Rendre le SIG et le BIM interopérables : défis et approches de normalisation

Le BIM vise le "passage" des activités de construction d'un travail individuel basé sur des plans papier à un travail collaboratif, assisté par ordinateur et basé sur des modèles numériques. Un tel changement de paradigme ouvre la voie à de nombreuses possibilités en matière de planification, de construction et de gestion de l'environnement bâti et ce de manière plus productive, ouverte et durable. Bien qu'il soit encore difficile de combler entièrement le fossé entre ces deux domaines, cet article montre comment il peut au moins être réduit en passant en revue les principales approches de normalisation en lien.

Le BIM est une méthode utilisant "une représentation numérique partagée d'un objet construit (y compris les bâtiments, les ponts, les routes, les usines de traitement, etc.) pour faciliter les processus de conception, de construction et d'exploitation afin de constituer une base fiable pour les décisions" (ISO 29481). L'approche BIM implique un échange d'informations numériques sur la base d'un modèle. Les différences entre le domaine du BIM et celui des SIG sont étudiées à la fois dans le domaine public et privé, mais aussi en termes de normalisation et ce à différentes échelles (régionale, nationale et internationale). Deux exemples sont les groupes de travail internationaux joints de l'ISO/TC 59/SC 13 - ISO/TC 211 JWG 14 "Interopérabilité SIG/BIM" et de OGC/buildingSMART "Integrated Digital Building Environment" ou IDBE. Tous deux comparent les approches de modélisation appliquées aux informations bâtiment et aux informations géographiques, identifient les obstacles concrets dans les processus d'échange de données entre le BIM et le SIG et élaborent des propositions de travaux de normalisation adressant ces obstacles.

Néanmoins, l'implémentation, l’usage et la compréhension du BIM varient en fonction des attentes spécifiques des utilisateurs,  les constructeurs privées et publiques, les développeurs de projet, les entreprises de construction, les gestionnaires de patrimoine, etc. Chaque acteur impliqué dans la construction d’un projet apporte ses propres objectifs, expertise et compréhension du problème. Effectivement, chaque acteur dans un projet d’architecture, d'ingénierie et de construction (AEC) a des besoins d’informations spécifiques. 

Les défis d’intégration de BIM et SIG

Quand les données géospatiales entrent dans le monde du BIM, cela offre un potentiel d’autant plus élevé qu’un fonctionnement en BIM « isolé » des données géospatiales. Cependant, un potentiel pareil amène également des attentes irréalistes des parties prenantes, attentes qui ne peuvent être satisfaites par les logiciels actuels, du fait des architectures système et des pratiques spécifiques associées à leurs domaines respectifs. De tels obstacles technologiques et organisationnels ne peuvent être surmontés qu’avec des normes ouvertes pour les données, les services et les processus. L’openBIM empêche le verrouillage des revendeurs et permet l’accès au marché pour les développeurs de logiciels agiles et innovants. Le modèle de données pour le BIM est ouvert et défini par la norme Industry Foundation Classes (IFC, ISO 16739). L'équivalent pour les SIG est le Geography Markup Language (GML, ISO 19136).

Même s'il existe plusieurs différences entre les méthodes et processus qui soulignent les deux approches, la tendance générale reste de les combiner pour profiter de leurs avantages cumulés. L’aboutissement d’une telle vision commune amènerait des résultats hautement productifs dans le domaine du BIM. En effet, asseoir une interopérabilité entre BIM et SIG offre des avantages en termes de planification du projet, notamment durant les phases de conception et de construction. Cependant, cette vision s’accompagne de plusieurs défis : a) un environnement de données commun et ouvert permettant la collaboration des parties prenantes b) des informations sur le cycle de vie et c) à un logique orientée objet.

a) Un environnement de données commun ouvert pour la collaboration

Le BIM n’est pas une base de données monolithique qui contient toutes les informations dans un modèle de donnée uniformément structuré avec une sémantique adéquate. Le terme “environnement de données commun” (Common Data Environment ou CDE) reste délibérément générique et peut désigner soit un simple fichier de système de stockage ou une infrastructure fédérée déployé en SaaS. Les fonctions critiques d’un tel CDE devrait permettre à l’information d’être accessible, d’être assigné à un processus, de les rendre versionnables et archivables, filtrables et interrogeables, etc.

CEN/TC 442 a lancé une proposition de standardisation européenne : ‘OpenCDE’. Son but est d’établir une interface de programmation d’application (API) uniforme pour un système d’architecture de CDE, qui jusqu’à présent était exclusivement propriétaire. La communauté géospatiale peut apporter une contribution majeure en raison de ses nombreuses années d’expérience avec les infrastructures d’informations distribuées (services de cartes web, services de caractéristiques web, etc.) et les services de métadonnées associés.

b) Les informations sur les cycles de vie

Il reste difficile de parvenir à une utilisation cohérente et homogène des informations d’un bâtiment tout au long de son cycle de vie. Les entreprises facturent leurs services dans la grille des phases de services et souvent n’ont aucun intérêt économique à transmettre des données. Toutefois, les propriétaires pourraient grandement bénéficier d’informations disponibles, correctes et structurées pendant la phase d’exploitation du bâtiment. Il sera donc important que le propriétaire ; et plus particulièrement les propriétaires publics ; conçoivent des spécifications pour le transfert continu d'informations à travers toutes les phases d’exploitation.

buildingSMART développe la méthodologie IDM (Information Delivery Manual) (ISO 29481) pour saisir et spécifier les processus et flux d’information durant le cycle de vie d’une installation. L’IDM englobe plusieurs cas d’utilisation, définis comme un ensemble de conditions d’échange (Exchange Requirement ou ER) qui détaillent les exigences sémantiques et géométriques de la livraison de données. Pour répondre à ces besoins techniques, les ER sont développés en tant que “définitions de vues de modèles” (Model View Definition ou MVD) pour décrire uniquement les sous-ensembles nécessaires du schéma complet de la Maquette Numérique au format IFC. Divers aspects des données géographiques et provenant de relevés techniques doivent être prise en compte dans ces documents. Pour cette raison, il est très important que la communauté géospatiale participe dans la mise en place de nouvelles réglementations BIM.

c) Passer à un logique orientée objet 

Le passage des plans de construction aux modèles 3D peuvent être comparé au passage des cartes au SIG. Le concept de géo-fonctionnalité correspond (en principe) à l'objet. Les objets de construction appartiennent à une classe IFC (e.g. IfcWall, IfcWindow, IfcColumn), ils sont identifiables au moyen d'identifiants uniques globaux (GUID), ils peuvent n'avoir aucune ou plusieurs représentations géométriques, appartenir à des zones spécifiques, avoir des relations topologiques avec d'autres objets et peuvent "porter" des propriétés spécifiques complémentaires, définies au travers des ensembles appelés IFC Property Set (ou PSet). Dans les applications BIM, un objet de construction est caractérisé par ses représentations géométriques (une par point de vue) et ses propriétés non géométriques. Par exemple, un mur peut être représenté soit en tant que segment reliant deux points, soit en tant que géométrie 3D. De plus, la représentation d'un mur évoluera au cours du cycle de vie du bâtiment, notamment après l'ajout de détails de construction ainsi que de données concernant son ingénierie, son planning ou même son coût.

Le schéma IFC a intentionnellement été créé avec une grande flexibilité. Cela signifie, en bref, que le standard contient un nombre important de types pour la géométrie et la sémantique. D’un côté, une telle flexibilité est bonne car elle réduit les problèmes potentiels liés à l'implémentation logicielle. Mais d’un autre côté, trop de "liberté" et trop de choix aux éditeurs de logiciels se traduisent par de nombreuses implémentations différentes, n’étant pas toutes interopérables. L’approche MVD vise à réduire cette complexité en spécifiant un sous-ensemble de concepts et propriétés du schéma IFC qui doit être vérifié par rapport à exigences spécifiques liées aux plans de livraison des maquettes numériques.

Les avantages d'une interopérabilité entre les domaines du géospatial et de la construction

L’ajout, à base de modèles, de la gestion des informations aux données géospatiales et de construction, ouvre de nouvelles opportunités d’optimisation des processus commerciaux. La liste des cas d’utilisation ci-dessous fournit quelques exemples des avantages à intégrer l’information dans les différentes phases de cycle de vie d’un bâtiment.

Phase de conception et de planification

• Visualisation des variantes de planification (Figure 2)
• De BIM au géospatial : Utilisation de modèles de construction pour l'analyse géospatiale, par exemple pour l'approbation du projet par les autorités, la simulation de trafic, l'impact environnemental
• Du Géospatial au BIM : Contexte géographique proche du bâtiment prévu, par exemple l’alignement sur les lignes parcellaires, le terrain et le sol, l’emplacement des raccordements du bâtiment (Figure 3)

Phase de travaux de construction

• Mise en place et guidage des machines
• Suivi de l'avancement des travaux
• Gestion des zones de chantier (par exemple, espace de stockage, traçabilité)

Phase d'exploitation et de maintenance

• Informations omniprésentes et unifiées sur les équipements/éléments intérieurs (modèle architectural en liaison avec les équipements techniques des bâtiments) et les équipements/ouvrages extérieurs (services publics, parcelles, arbres, chemins)
• Une gestion de patrimoine fiable et coordonnée ainsi qu’une maintenance prédictive
• Une navigation intérieure et extérieure combinée (Figure 4)

Les modalités d’intégration de l’informations

Dans sa mise en application concrète, le problème d'interopérabilité entre le domaine géospatial et celui de la construction présente de nombreuses facettes. Toutes doivent être vérifiées lors de la conception des processus de migration entre les données géospatiales et les données de construction, et vice versa. L'interopérabilité entre sources de données hétérogènes, BIM et SIG, signifie qu'il doit être possible d'analyser (de déduire) des informations qui, autrement, ne pourraient pas être déduites de sources de données séparées. Pour garantir un tel raisonnement sur des données hétérogènes, la question clé est l'interopérabilité sémantique. 

Une interopérabilité entre modèles peut être implémentée de trois manières différentes : les modèles peuvent être intégrés, unifiés ou fédérés (ISO 14258:1999). Les approches intégrées reposent sur la définition d'un référentiel commun. Tous les éléments des systèmes à intégrer doivent être décrits selon ce référentiel commun. Un exemple d'une telle approche est la norme STEP (ISO 10303-21:2002). Les approches unifiées s'appuient sur un méta-modèle commun à l'ensemble des modèles constitutifs. Le méta-modèle lui-même n'est pas destiné à l'exécution et peut aller d'un vocabulaire à une ontologie complète (représentation de la connaissance avec une sémantique formelle). Un tel méta-modèle permet de spécifier des équivalences sémantiques entre les éléments des modèles le constituant, et ainsi de traduire un modèle en un autre. Le manque de flexibilité associé aux approches d'unification apparait clairement (les équivalences pouvant être définies dépendant directement du méta-modèle). L'approche la plus intéressante, mais représentant aussi le plus grand défi, est celle de la fédération de modèles. Elle doit être appliquée dans des contextes où les systèmes sont trop différents pour permettre la définition d'équivalences sémantiques entre éléments les constituant. Ce type d'interopérabilité exige que les modèles soient reliés de manière dynamique, par le biais de liens sémantiques entre leurs concepts et relations. Cela permet de conserver les informations du modèle de domaine considéré et de les traduire dans d'autres modèles à la volée, par le biais de services. Un exemple d'une telle approche est constitué par l'architecture fédérée pour les ontologies OWL – FOWLA (voir la section "Lectures complémentaires").  Cette approche permet de fédérer des ontologies indépendantes et de les requêter comme un tout, avec un temps d'exécution de requêtes optimisé (voir "Lectures complémentaires" pour plus de détails à ce sujet et sur le problème d'interopérabilité SIG/BIM).

Le géoréférencement

Avec les bons paramètres de transformation, le modèle de construction peut être correctement placé dans un système de coordonnées géodésiques. Le thème du géoréférencement joue un rôle décisif mais est néanmoins mal mis en œuvre dans la pratique, c'est-à-dire d'une manière non conforme aux normes et techniquement insuffisante, même si l'IFC (à partir de la version 4) comprend des fonctionnalités de géoréférencement des modèles IFC. A ce sujet, les développeurs de logiciels doivent encore améliorer leurs produits. En outre, la norme IFC ne comprend pas une description claire de l'échelle géodésique considérée, ni un modèle conceptuel de données pour les points de levé et de l'inclusion d'attributs conformes aux SIG pour la transformation des données géodésiques, par exemple sous forme de chaîne WKT/proj4. 

Outre la mise en œuvre technique, une spécification détaillée du type et de la mise en œuvre du géoréférencement dans les prérequis d'échange BIM doit être établie, au niveau de la direction. À cet effet, LoGeoRef pourrait être utilisé pour communiquer (voir la figure 5) et vérifier le niveau de géoréférencement requis d'un modèle IFC entre les producteurs d'informations et les utilisateurs d’informations via une donnée simple.

La représentation spatiale 

Au niveau de la représentation spatiale, le défi concerne la complexité et la diversité des types de représentations géométriques et topologiques existant dans le BIM. Par exemple, nous pouvons citer la représentation des limites (B-Rep), la géométrie solide constructive (CSG), les modèles paramétriques ou encore les types de modèles hybrides. Il n'est pas trivial de déterminer quel type de représentation géométrique doit être adopté et dans quel contexte. La transformation d'un type à l'autre est en effet plus complexe qu'un simple mappage de schéma 1:1. En effet, les caractéristiques géospatiales sont le plus souvent représentées sous forme de primitives géométriques (e.g. points, lignes ou surfaces). Ces caractéristiques sont généralement mal prises en charge (en termes d'identification, visualisation, sélection ou encore analyse) par les logiciels BIM, principalement parce que le BIM se concentre davantage sur une représentation solide paramétrique de ces caractéristiques.

Des templates de données pour aligner les nommages et les objets

L'IFC (ISO 16739) fournit un modèle sémantique, exprimé avec un large éventail de types d'entités, d'énumérations de types et d'ensembles de propriétés prédéfinis. Le modèle sémantique peut être étendu avec des ensembles de propriétés génériques et en utilisant ce qu'on appelle des "building element proxy". Toutefois, la sémantique de cette extension définie par l'utilisateur n'est pas normalisée. En outre, l'IFC est conçue pour le transfert de modèles plutôt que pour l'expression de besoins d'information. 

Dans le but de parvenir à une sémantique harmonisée entre les domaines et les projets sans gonfler l'IFC et tout en restant indépendant de l'IFC, plusieurs normes pour les modèles de données de produits sont actuellement élaborées par des groupes de travail de l'ISO. Les normes en cours d'élaboration couvrent une taxonomie générale (ISO 12006-3, buildingSMART data dictionary), la structure générale des modèles de données (ISO 23387), le processus spécifique pour décrire, créer et maintenir les modèles de données (ISO 23386), des modèles de données spécifiques et une structure d'échange IFC pour les modèles de données de produits (ISO WI442018).

LoIN : Niveau de besoin d’information

Dans la pratique, la communication des exigences relatives au niveau de détail du modèle de bâtiment entraîne régulièrement des malentendus parce que les ingénieurs utilisent des termes différents ou parce que la signification réelle du terme "détail" n'est pas claire. C'est pourquoi un concept européen pour décrire le niveau de besoin d'information (LoIN) est normalisé dans le CEN/TC 442.

Dans le passé, le niveau de détail géométrique (LoD) était indirectement "implicite" en utilisant l'échelle du dessin. Lorsque l'on travaille avec des modèles basés sur la méthode BIM, le "détail" doit être défini de manière plus complexe : le niveau LoD couvre le détaillage, la dimension, la référence spatiale, la représentation graphique (l’apparence) et le comportement paramétrique des informations géométriques. En outre, le type d'identification de l'objet (nom, ID) ainsi que le type et la structure de la classification et les attributs de l'objet doivent être définis par le niveau d'information (LoI). Le niveau de documentation (DoC) régit la quantité et l'étendue des documents qui sont fournis en plus de la maquette numérique.

Voici des exemples pour réduire les écarts 

Du SIG au BIM

Les maquettes numériques des villes sont importées dans le BIM afin de visualiser le contexte géographique et de l'utiliser pour l'analyse BIM/géospatiale, comme l'analyse de la visibilité ou les calculs pour les permis de construire. En plus de ne pas supporter la sémantique du SIG, la représentation spatiale est très différente entre les deux modèles de données. La plupart des solides dans les SIG, représentant un bâtiment, sont de simples polygones. Actuellement, il n'existe pas de normes de qualité qui garantissent la génération de solides fermés. Cependant, cela est extrêmement important pour le BIM car une grande précision numérique est requise.

Du BIM au SIG 

Lors du téléchargement de maquette numérique de bâtiment simplifié dans un SIG afin de vérifier les impacts environnementaux ou sociaux sur diverses variantes de construction et de placement, la grande diversité des représentations géométriques BIM possibles rend difficile la transformation complète de tous les objets du BIM en SIG. Même la transformation d'une emprise au sol d’une maquette numérique BIM pour le SIG n'est pas facile, car l'algorithme doit sélectionner et croiser de nombreux éléments constitutifs, par exemple les murs extérieurs. Les ontologies et les technologies du web sémantique sont également utiles pour résoudre ce problème, car elles permettent de définir des concepts spécifiques à l'utilisateur à partir de ceux qui existent déjà. “L'enveloppe du bâtiment" ou “l’étage le plus élevé" sont des exemples de concepts qui peuvent être définis à l'aide de règles sémantiques. Une fois définis, ces concepts peuvent être consultés directement.

BIM et levés topologiques

La forme des éléments de construction, donnée comme modèle paramétrique ou CSG, doit être recalculée pour les travaux de construction, car les relevés, le guidage des machines et le suivi de l'avancement sont principalement liés à des points, et non à des objets représentés sous forme de solides. Les règles d'exportation des points/faces à partir de solides paramétriques ne sont pas définies de manière unique, ce qui peut entraîner des incohérences. L’intégration de points dans le BIM (par exemple pour les levés) ainsi que leur relation avec les composants/objets ne fait partie d'aucune norme. Cependant, les principaux fournisseurs d’outils topographiques fournissent dans leur logiciel des solutions pour les levés basés sur des maquettes numériques, qui permet notamment l’import d’IFC.

BIM et SIG pour l’exploitation et l’entretien de l’environnement bâti

La cartographie 3D est moyen transparent et simple pour la gestion d'installations et de bâtiment en utilisant des données intérieures/extérieures avec la même interface. L'écart entre le géospatial et la construction apparaît lorsque les mêmes objets du monde réel peuvent être stockés de manière redondante dans le BIM et le SIG, par exemple l’IfcSpace pour une pièce dans le BIM et un polygone dans une base de données SIG. Il n'existe pas de normes pour exprimer que les deux représentations géométriques représentent le même objet du monde réel.

Conclusion

De nombreuses lacunes qui se produisent dans la pratique peuvent être résolues avec les technologies existantes mais nécessitent une prise de conscience des possibilités et des difficultés systémiques. Les normes ouvertes développées par l'OGC, buildingSMART International, l'ISO et le CEN, ainsi que par les organisations nationales de normalisation, aideront à combler les lacunes entre le domaine de la construction et le domaine géospatial. Enfin et surtout, il faut améliorer la formation et le tutorat des professionnels, tout en mettant en avant la nécessité de nouveaux processus et modèles économiques qui répondent aux questions abordées dans cet article.

Lectures complémentaires

Tarcisio Mendes de Farias, Ana Roxin, Christophe Nicolle. FOWLA, A Federated Architecture for Ontologies. International Web Rule Symposium (RuleML 2015), Aug. 2015, Berlin, Germany. pp.97-111.

Ana Roxin, Elio Hbeich. Semantic Interoperability between BIM and GIS – review of existing standards and depiction of a novel approach. 36th CIB W78 – Information Technology for Construction, Sep. 2019, Newcastle, United Kingdom.

Christian Clemen, Hendrik Görne: Level of Georeferencing (LoGeoRef) using IFC for BIM, Journal of Geodesy, Cartography and Cadastre, 2019, pp.15-20

https://github.com/DD-bim/

BIM in Motion remercie vivement les auteurs de l’article Christian Clemen et Ana Roxin.

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