BIM在三維數字城市中的集成與應用研究

胡章杰，張 藝

(1．重慶市勘測院，重慶400020;2．重慶市勘測院，重慶400020)

一、引 言

隨著城市信息化需求進一步深化，對承載城市信息的空間數據載體提出了更高要求，不但要實現城市宏觀大場景室外三維建模及應用，還要解決建筑物內部空間及設施的三維建模問題，以實現對城市信息資源的全面感知、全面整合、全面挖掘、全面共享和全面協同，提高城市管理和服務水平，實現“智慧城市”的建設目標。目前的三維數字城市建模手段和方式，難以滿足更深入的應用分析需求。BIM是以建筑物三維數字化為載體，為數字城市提供了詳細的內部空間幾何及功能語義信息。通過開展BIM和三維數字城市的集成［1］，有助于極大降低建筑內部空間信息的獲取成本，推送建筑室內外空間一體化應用。

BIM與GIS的集成被視為數字城市向智慧城市發展的關鍵技術之一，受到國內外專家學者的廣泛關注。但受制于數據來源、軟件平臺、顯示效率等技術難題，現有研究僅僅開展了單個BIM模型向GIS模型的轉換與集成，尚未實現BIM數據在三維城市中的集成和應用。三維數字城市建設領域已具有多年技術積累，為了進一步豐富三維數字城市數據內容，應該拓展其應用外延。

二、總體思路

以開展建筑工程竣工規劃核實工作中收集到的大量施工圖為資料基礎，提出了基于施工圖制作BIM模型，并基于三維數字城市基礎平臺開展BIM集成應用研究的技術思路。總體思路主要包括3個環節:

1)從CAD的建筑構件圖形向語義空間信息一致的BIM模型轉換。基于Revit API進行二次開發，對CAD文件中涉及建筑構件的圖形要素進行交互式處理，生成BIM模型，并將BIM模型轉換為IFC標準數據格式，實現建筑構造信息的標準化表達。

2)從BIM模型向建筑構件信息BCM模型的映射。開發數據轉換中間件，通過空間映射將IFC中的實體模型數據轉換為BCM中表面模型數據，并同步進行建筑構件的語義映射。

3)基于三維數字城市平臺開展BCM信息的訪問和應用。其中持久層基于開源數據庫及自主研發的三維GIS引擎實現BCM空間數據庫存儲與管理，數據訪問組件提供BCM建筑構件要素的讀取寫入訪問接口，應用層基于集景三維數字城市基礎平臺開展建筑物室內外一體化集成和應用。

4)形成了豐富的三維數字城市數據資源;通過將建筑信息模型應用于工商法人、建筑人口、應急消防、場館建設等管理工作，拓展了三維應用外延。

總體思路如圖1所示。

圖1 總體思路

三、技術方案

1．基礎數據建設

提出一種BIM與三維數字城市集成的方法，該方法基于施工圖紙(CAD)開展建筑信息模型交互式構建，然后通過空間和語義信息映射將其轉換為建筑構件信息模型［2］，并建立建筑構件信息庫，在三維數字城市場景開展建筑構件信息的集成應用。創新性地提出了基于建筑施工圖高效生成BIM模型的方法，解決了國內BIM應用普及程度低、手工構建BIM模型效率低下的問題，實現了BIM數據向3DGIS數據的自動轉換與多細節層次集成，解決了三維數字城市室內建筑模型的數據源問題。BIM數據生產流程見圖2。

圖2 BIM數據生產流程

2．數據組織管理

定義多細節層次建筑構件信息模型可實現建筑幾何、拓撲、語義屬性信息的有效表達，進而搭建了IFC和CityGML之間的數據轉換橋梁。根據建筑構件信息模型，定義其幾何、語義和拓撲的關系，完成了建筑在BIM中的信息存儲和表達，實現了BIM數據向3DGIS數據的自動轉換。圖3為BIM數據庫組織建設。

圖3 BIM數據庫組織建設

3．長效機制保障

建立BIM模型更新機制，以規劃竣工核實收集的建筑施工圖為基礎，實現城市建成區新竣工建筑工程的室內室外三維模型的動態建設和同步更新［3］，為BIM模型數據庫提供長效機制，形成豐富的三維數字城市數據資源。

4．軟件系統研發

實現三維建筑室內外一體化應用系統，能夠支持基于LOD的室外三維場景動態展示和室內漫游，模型LOD技術加快虛擬現實中圖形生成的速度，提供高速度、高質量的圖形繪制方法。此外還提供了針對建筑信息模型的基本功能，如建筑構件信息查詢、構件信息統計、建筑面積計算等。

四、應用展示

1．室內建筑信息模型在工商管理中的應用

企業法人庫、地理空間庫應由工商政府管理部門、規劃管理部門牽頭建設，項目組通過將法人庫中的注冊地址與地理空間庫中的實有地址進行關聯匹配，實現兩庫的對接融合。系統在三維室內外一體化的背景下，將地理信息與工商元素進行整合，做到“精準定位，內外實景，科學執法、合理布控、數據分析、服務決策”。工商管理應用見圖4。

圖4 工商管理應用

2．室內建筑信息模型在建筑人口信息管理中的應用

充分借助建筑物信息普查、人口信息普查等領域的數據成果，項目組立足于豐富的三維數字城市資源、建筑信息模型數據，開展了建筑人口管理系統建設的探索與應用。建筑人口信息管理應用見圖5。

圖5 建筑人口信息管理應用

3．室內建筑信息模型在智慧商場中的應用

圖6為某家具賣場室內外一體化應用的展示，主要面向商場物業管理、停車場管理［4］、應急指揮［5］等，待今后三維地理信息在移動終端普及后，還可以進一步推廣到普通公眾用戶，提升應用價值。

圖6 智慧商場應用

4．室內建筑信息模型在場館建設管理中的應用

結合重大場館建設項目，基于以上研究成果，為場館建設管理提供應用示范。系統可以展示不同月份的施工過程和進度，并支持對比分析。還可展示視頻監控、鋼結構監控［6］等，并支持實時監控和分析、預警，為建筑施工及運營安全過程監管提供了有力的技術支撐。圖7為重大場館建設管理應用。

五、結束語

提出了一種BIM與三維數字城市集成的方法，通過提出這種基于建筑施工圖高效生成BIM模型的方法，實現建筑構件的自動化建模，解決了國內BIM應用普及程度低、手工構建BIM模型效率低下的問題。此外項目還在多個領域進行了建筑室內外一體化的示范應用，將BIM技術與三維數字城市進行很好的整合，具有廣闊的應用前景。

圖7 重大場館建設管理應用

該研究也存在不足，現有研究框架主要關注對單體建筑物BIM信息在三維地理空間的展示集成，缺少大規模的建筑物內部結構與三維數字城市集成框架的研究。此外，在應用層面，對應目前熱點室內導航等仿真應用，缺少更深入的應用需求挖掘，今后將進一步開展這方面的研究。

［1］ 薛梅．一種建筑信息模型與三維數字城市集成方法［J］．地理信息世界，2014(5):111-117．

［2］ 李德超，張瑞芝．BIM技術在數字城市三維建模中的應用研究［J］．土木建筑工程信息技術，2012(1):47-51．

［3］ 陳東海．城市空間三維數據快速提取與更新研究［J］．北京測繪，2012(4):19-22．

［4］ 胡章杰，何興富．城市停車場三維地理信息平臺研究與應用［J］．城市勘測，2014(5):47-50，55．

［5］ 歐斌，解正明，孫睿英．廣義最短路徑在街區人員疏散中的應用研究［J］．測繪與空間地理信息，2013(10):100-102．

［6］ 明鏡，薛梅．空間信息集成管理平臺的建立及其在應急工程搶險中的應用［J］．工程勘察，2013(8):61-66．