BIM技術(shù)在三維數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用

楊俊杰

摘 要：數(shù)字建筑作為數(shù)字城市的基本單元，是城市信息化進(jìn)程中的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)字城市三維模型提出了更高的要求。BIM作為數(shù)字城市的血肉，給數(shù)字城市帶來(lái)了生機(jī)。本文基于當(dāng)前數(shù)字城市建設(shè)中的不足，闡述了BIM與數(shù)字城市結(jié)合的兩種方式，并據(jù)此探討了BIM在建筑規(guī)劃、

室內(nèi)導(dǎo)航、地震逃生等方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BIM；數(shù)字城市；GIS

0 引言

當(dāng)前，數(shù)字城市是城市信息化建設(shè)的熱點(diǎn)，許多城市對(duì)此投入了極大的熱情和努力，也取得了良好的效果。利用現(xiàn)代化數(shù)字化方式管理城市，首先需要建立逼真精確的三維城市景觀。建筑作為城市的重要組成部分，數(shù)字化建筑已成為三維數(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容。

然而，在當(dāng)前的數(shù)字城市中，三維建筑模型僅僅是建筑物的表面模型，沒有對(duì)建筑物內(nèi)部空間進(jìn)行劃分，不包含建筑物的各種屬性信息，僅用于三維建筑外觀顯示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)三維建筑模型提出了越來(lái)越高的要求，為建筑增加更多信息才能讓數(shù)字地球、數(shù)字城市有"靈魂"。

建筑信息模型（BIM，全稱Building Information Model）是以三維技術(shù)為基礎(chǔ)，包含了建筑工程項(xiàng)目各種信息的工程數(shù)據(jù)模型。該模型包含了十分豐富的工程信息，如墻體所用的材料、表面的顏色、紋理以及墻體的重量、施工工藝、傳熱系數(shù)等信息。但是BIM理念所覆蓋的范圍是獨(dú)立的建筑個(gè)體，對(duì)于周圍環(huán)境的影響有極大的局限性。本文將探討B(tài)IM與數(shù)字城市的結(jié)合方式，以及BIM在建筑規(guī)劃、室內(nèi)導(dǎo)航、地震逃生等方面的應(yīng)用。

1 建筑信息模型

建筑信息模型是以三維技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，包含了建筑工程項(xiàng)目各種信息的工程數(shù)據(jù)模型，詳盡地表達(dá)了工程項(xiàng)目各相關(guān)信息。它包含了建筑物的幾何信息，也包含了建筑構(gòu)件的物理性質(zhì)和功能特性及相關(guān)的項(xiàng)目生命周期信息。

BIM能為設(shè)計(jì)人員提供很大的優(yōu)勢(shì)：①建筑信息模型軟件不再提供只能畫點(diǎn)、畫線、畫圓等繪制簡(jiǎn)單元素的幾何繪圖工具，而是在設(shè)計(jì)時(shí)直接調(diào)用放置墻體、門、窗、柱、梁等構(gòu)件工具，組成由建筑構(gòu)件組成的建筑信息模型，使設(shè)計(jì)過(guò)程變得非常輕松；②實(shí)現(xiàn)了建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備等專業(yè)之間的協(xié)同工作，建筑師、結(jié)構(gòu)師、設(shè)備師之間能夠共享必要的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)及變更時(shí)相互之間可以更好地溝通、協(xié)調(diào)。

目前，全球主要的工程設(shè)計(jì)軟件開發(fā)商都提供了采用BIM技術(shù)的設(shè)計(jì)軟件，如Graphisoft公司提供的ArchiCAD軟件、Autodesk公司提供的Revit軟件、Bentley Systems公司提供的TriForma軟件、Gehry Technologies公司提供的Digit Project軟件。

作為BIM的數(shù)字表現(xiàn)形式和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Industry Foundation Classes（IFC）標(biāo)準(zhǔn)是IAI（International Alliance of Interoperability）組織制定的建筑工程數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

IFC建筑部分的對(duì)象有IfcSite（場(chǎng)地）、IfcBuilding（建筑）、IfcBuildingStorey（樓層）、IfcColumn（柱）、IfcBeam（梁）、IfcSlab（樓板）、IfcWall（墻），IFC標(biāo)準(zhǔn)將空間結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次，即場(chǎng)地、建筑、樓層、空間。它們的相互關(guān)系如圖1所示：

在理論上，一個(gè)項(xiàng)目包含若干場(chǎng)地，一個(gè)場(chǎng)地包含若干建筑，一個(gè)建筑包含若干建筑樓層，而一個(gè)建筑樓層包含各種建筑構(gòu)件。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，一個(gè)項(xiàng)目往往直接包含若干建筑，建筑也可以不包含樓層，建筑構(gòu)件直接包含在建筑中。

IFC刻畫的建筑信息模型為數(shù)字化建筑融入數(shù)字城市提供了接口， IfcSite對(duì)象有三個(gè)用來(lái)描述坐標(biāo)信息的屬性：RelLatitude（地理坐標(biāo)中的緯度）、RelLongitude （地理坐標(biāo)中的經(jīng)度）和RefElevation （相對(duì)于海平面的高度）。

2 BIM與數(shù)字城市的結(jié)合

將BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用于三維數(shù)字城市建設(shè)中，包括兩種方式：①直接方式，即通過(guò)IFC解析器直接將建筑模型數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)中；②間接方式，即將IFC建筑信息模型轉(zhuǎn)換為CityGML數(shù)據(jù)，然后在數(shù)字城市中使用CityGML數(shù)據(jù)。

（1）直接方式

曹國(guó)、高光林、丘衍航等（2013）對(duì)此進(jìn)行了研究。他們基于WorldWind三維地理信息瀏覽平臺(tái)，闡述了GIS與BIM結(jié)合的技術(shù)路線。

他們認(rèn)為要想在WorldWind中在建筑內(nèi)部漫游，需要用到三維建筑漫游系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)作為WorldWind的一個(gè)獨(dú)立的插件，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)平臺(tái)的無(wú)縫銜接，當(dāng)建筑放大到一定比例進(jìn)入到三維建筑漫游系統(tǒng)時(shí)，用戶并不會(huì)感覺到兩個(gè)平臺(tái)的切換，這樣建筑就可以在宏觀和微觀下交換顯示。

兩個(gè)平臺(tái)通過(guò)共享地理空間位置進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，即對(duì)于三維建筑漫游系統(tǒng)里的任意位置，在WorldWind平臺(tái)中可以找到與之對(duì)應(yīng)的某一地理位置。基于此位置信息就可以獲取WorldWind平臺(tái)中此置的日照、海拔、氣候、地震等信息。

（2）間接方式

CityGML（City Geography Markup Language，城市地理標(biāo)記語(yǔ)言）是一種用來(lái)表示和傳輸城市三維對(duì)象的通用信息模型，它是最新的城市建模開放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)源自地理信息科學(xué)領(lǐng)域，用來(lái)存儲(chǔ)和交換虛擬城市三維模型。

CityGML對(duì)道路、建筑、水域、植被、綠地等描述進(jìn)行了定義。因?yàn)槠涿枋鰧?duì)象為整個(gè)城市，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑的細(xì)節(jié)描述十分有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及IFC的詳細(xì)程度。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的準(zhǔn)確、詳細(xì)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。這就需要借助開源的BIMserver軟件。

通過(guò)BIMserver可以創(chuàng)建一臺(tái)能使用IFC數(shù)據(jù)的服務(wù)器?？梢陨蟼鱅FC數(shù)據(jù)到服務(wù)器。該軟件分析文件中的數(shù)據(jù)并將其保存在底層數(shù)據(jù)庫(kù)中。BIMserver軟件的核心能理解IFC結(jié)構(gòu)，并支持使用IFC格式的BIM模型。BIMserver能導(dǎo)出CityGML，并根據(jù)官方GeoBIM擴(kuò)展添加IFC信息。endprint

3 BIM在數(shù)字城市中的應(yīng)用

這兩個(gè)系統(tǒng)融合之后的應(yīng)用領(lǐng)域很廣闊，包括城市和景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、旅游與休閑活動(dòng)、環(huán)境模擬、熱能傳到模擬、光照分析、反恐、車輛與行人導(dǎo)航、室內(nèi)導(dǎo)航等。

（1）三維城市建模

城市建筑類型各具特色，外形尺寸不同，外部顏色紋理不同等。如果采用"航測(cè)+地面攝影"，建模后期需要人工做大量貼圖；如果采用激光雷達(dá)掃描，價(jià)格昂貴，成本太高，而生成的建筑模型都是"空殼"，沒有建筑室內(nèi)信息，同時(shí)室內(nèi)三維建模工作量也很大，并且無(wú)法查詢和分析室內(nèi)空間信息。而通過(guò)BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及室內(nèi)空間信息。所以，通過(guò)綜合BIM和GIS，先利用建筑信息模型軟件對(duì)建筑進(jìn)行建模，然后將建筑空間信息與其周圍地理環(huán)境共享，可以極大地降低空間信息的成本。

（2）市政模擬

通過(guò)BIM和GIS融合可以有效地進(jìn)行建筑內(nèi)外管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時(shí)熱能傳導(dǎo)路線，以檢測(cè)熱能對(duì)其附近管線的影響。或者是當(dāng)管線出現(xiàn)破裂時(shí)，輔助決策者制定疏通引導(dǎo)方案，避免人員傷亡以及能源浪費(fèi)。

（3）室內(nèi)導(dǎo)航

目前，GIS行業(yè)中的學(xué)者都在試圖解決室內(nèi)定位這一難題，但是很多學(xué)者都是關(guān)注定位手段，如是采用Wi-Fi還是藍(lán)牙，是采用LFC還是NFC等等，而且一般室內(nèi)定位的地圖都是建筑的平面圖，甚至只是示意圖。如果采用BIM數(shù)據(jù)，這一問題就能夠得到很好的解決。通過(guò)BIM提供的建筑內(nèi)部模型，在配合定位技術(shù)可以進(jìn)行三維導(dǎo)航。

4 結(jié)論

BIM數(shù)據(jù)作為三維數(shù)字城市重要的數(shù)據(jù)源，將BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)中，給數(shù)字城市建設(shè)提供了新的思路。目前， BIM是一項(xiàng)新技術(shù)，數(shù)據(jù)源較少，隨著BIM的推廣應(yīng)用，BIM與GIS技術(shù)的融合必將為三維數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展注入新的生機(jī)和活力。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭仁忠，林亨貴.數(shù)字城市及其數(shù)字國(guó)土支撐[J].測(cè)繪通報(bào)，2008（9）：1-5.

[2]鄧德標(biāo)，方源敏，高晉寧.數(shù)字城市三維景觀模型的批量增加及管理研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2012（Z）：249-252.

[3]張瑞芝.BIM技術(shù)在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用研究[A].第三屆工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集[C]，2011.

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[6]高遠(yuǎn)，鄧雪原.基于BIM的建筑MEP設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（2）：91-96.

[7]劉烈輝.建筑信息模型與建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1（2）：83-86。

[8]張漢義，邱奎寧.IFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列文章之二： IFC標(biāo)準(zhǔn)形狀表達(dá)及空間結(jié)構(gòu)實(shí)例介紹[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（2）：83-86.

[9]徐銳.基于IFCXML的建筑數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2006.

[10] 【前沿】BIM+GIS=？And how？[EB/OL].http：//news.3snews.net/2013/1216/28330.html.

[11]BIMserver概要說(shuō)明中文版-BIMserver是什么？[EB/OL].http：//www.sketchupbbs.com/thread-74785-1-1.html.

[12]許嬌龍.基于CityGML的三維GIS關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[13]陳雅信.IFC建筑空間資料轉(zhuǎn)換至CityGML之研究[D].臺(tái)灣：國(guó)立交通大學(xué)，2010.endprint

3 BIM在數(shù)字城市中的應(yīng)用

這兩個(gè)系統(tǒng)融合之后的應(yīng)用領(lǐng)域很廣闊，包括城市和景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、旅游與休閑活動(dòng)、環(huán)境模擬、熱能傳到模擬、光照分析、反恐、車輛與行人導(dǎo)航、室內(nèi)導(dǎo)航等。

（1）三維城市建模

城市建筑類型各具特色，外形尺寸不同，外部顏色紋理不同等。如果采用"航測(cè)+地面攝影"，建模后期需要人工做大量貼圖；如果采用激光雷達(dá)掃描，價(jià)格昂貴，成本太高，而生成的建筑模型都是"空殼"，沒有建筑室內(nèi)信息，同時(shí)室內(nèi)三維建模工作量也很大，并且無(wú)法查詢和分析室內(nèi)空間信息。而通過(guò)BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及室內(nèi)空間信息。所以，通過(guò)綜合BIM和GIS，先利用建筑信息模型軟件對(duì)建筑進(jìn)行建模，然后將建筑空間信息與其周圍地理環(huán)境共享，可以極大地降低空間信息的成本。

（2）市政模擬

通過(guò)BIM和GIS融合可以有效地進(jìn)行建筑內(nèi)外管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時(shí)熱能傳導(dǎo)路線，以檢測(cè)熱能對(duì)其附近管線的影響?；蛘呤钱?dāng)管線出現(xiàn)破裂時(shí)，輔助決策者制定疏通引導(dǎo)方案，避免人員傷亡以及能源浪費(fèi)。

（3）室內(nèi)導(dǎo)航

目前，GIS行業(yè)中的學(xué)者都在試圖解決室內(nèi)定位這一難題，但是很多學(xué)者都是關(guān)注定位手段，如是采用Wi-Fi還是藍(lán)牙，是采用LFC還是NFC等等，而且一般室內(nèi)定位的地圖都是建筑的平面圖，甚至只是示意圖。如果采用BIM數(shù)據(jù)，這一問題就能夠得到很好的解決。通過(guò)BIM提供的建筑內(nèi)部模型，在配合定位技術(shù)可以進(jìn)行三維導(dǎo)航。

4 結(jié)論

BIM數(shù)據(jù)作為三維數(shù)字城市重要的數(shù)據(jù)源，將BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)中，給數(shù)字城市建設(shè)提供了新的思路。目前， BIM是一項(xiàng)新技術(shù)，數(shù)據(jù)源較少，隨著BIM的推廣應(yīng)用，BIM與GIS技術(shù)的融合必將為三維數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展注入新的生機(jī)和活力。

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[6]高遠(yuǎn)，鄧雪原.基于BIM的建筑MEP設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（2）：91-96.

[7]劉烈輝.建筑信息模型與建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1（2）：83-86。

[8]張漢義，邱奎寧.IFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列文章之二： IFC標(biāo)準(zhǔn)形狀表達(dá)及空間結(jié)構(gòu)實(shí)例介紹[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（2）：83-86.

[9]徐銳.基于IFCXML的建筑數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2006.

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[13]陳雅信.IFC建筑空間資料轉(zhuǎn)換至CityGML之研究[D].臺(tái)灣：國(guó)立交通大學(xué)，2010.endprint

3 BIM在數(shù)字城市中的應(yīng)用

這兩個(gè)系統(tǒng)融合之后的應(yīng)用領(lǐng)域很廣闊，包括城市和景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、旅游與休閑活動(dòng)、環(huán)境模擬、熱能傳到模擬、光照分析、反恐、車輛與行人導(dǎo)航、室內(nèi)導(dǎo)航等。

（1）三維城市建模

城市建筑類型各具特色，外形尺寸不同，外部顏色紋理不同等。如果采用"航測(cè)+地面攝影"，建模后期需要人工做大量貼圖；如果采用激光雷達(dá)掃描，價(jià)格昂貴，成本太高，而生成的建筑模型都是"空殼"，沒有建筑室內(nèi)信息，同時(shí)室內(nèi)三維建模工作量也很大，并且無(wú)法查詢和分析室內(nèi)空間信息。而通過(guò)BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及室內(nèi)空間信息。所以，通過(guò)綜合BIM和GIS，先利用建筑信息模型軟件對(duì)建筑進(jìn)行建模，然后將建筑空間信息與其周圍地理環(huán)境共享，可以極大地降低空間信息的成本。

（2）市政模擬

通過(guò)BIM和GIS融合可以有效地進(jìn)行建筑內(nèi)外管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時(shí)熱能傳導(dǎo)路線，以檢測(cè)熱能對(duì)其附近管線的影響。或者是當(dāng)管線出現(xiàn)破裂時(shí)，輔助決策者制定疏通引導(dǎo)方案，避免人員傷亡以及能源浪費(fèi)。

（3）室內(nèi)導(dǎo)航

目前，GIS行業(yè)中的學(xué)者都在試圖解決室內(nèi)定位這一難題，但是很多學(xué)者都是關(guān)注定位手段，如是采用Wi-Fi還是藍(lán)牙，是采用LFC還是NFC等等，而且一般室內(nèi)定位的地圖都是建筑的平面圖，甚至只是示意圖。如果采用BIM數(shù)據(jù)，這一問題就能夠得到很好的解決。通過(guò)BIM提供的建筑內(nèi)部模型，在配合定位技術(shù)可以進(jìn)行三維導(dǎo)航。

4 結(jié)論

BIM數(shù)據(jù)作為三維數(shù)字城市重要的數(shù)據(jù)源，將BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)中，給數(shù)字城市建設(shè)提供了新的思路。目前， BIM是一項(xiàng)新技術(shù)，數(shù)據(jù)源較少，隨著BIM的推廣應(yīng)用，BIM與GIS技術(shù)的融合必將為三維數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展注入新的生機(jī)和活力。

參考文獻(xiàn)：

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[8]張漢義，邱奎寧.IFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列文章之二： IFC標(biāo)準(zhǔn)形狀表達(dá)及空間結(jié)構(gòu)實(shí)例介紹[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2010，2（2）：83-86.

[9]徐銳.基于IFCXML的建筑數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2006.

[10] 【前沿】BIM+GIS=？And how？[EB/OL].http：//news.3snews.net/2013/1216/28330.html.

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[13]陳雅信.IFC建筑空間資料轉(zhuǎn)換至CityGML之研究[D].臺(tái)灣：國(guó)立交通大學(xué)，2010.endprint