BIM技術在三維數字城市建設中的應用

楊俊杰

摘 要：數字建筑作為數字城市的基本單元，是城市信息化進程中的重要組成部分。隨著科學技術的發展，人們對數字城市三維模型提出了更高的要求。BIM作為數字城市的血肉，給數字城市帶來了生機。本文基于當前數字城市建設中的不足，闡述了BIM與數字城市結合的兩種方式，并據此探討了BIM在建筑規劃、

室內導航、地震逃生等方面的應用。

關鍵詞：BIM；數字城市；GIS

0 引言

當前，數字城市是城市信息化建設的熱點，許多城市對此投入了極大的熱情和努力，也取得了良好的效果。利用現代化數字化方式管理城市，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，數字化建筑已成為三維數字城市建設的重要內容。

然而，在當前的數字城市中，三維建筑模型僅僅是建筑物的表面模型，沒有對建筑物內部空間進行劃分，不包含建筑物的各種屬性信息，僅用于三維建筑外觀顯示。隨著科學技術的發展，人們對三維建筑模型提出了越來越高的要求，為建筑增加更多信息才能讓數字地球、數字城市有"靈魂"。

建筑信息模型（BIM，全稱Building Information Model）是以三維技術為基礎，包含了建筑工程項目各種信息的工程數據模型。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、傳熱系數等信息。但是BIM理念所覆蓋的范圍是獨立的建筑個體，對于周圍環境的影響有極大的局限性。本文將探討BIM與數字城市的結合方式，以及BIM在建筑規劃、室內導航、地震逃生等方面的應用。

1 建筑信息模型

建筑信息模型是以三維技術為技術基礎，包含了建筑工程項目各種信息的工程數據模型，詳盡地表達了工程項目各相關信息。它包含了建筑物的幾何信息，也包含了建筑構件的物理性質和功能特性及相關的項目生命周期信息。

BIM能為設計人員提供很大的優勢：①建筑信息模型軟件不再提供只能畫點、畫線、畫圓等繪制簡單元素的幾何繪圖工具，而是在設計時直接調用放置墻體、門、窗、柱、梁等構件工具，組成由建筑構件組成的建筑信息模型，使設計過程變得非常輕松；②實現了建筑、結構和設備等專業之間的協同工作，建筑師、結構師、設備師之間能夠共享必要的數據，在設計及變更時相互之間可以更好地溝通、協調。

目前，全球主要的工程設計軟件開發商都提供了采用BIM技術的設計軟件，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的數字表現形式和行業標準，Industry Foundation Classes（IFC）標準是IAI（International Alliance of Interoperability）組織制定的建筑工程數據交換標準。

IFC建筑部分的對象有IfcSite（場地）、IfcBuilding（建筑）、IfcBuildingStorey（樓層）、IfcColumn（柱）、IfcBeam（梁）、IfcSlab（樓板）、IfcWall（墻），IFC標準將空間結構分為四個層次，即場地、建筑、樓層、空間。它們的相互關系如圖1所示：

在理論上，一個項目包含若干場地，一個場地包含若干建筑，一個建筑包含若干建筑樓層，而一個建筑樓層包含各種建筑構件。在實際應用當中，一個項目往往直接包含若干建筑，建筑也可以不包含樓層，建筑構件直接包含在建筑中。

IFC刻畫的建筑信息模型為數字化建筑融入數字城市提供了接口， IfcSite對象有三個用來描述坐標信息的屬性：RelLatitude（地理坐標中的緯度）、RelLongitude （地理坐標中的經度）和RefElevation （相對于海平面的高度）。

2 BIM與數字城市的結合

將BIM數據應用于三維數字城市建設中，包括兩種方式：①直接方式，即通過IFC解析器直接將建筑模型數據應用于數字城市建設中；②間接方式，即將IFC建筑信息模型轉換為CityGML數據，然后在數字城市中使用CityGML數據。

（1）直接方式

曹國、高光林、丘衍航等（2013）對此進行了研究。他們基于WorldWind三維地理信息瀏覽平臺，闡述了GIS與BIM結合的技術路線。

他們認為要想在WorldWind中在建筑內部漫游，需要用到三維建筑漫游系統平臺。該平臺作為WorldWind的一個獨立的插件，實現了兩個平臺的無縫銜接，當建筑放大到一定比例進入到三維建筑漫游系統時，用戶并不會感覺到兩個平臺的切換，這樣建筑就可以在宏觀和微觀下交換顯示。

兩個平臺通過共享地理空間位置進行數據交流，即對于三維建筑漫游系統里的任意位置，在WorldWind平臺中可以找到與之對應的某一地理位置。基于此位置信息就可以獲取WorldWind平臺中此置的日照、海拔、氣候、地震等信息。

（2）間接方式

CityGML（City Geography Markup Language，城市地理標記語言）是一種用來表示和傳輸城市三維對象的通用信息模型，它是最新的城市建模開放標準。該標準源自地理信息科學領域，用來存儲和交換虛擬城市三維模型。

CityGML對道路、建筑、水域、植被、綠地等描述進行了定義。因為其描述對象為整個城市，該標準對建筑的細節描述十分有限，遠遠不及IFC的詳細程度。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的準確、詳細的細節數據。這就需要借助開源的BIMserver軟件。

通過BIMserver可以創建一臺能使用IFC數據的服務器。可以上傳IFC數據到服務器。該軟件分析文件中的數據并將其保存在底層數據庫中。BIMserver軟件的核心能理解IFC結構，并支持使用IFC格式的BIM模型。BIMserver能導出CityGML，并根據官方GeoBIM擴展添加IFC信息。endprint

3 BIM在數字城市中的應用

這兩個系統融合之后的應用領域很廣闊，包括城市和景觀規劃、建筑設計、旅游與休閑活動、環境模擬、熱能傳到模擬、光照分析、反恐、車輛與行人導航、室內導航等。

（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+地面攝影"，建模后期需要人工做大量貼圖；如果采用激光雷達掃描，價格昂貴，成本太高，而生成的建筑模型都是"空殼"，沒有建筑室內信息，同時室內三維建模工作量也很大，并且無法查詢和分析室內空間信息。而通過BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及室內空間信息。所以，通過綜合BIM和GIS，先利用建筑信息模型軟件對建筑進行建模，然后將建筑空間信息與其周圍地理環境共享，可以極大地降低空間信息的成本。

（2）市政模擬

通過BIM和GIS融合可以有效地進行建筑內外管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時熱能傳導路線，以檢測熱能對其附近管線的影響。或者是當管線出現破裂時，輔助決策者制定疏通引導方案，避免人員傷亡以及能源浪費。

（3）室內導航

目前，GIS行業中的學者都在試圖解決室內定位這一難題，但是很多學者都是關注定位手段，如是采用Wi-Fi還是藍牙，是采用LFC還是NFC等等，而且一般室內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數據，這一問題就能夠得到很好的解決。通過BIM提供的建筑內部模型，在配合定位技術可以進行三維導航。

4 結論

BIM數據作為三維數字城市重要的數據源，將BIM技術應用于數字城市建設中，給數字城市建設提供了新的思路。目前， BIM是一項新技術，數據源較少，隨著BIM的推廣應用，BIM與GIS技術的融合必將為三維數字城市的建設和發展注入新的生機和活力。

參考文獻：

[1]郭仁忠，林亨貴.數字城市及其數字國土支撐[J].測繪通報，2008（9）：1-5.

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

[3]張瑞芝.BIM技術在數字城市三維建模中的應用研究[A].第三屆工程建設計算機應用創新論壇論文集[C]，2011.

[4]朱慶.三維GIS及其在智慧城市中的應用[J].地球信息科學，2014，16（2）：151-157.

[5]曹國，高光林，丘衍航等. 基于WorldWind平臺的建筑信息模型在GIS中的應用[J].土木建筑工程信息技術，2013，5（5）：114-118.

[6]高遠，鄧雪原.基于BIM的建筑MEP設計技術研究[J].土木建筑工程信息技術，2010，2（2）：91-96.

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

[8]張漢義，邱奎寧.IFC技術標準系列文章之二： IFC標準形狀表達及空間結構實例介紹[J].土木建筑工程信息技術，2010，2（2）：83-86.

[9]徐銳.基于IFCXML的建筑數據共享平臺的研究與設計[D].上海：復旦大學，2006.

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

[11]BIMserver概要說明中文版-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關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2010.

[13]陳雅信.IFC建筑空間資料轉換至CityGML之研究[D].臺灣：國立交通大學，2010.endprint

3 BIM在數字城市中的應用

這兩個系統融合之后的應用領域很廣闊，包括城市和景觀規劃、建筑設計、旅游與休閑活動、環境模擬、熱能傳到模擬、光照分析、反恐、車輛與行人導航、室內導航等。

（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+地面攝影"，建模后期需要人工做大量貼圖；如果采用激光雷達掃描，價格昂貴，成本太高，而生成的建筑模型都是"空殼"，沒有建筑室內信息，同時室內三維建模工作量也很大，并且無法查詢和分析室內空間信息。而通過BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及室內空間信息。所以，通過綜合BIM和GIS，先利用建筑信息模型軟件對建筑進行建模，然后將建筑空間信息與其周圍地理環境共享，可以極大地降低空間信息的成本。

（2）市政模擬

通過BIM和GIS融合可以有效地進行建筑內外管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時熱能傳導路線，以檢測熱能對其附近管線的影響。或者是當管線出現破裂時，輔助決策者制定疏通引導方案，避免人員傷亡以及能源浪費。

（3）室內導航

目前，GIS行業中的學者都在試圖解決室內定位這一難題，但是很多學者都是關注定位手段，如是采用Wi-Fi還是藍牙，是采用LFC還是NFC等等，而且一般室內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數據，這一問題就能夠得到很好的解決。通過BIM提供的建筑內部模型，在配合定位技術可以進行三維導航。

4 結論

BIM數據作為三維數字城市重要的數據源，將BIM技術應用于數字城市建設中，給數字城市建設提供了新的思路。目前， BIM是一項新技術，數據源較少，隨著BIM的推廣應用，BIM與GIS技術的融合必將為三維數字城市的建設和發展注入新的生機和活力。

參考文獻：

[1]郭仁忠，林亨貴.數字城市及其數字國土支撐[J].測繪通報，2008（9）：1-5.

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[11]BIMserver概要說明中文版-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關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2010.

[13]陳雅信.IFC建筑空間資料轉換至CityGML之研究[D].臺灣：國立交通大學，2010.endprint

3 BIM在數字城市中的應用

這兩個系統融合之后的應用領域很廣闊，包括城市和景觀規劃、建筑設計、旅游與休閑活動、環境模擬、熱能傳到模擬、光照分析、反恐、車輛與行人導航、室內導航等。

（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+地面攝影"，建模后期需要人工做大量貼圖；如果采用激光雷達掃描，價格昂貴，成本太高，而生成的建筑模型都是"空殼"，沒有建筑室內信息，同時室內三維建模工作量也很大，并且無法查詢和分析室內空間信息。而通過BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及室內空間信息。所以，通過綜合BIM和GIS，先利用建筑信息模型軟件對建筑進行建模，然后將建筑空間信息與其周圍地理環境共享，可以極大地降低空間信息的成本。

（2）市政模擬

通過BIM和GIS融合可以有效地進行建筑內外管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時熱能傳導路線，以檢測熱能對其附近管線的影響。或者是當管線出現破裂時，輔助決策者制定疏通引導方案，避免人員傷亡以及能源浪費。

（3）室內導航

目前，GIS行業中的學者都在試圖解決室內定位這一難題，但是很多學者都是關注定位手段，如是采用Wi-Fi還是藍牙，是采用LFC還是NFC等等，而且一般室內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數據，這一問題就能夠得到很好的解決。通過BIM提供的建筑內部模型，在配合定位技術可以進行三維導航。

4 結論

BIM數據作為三維數字城市重要的數據源，將BIM技術應用于數字城市建設中，給數字城市建設提供了新的思路。目前， BIM是一項新技術，數據源較少，隨著BIM的推廣應用，BIM與GIS技術的融合必將為三維數字城市的建設和發展注入新的生機和活力。

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[8]張漢義，邱奎寧.IFC技術標準系列文章之二： IFC標準形狀表達及空間結構實例介紹[J].土木建筑工程信息技術，2010，2（2）：83-86.

[9]徐銳.基于IFCXML的建筑數據共享平臺的研究與設計[D].上海：復旦大學，2006.

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

[11]BIMserver概要說明中文版-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關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2010.

[13]陳雅信.IFC建筑空間資料轉換至CityGML之研究[D].臺灣：國立交通大學，2010.endprint