándares para la representación e intercambio de modelos 3D. 3.4.2.4. Modelado de Información de Edificaciones (BIM) / IFC IFC provee un modelo semántico detallado para representación de edificaciones 3D usando elementos constructivos como vigas, muros, etc. Al igual que GML, las geometrías de IFC son propiedades espaciales de los objetos semánticos. IFC posee un modelo de geometría muy flexible (representaciones de Geometría Constructiva de Sólidos [Constructive Solid Geometry, CSG], BRep y de barrido [Sweep]) pero no provee soporte para Sistemas de Coordenadas de Referencia (Coordinate Reference System, CRS). Debido a que el ámbito de IFC está restringido a edificaciones y sitios, no incluye clases de features topográficas como terreno, vegetación, cuerpos de agua, etc. IFC es un modelo semántico como CityGML pero con ámbito y escala diferentes. Los modelos IFC podrían ser convertidos a CityGML en diferentes niveles de detalle preservando la mayoría de la información semántica, sin embargo las geometrías CSG y Sweep deben ser convertidas a BRep. De esta forma los objetos IFC podrían ser traídos al contexto de modelos de ciudad dentro de sistemas de información geográfica o bases de datos espaciales y podrían entonces ser objeto de consultas espaciales y temáticas.. 34.

(35) 3.4.3. Caracterización de CityGML El estándar CityGML es en la actualidad la herramienta central en el ámbito internacional para compartir información geoespacial referente a modelos de edificios y ciudades. CityGML es un esquema XML que contiene las siguientes definiciones principales (Snowflake 2008):      . Modelos digitales de terreno ( TINs, rasters, saltos y líneas de esqueleto, Puntos de masa ) Sitios ( Edificios, Puentes, Vegetación, áreas, volúmenes, objetos aislados con clasificación de vegetación ) Cuerpos de agua ( Volúmenes, Superficies ) Instalaciones de transporte ( Estructuras grafo, Datos de superficies 3D ) Elementos de ciudad Objetos y atributos de ciudad genéricos. Adicionalmente CityGML provee un mecanismo de extensión que permite abarcar conceptos particulares que no se hayan incluido entre los elementos del modelo básico. En CityGML existen 5 niveles de detalle (La figura 4 muestra un ejemplo de algunos de estos niveles)     . LOD0 - Regional, landscape LOD1 - City, region LOD2 - City districts, projects LOD3 - Architectural models (exterior), landmarks LOD4 – Architectural models (building interiors). En el nivel 1 se tienen modelos de bloques derivados mediante la extrusión de planos de piso a una altura determinada, el nivel 2 lo constituyen modelos de bloques incluyendo geometrías de techos y alturas diferenciadas dentro de un mismo edificio, el nivel 3 incluye modelos detallados con elementos como ventanas y puertas y el nivel 4 incluye elementos como escaleras y detalles interiores (Döllner and Buchholz 2005). En CityGML existen relaciones explícitas entre la semántica de los objetos y su representación geométrica, de esta forma las entidades geométricas “saben” lo que son y las entidades semánticas “saben” donde están y cuáles son sus extensiones espaciales (Kolbe and Stadler 2008). Es claro que la información semántica es altamente beneficiosa, pero solamente si se conoce su relación con la geometría (Stadler and Kolbe 2007). Para cada dimensión existe una primitiva geométrica: un objeto cero dimensional es un punto, unidimensional es una curva, bidimensional una superficie y tridimensional un sólido (Kolbe et al. 2008).. 35.