GIS—BIM技術(shù)在城市建筑規(guī)劃中的應(yīng)用

鄧甫安　賀建　羅振華　陳凡

摘 要：隨著城市的高速發(fā)展，城市建筑規(guī)劃問題弊端日益顯現(xiàn)，可持續(xù)的城市建筑規(guī)劃成為城市發(fā)展的最大需求，然而，傳統(tǒng)的城市建筑規(guī)劃卻難以滿足這一目的。GIS與BIM技術(shù)的集成的提出，為解決這一困難提供了契機。該文通過介紹GIS_BIM的集成過程，深入分析了其在城市建筑規(guī)化中的應(yīng)用點，得出GIS_BIM技術(shù)必將使城市建筑規(guī)劃走向更加合理和規(guī)范的道路。

關(guān)鍵詞：GIS BIM 城市建筑規(guī)劃 可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0006-02

隨著綠色建筑、智能建筑以及城市可持續(xù)發(fā)展概念的不斷深入，傳統(tǒng)的城市建筑規(guī)劃越來越不滿足人們的需求，所帶來的弊端也日益突出，如建筑的光污染、建筑的空間布局、通風(fēng)不合理等問題。建筑作為城市空間的基本組成元素，其功能和外部空間的呼應(yīng)關(guān)系是城市規(guī)劃的重要組成部分，如何進行合理健康的建筑規(guī)劃是城市規(guī)劃面臨的最大難題[1]。近年來，計算機技術(shù)及大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展，帶來了GIS空間信息技術(shù)的大力發(fā)展，同時也推動了建筑業(yè)BIM技術(shù)變革時代的到來，而GIS與BIM技術(shù)的集成給合理健康的城市建筑規(guī)劃帶來了契機。該文主要介紹了GIS空間信息技術(shù)、BIM技術(shù)以及GIS_BIM技術(shù)集成，分析了GIS_BIM技術(shù)在城市建筑規(guī)劃中的具體應(yīng)用點，得出GIS_BIM技術(shù)必將使城市建筑規(guī)劃走向更加合理和規(guī)范的道路，為城市的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 GIS-BIM技術(shù)簡介

1.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是指以計算機、地理學(xué)與地圖學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合專業(yè)軟件，對地理空間信息進行獲取、輸入、編輯、存儲、查詢、分析計算、制圖顯示等處理的綜合性空間計算機技術(shù)。GIS這一概念最早由加拿大土地局在針對專題地圖的疊加、面積量算等的研究工作中提出，1963年加拿大科學(xué)家R.F.Tomlinson利用計算機技術(shù)開發(fā)出了用于土地利用分析的地圖數(shù)據(jù)系統(tǒng)，奠定了GIS技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來，伴隨著數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的迅猛發(fā)展，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感以及計算機科學(xué)的綜合性學(xué)科，被廣泛應(yīng)用于土地管理、城市建筑規(guī)劃、土木工程、海洋工程、遙感測繪、森林科學(xué)等多個領(lǐng)域[2]。

1.2 建筑信息模型（BIM）

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的縮寫，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型是物理設(shè)施和功能特性的數(shù)字表達，也是一個共享的信息平臺，在項目的不同階段，各個參與方都能在該數(shù)據(jù)模型中進行提取、插入、更新和信息的修改，實現(xiàn)各方實時的協(xié)同工作，為建筑物從概念到拆除的全壽命周期過程提供可靠的決策依據(jù)。與傳統(tǒng)的建筑工作方式相比，BIM技術(shù)具有著可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、一體化、參數(shù)化及信息完備性八大特點。自1975年喬治亞理工大學(xué)的Chuck Eastman教授提出BIM概念以來，BIM技術(shù)就得到了突飛猛進的發(fā)展，先后有Charles Eastman、Jerry Laiserin及McGraw-Hill建筑信息公司等都對其進行了延伸和發(fā)展，逐漸改變著項目各參與方的工作模式，成為建筑業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢。

1.3 GIS-BIM集成平臺

GIS是用于道路、電力、供水、燃氣等大空間尺寸的一種技術(shù)，是對空間地理位置相關(guān)信息數(shù)據(jù)進行管理的系統(tǒng)，BIM是用于單體建筑的結(jié)構(gòu)、建筑、機電等進行信息建模，實現(xiàn)建筑物設(shè)計、施工、運營等全壽命周期的管理，將GIS與BIM技術(shù)進行集成，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)城市級別的全視野的信息管理，還能精細到單體建筑物內(nèi)部詳細的三維空間信息展示，實現(xiàn)微觀領(lǐng)域與宏觀領(lǐng)域的信息交換和對接，滿足更精確的空間信息的查詢與分析功能，在城市建筑規(guī)劃中起到協(xié)調(diào)性功能評價互補。

在GIS與BIM技術(shù)集成過程中，需要解決的主要困難是兩個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)融合共享。在BIM技術(shù)中，各BIM軟件之間實現(xiàn)信息的共享，通常是通過IFC標準的數(shù)據(jù)接口，形成統(tǒng)一的建筑數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)流通。IFC標準是一種很好的數(shù)據(jù)文件，它不會因為平臺的不同造成信息的大量流失。GIS則是通過CityGML標準來體現(xiàn)三維城市的通用信息，該標準對道路、電力、植被等大空間尺寸的信息有著很好的描述，但對建筑物的細節(jié)描述卻十分有限。因此，在CityGML標準中實現(xiàn)IFC標準的兼容是GIS與BIM集成的關(guān)鍵所在。為實現(xiàn)這一目的，2009年，CityGML標準擴展為GeoBIM標準，成功實現(xiàn)了IFC數(shù)據(jù)在GIS中的導(dǎo)入，促進了GIS與BIM的融合[3]。

2 GIS-BIM技術(shù)在城市建筑規(guī)劃的應(yīng)用點

GIS_BIM技術(shù)在城市建筑規(guī)劃中的應(yīng)用，可實現(xiàn)從宏觀到微觀、室外到室內(nèi)、地下到地上的多層次的功能分析，如三維測量、光照分析、通風(fēng)分析、設(shè)計方案的比選、建筑供應(yīng)鏈的監(jiān)控，都能為建筑規(guī)劃提供準確可靠的決策依據(jù)。

2.1 三維測量

三維測量主要是對被測物進行全方位的測量，如測量空間的距離、地塊的面積、建筑面積、住宅間距以及土方的挖填計算等，確定被測物的三維坐標測量數(shù)據(jù)，從而為這些距離、面積挖方填方的設(shè)計提供合理可靠的理論依據(jù)。近些年來，隨著城市的快速發(fā)展，大量的高層建筑的修建以及建筑物密集程度增加，導(dǎo)致三維測量成為一大難題。在GIS_BIM技術(shù)集成的地理信息系統(tǒng)平臺中，通過城市室內(nèi)外模型的精準構(gòu)建，三維測量可以得到很好的解決。進行空間距離的測量時，只需在系統(tǒng)中點擊出要測量的兩端點，屏幕上就會自動地計算出兩點的距離，無論是室外的長距離的測量還是室內(nèi)的微觀測量都能夠?qū)崿F(xiàn)；角度的測量只需確定出三個點，就可以得出以第二點為頂點的角度；面積的測量只需確定測量地區(qū)的定點就可求出。

2.2 日照分析

在以往的城市規(guī)劃設(shè)計中，日照分析在二維圖紙中都是比較困難的點，往往易被忽略或設(shè)計不夠科學(xué)，導(dǎo)致建筑室內(nèi)的采光、取暖與視覺不合理。隨著人們環(huán)保意識的增強，近年來因為日照問題引起的矛盾和法律糾紛越來越來多，建筑物日照越來越得到人們的重視。日照分析主要是為了考察建筑地理位置、建筑的間距、建筑的空間格局十否滿足要求，防止建筑物遮擋光線或是造成光污染等。在GIS_BIM的三維地理信息系統(tǒng)中，通過將建筑物進行三維的建模，使用BIM技術(shù)模擬性的優(yōu)勢，首先計算出不同時間點的太陽位置，再模擬出不同時間點各棟建筑物之間不同的光照遮擋情況，從而進一步計算出建筑間距、陰影面積等是否合理，為建筑物規(guī)劃設(shè)計提供優(yōu)化依據(jù)。

2.3 通視分析

通視分析作為城市空間結(jié)構(gòu)研究的基本問題，主要是以某一點為觀察點對該區(qū)域的通視情況進行分析，對建筑物的高度進行合理的控制，讓城市中的景點及其周圍的建筑物都有其合理的高度，保護景點良好的視覺效果。通視分析包括了兩點間的可視性分析，觀察點視域范圍分析以及多點通視面積的交集計算。利用GIS_BIM的城市三維模型進行通視分析，可以選擇三維模型中的任意一點作為觀察點，觀察視野前的建筑物和景觀的通視情況，有著很好的精確性和直觀性。

2.4 通風(fēng)分析

通風(fēng)設(shè)計作為建筑設(shè)計的重要組成部分，其有著將建筑物室內(nèi)污濁的空氣直接或凈化后排至室外，再把新鮮的空氣補充進來，從而保持室內(nèi)的空氣環(huán)境符合衛(wèi)生標準的作用。其目的有以下幾種：（1）保證排除室內(nèi)污染物；（2）保證室內(nèi)人員的熱舒適；（3）滿足室內(nèi)人員對新鮮空氣的需要?，F(xiàn)代的建筑設(shè)計中積極地考慮自然通風(fēng)，并注意與地域建筑的有效結(jié)合，對于自然通風(fēng)的合理利用、節(jié)約能源具有現(xiàn)實意義?；贕IS_BIM的城市三維模型進行自然及機械通風(fēng)的模擬分析，可直觀地模擬出室內(nèi)外的通風(fēng)情況，找出通風(fēng)設(shè)計中不足，優(yōu)化通風(fēng)設(shè)計，達到設(shè)計的綠色環(huán)保效果。

2.5 建筑供應(yīng)鏈的監(jiān)控

建筑供應(yīng)鏈是一種考慮了網(wǎng)絡(luò)、態(tài)度和協(xié)作三種屬性的按訂單制造的供應(yīng)鏈。其中網(wǎng)絡(luò)是指建筑項目的全壽命周期過程中為滿足各方面的要求而形成的一種網(wǎng)絡(luò)組織；態(tài)度指的是各參與方的態(tài)度，將對供應(yīng)鏈產(chǎn)生巨大的影響；協(xié)作是指各參與方都以最低成本為目標完成質(zhì)量合格產(chǎn)品的過程。與其他一般產(chǎn)品的供應(yīng)鏈管理一樣，建筑供應(yīng)鏈也會出現(xiàn)庫存問題及伙伴合作問題，同時還會因為施工場地及施工條件的限制，出現(xiàn)現(xiàn)場管理考慮不周或經(jīng)驗不足所引起的矛盾和空間沖。因此，如何有效地避免建筑供應(yīng)鏈的空間問題、延遲問題及人員協(xié)作問題的發(fā)生對實現(xiàn)建筑供應(yīng)鏈的目標至關(guān)重要。

BIM_GIS的城市三維信息化系統(tǒng)，通過BIM對擬建項目的內(nèi)部進行詳細的建模，再利用GIS分析與建筑供應(yīng)鏈有關(guān)的對象，對BIM空間分析能力的不足進行彌補，形成一個可視化的建筑供應(yīng)鏈物料監(jiān)控管理系統(tǒng)，從而保證在各個環(huán)節(jié)做到物料的順利交付。

2.6 建筑設(shè)計方案對比分析

建筑師們在進行方案設(shè)計的時候都希望自己的方案能順利地通過甄選，但在方案的最初設(shè)計到中標的過程中，往往都存在著很多反復(fù)修改的地方，最終中標的作品都經(jīng)過了千錘百煉。以往方案的比選最多都是通過二維設(shè)計圖紙的一個比較得出，由于二維圖紙的局限性，對建筑的三維立體空間不能直觀準確的展示，其對專業(yè)人員的要求及時間成本的花費都是巨大的，而且這種模式很有可能造成經(jīng)過大量的工作后選出的設(shè)計方案，在實施過程中發(fā)現(xiàn)并不是業(yè)主所想要的結(jié)果。在GIS_BIM城市三維模型系統(tǒng)中，通過GIS準確的空間信息的表達，以及BIM技術(shù)所形成的細致的建筑模型，可以有效地展示出設(shè)計方案的三維外觀，同時其建筑的日照、通風(fēng)、通視情況都能很好地模擬展現(xiàn)，充分顯示出設(shè)計方案人性化、標準化的一面，以及設(shè)計不足的一面也能展現(xiàn)出來，這樣就能很好地提供一種直觀的對比方式，使選擇出的設(shè)計規(guī)劃方案更加合理。

3 結(jié)語

GIS與BIM技術(shù)的集成，通過GIS宏觀的時空分析能力與BIM微觀的三維建筑模型構(gòu)建，實現(xiàn)建筑的日照分析、通風(fēng)分析、通視分析、建筑供應(yīng)鏈管控及建筑設(shè)計方案的對比選擇，對城市建筑規(guī)劃提供技術(shù)上的幫助和支持，必將使城市建筑規(guī)劃走向更加合理和規(guī)范的道路，為城市的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 陳基偉.建筑規(guī)劃設(shè)計在城市規(guī)劃建設(shè)中的重要性思考[J].世界家苑，2012（6）：247-250.

[2] 韓振鏢，伊節(jié).三維GIS 在城市規(guī)劃領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 測繪通報，2002（8）：49-55.

[3] 鄧紹倫.基于BIM-GIS技術(shù)的建設(shè)方案與區(qū)域規(guī)劃協(xié)調(diào)性評價研究[J].建筑經(jīng)濟，2016（6）：41-44.