GIS與BIM集成在城市建筑規劃中的應用研究

王玲莉，戴晨光，馬 瑞

（1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052）

GIS與BIM集成在城市建筑規劃中的應用研究

王玲莉1，戴晨光1，馬 瑞1

（1.信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450052）

為提高城市建筑規劃的質量與效率，在GIS系統中采用了BIM信息進行城市建筑規劃，并在城市建筑空間分析上進行了一些實驗。結果表明，這種將微觀領域的BIM信息和宏觀領域的GIS信息的相互操作，能夠滿足查詢與分析空間信息的需要，是未來城市GIS的發展方向。

GIS；BIM；城市建筑規劃

建筑物是一座城市最基本的元素，是城市空間的實體部分。在現今燦爛的人類文化發展史上，城市建筑有著不可取代的位置。一方面體現城市功能的使用，另一方面又以實體的方式展現外在空間的呼應關系。城市建筑規劃是城市規劃的重要組成部分，合理健康的建筑規劃是社會文明和發展的真實寫照[1]。

GIS數據是空間信息的基礎，集成了三維城市模型的信息，為龐大的城市建筑規劃數據提供了有效的管理、存儲和維護手段，很多城市空間管理系統都是基于GIS開發而成[2]。然而GIS一直以來致力于獲取、保存、管理、分析以及真實呈現地理環境，透過三維建模技術展示建筑物外觀以及地理位置，而對于建筑物內部信息、成本、承包商、設計變更等信息卻無法進一步取得，致使很多人對GIS的認知僅停留在查看建筑物的空間信息、呈現建筑物外觀、結合虛擬實景技術進行特定空間的導覽等狹隘的應用。總體上講，GIS是管理建筑物外部環境信息、用相關工具建立信息以及搭建GIS管理平臺。

在城市建筑規劃中，只對城市建筑物外部環境信息進行整合管理，會忽略掉很多影響建筑物規劃的重要信息，GIS本身也無法整合和管理建筑物所有階段的信息。BIM的出現彌補了這種不足。BIM（building information modeling）即建筑信息模型，是在三維技術的支持下進行建筑數據收錄與展示的平臺；是全壽命周期管理模式的成熟應用，幫助項目管理企業在管理建筑的過程中建立起完善的信息共享平臺[3]；是以建筑物的三維數字化為載體，以建筑物的全生命周期為主線，將建筑生產各個環節所需要的信息關聯起來，形成的建筑信息集[4]。BIM不僅能用三維實景的方式整合建筑物的圖形、非圖形信息，還可以建立信息模型，減少信息在建筑各階段傳遞過程中的流失。

BIM和GIS整合已逐漸成為業內的焦點。在建筑領域，建筑從設計到施工產生大量的信息，特別是建筑設計三維模型，包含了建筑詳細的空間信息，各種信息集合在一起形成BIM。而在三維GIS領域，主要研究如何對城市建筑物三維建模，獲得建筑的詳細空間信息。BIM和GIS的融合首先要解決的是兩個領域的數據共享問題。市場中大多數BIM軟件支持IFC標準，提供IFC標準的數據接口，形成統一數據模型的建筑產品，以IFC標準格式的數據流通。IFC標準數據文件有很好的平臺無關性，是一種中性的數據文件，具有很好的自描述能力，不會因為軟件系統的廢棄而造成信息流失。三維GIS使用的是CityGML，CityGML主要用來表現城市三維對象的通用信息，它對道路、建筑、水域、植被、綠地等的描述進行了定義，但該標準對建筑物的細節描述十分有限。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的準確、詳細的細節數據[5]。在2009年，CityGML新的擴展，即GeoBIM作為標準開始實行，通過GeoBIM，IFC的數據就可以進入CityGML中，從而促進了BIM與GIS的融合。

BIM和GIS融合后的應用很廣闊，如國土安全、室內導航、三維城市建模、市政模擬和資產管理等諸多領域。BIM在國內應用很少，行業內應該關注BIM和GIS結合所帶來的各種好處，如思路的轉變、成本的降低以及效率的提高。本文驗證了BIM和GIS融合助力城市建筑規劃應用的可行性，首先介紹了三維建模的方法，然后講述了在研究過程中已經實現的成果，例如在城市建筑的三維測量、日照分析、通視分析以及建筑規劃方案對比分析等方面的應用。

1 利用BIM軟件建立建筑物三維模型

城市建筑物類型各具特色，外型尺寸、顏色、紋理均不相同，還會遇到障礙物阻擋等問題。如果采用攝影測量的方法，后期需要大量人工貼圖；如果是用價格昂貴的的激光雷達掃描，成本太高且生成的建筑物模型沒有室內信息，三維建模的工作量非常大。通過BIM可以輕易得到建筑物的精確高度、外觀尺寸以及內部空間信息。綜合BIM和GIS，先對建筑物進行建模，然后把建筑物空間信息與周圍地理環境共享，應用到城市三維GIS中，極大地降低了建筑物空間信息成本。

本文使用的是BIM建筑軟件Revit，由Autodesk公司開發，有助于設計、建造和維護質量更好、能效更高的建筑模型。在Revit模型中，所有的圖紙、二維視圖、三維視圖、明細表都是同一個建筑模型數據庫的信息表現形式。

模型建立是全過程的基礎和核心，包含室內和室外2種，這2種模型表現重點不一樣。室內模型由于空間范圍較小，所以制作要求比較精細，非常注重一些小的造型細節；而室外造型相對來說比較粗糙一些，只需考慮重要部分的造型，次要部分可以只建立大致輪廓或直接使用貼圖實現，這樣可以提高模型實時顯示速度，且不影響模型場景效果。

建模對象主要包括樓體、附屬物和室內物體，因此建模的主要工作就是樓體建模、附屬物建模和室內物體建模，建成后組合各對象模型，然后對場景進行渲染，生成真實感模型場景。模型完成后，還要對模型質量進行檢查和控制，如果沒有這個流程，就無法知道模型制作是否正確，是否能夠在實際中使用。本文主要探討建筑物模型，其他地物未做過多的處理，最后得到的三維模型場景如圖1所示。

圖1 建筑物三維模型

2 GIS與BIM集成助力城市建筑規劃

BIM有相應的工具來生產和管理建筑模型信息，GIS是用相關專業工具收集建筑物模型信息來構建平臺。BIM面向的對象明確，數量有限，管理室內信息有一定的優勢。不是任何時候都需要GIS與BIM的融合，比如研究建筑物里的人群購物是否便利，周邊環境發生自然災害時GIS無需BIM的任何信息；如果建立虛擬景觀三維系統，BIM的可視化模型信息就有很大的作用。隨著智慧城市技術的快速發展，很多人理解智慧城市僅僅是根據使用目的建立不同的GIS系統，但事實上不管是數字城市還是智慧城市，只有GIS系統的參與不可能完成如此龐大的工程，必須借助BIM才能做到真正的城市智能化。

本文主要研究建筑物和周邊環境的搭配效果是否能協調工作，如日照分析、通視分析、建筑物方案對比分析等；以及利用BIM的可視化、協調性、模擬性和優化性建立建筑物BIM可視化信息的三維GIS系統。在對建筑物進行管理的同時，還可利用計算機對空間建筑物進行測量。

2.1 三維測量

三維測量主要是指量測空間距離、住宅間距、地塊面積、建筑面積以及填挖方計算等。三維測量就是為這些面積、間距的設計提供合理的數據。在建筑物很密集、超高建筑很多的情況下，測量的難度會加大，而在GIS與BIM集成的三維空間地理信息系統中，三維測量可以很好地解決這個問題。在進行距離量測時，只需單擊要測量線段的兩個端點，三維實景窗口中就會顯示出距離；在進行高度量測時，單擊兩個點就可知道該兩點之間的高度；在進行角度量測時連續點擊三個點，就可求出以第二個點為頂點的角度值；在進行面積量測時，連續單擊測量區域的各個頂點，就可以求得該區域的面積。演示結果如圖2所示。

圖2 三維測量

2.2 日照分析

日照對于建筑物室內的采光、取暖以及視覺都有

比較大的影響，日照分析主要是為了滿足建筑容積、建筑間距等對指標的需求，防止遮擋光或者光污染等問題。日照分析主要包括4個方面：遮擋分析、單點分析、窗洞分析以及日照仿真分析。在日照分析中需要研究不同季節日照情況對建筑物的高度、體積等的影響，并且計算出建筑物的日照時間、陰影面積等數據，然后通過三維模型展示現實光影效果。在基于GIS與BIM的三維空間地理信息系統中，利用BIM的模擬性，先模擬設計出的建筑物模型，再模擬不能在真實世界中的操作，如日照分析。使用該系統對某點進行日照分析時，必須要知道太陽相對于該點的位置，太陽高度角和方位角是表征太陽位置的參數，對應的計算公式[6]為：

式中，β為太陽高度角；α為太陽方位角；A=π/180為由弧度制向角度制轉換的乘數因子；δ、t分別表示地表點的緯度和時角。太陽位置的準確度直接影響日照分析效果。

日照分析涉及到時間、地域、建筑造型等多種因素，要將這些相互影響的因素綜合起來進行人工計算分析是非常困難的，但是如果通過城市數字三維模型將這些因素以一種形象化的方式表現出來就變得簡單很多，要分析規定時間點各棟建筑之間的遮擋與被遮擋情況，即遮擋分析，可以根據建筑物陰影分析來獲取建筑物的遮擋情況。可根據日照分析結果來判斷建筑物之間的距離是否合理，為建筑物規劃設計提供依據。當一個建筑物被另外一個建筑物遮擋時，被遮擋的部分比未遮擋部分接受日照少，如圖3所示。

圖3 日照分析

2.3 通視分析

城市內的通視分析主要是為了對建筑物的高度進行控制，是城市空間結構研究的基本問題，科學合理的建筑物通視分析讓城市中一些重要的景點和景觀周圍的建筑都具有適當的尺度，從而保護了景點或景觀的視覺效果。通視分析是以某一點為觀察點，研究某一區域的通視情況。通視分析的基本內容有3 個，一是兩點之間的可視性分析；二是可視域分析，即給定一個觀察點，基于一定的相對高度，分析給定范圍內觀察點所能通視覆蓋的區域；三是多點通視面積的交集計算，由被覆蓋的可視面積反求待定位置與高度。

本文采用的通視性算法是基于大地坐標的通視性檢查算法[7]，是現有通視性檢查算法的一種改進。該算法通過求取視線和地形點在地球表面投影交點的經緯度坐標，用線性差值計算兩連線在該經緯度的高程來進行通視性判定，不需要將球面上的大地坐標轉換為平面直角坐標，而且能夠考慮到地球曲率對通視性的影響。在分析時，要計算視線在檢查點處的高程。設視線上的視點為A，目標點為B，視線在球面上的投影與A點和B點連線在球面上投影的交點為T，T為檢查點，TAB為T在視線上對應的點，（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（xAB，yAB，zAB）為A、B、TAB的地心慣性坐標，TAB點的高程為h，計算公式如式（3）：

式中，a=（y2-y1）x1-（x2-x1）y1；b=（y2-y1）coslatL coslonL；c=（x2-x1）coslatLsinlonL；R為地球半徑；L為經度。當h小于檢查點T的實際高度時，則判定不能通視；若h大于檢查點T的實際高度時，則在下一檢查點繼續進行計算判斷，依次求出檢查點可以看見的所有點。

圖4是利用城市三維模型對檢查點進行通視分析的結果展示，其中紅色區域代表的是該檢查點的可見區域，黃色區域代表的是不可見區域，說明視野前的建筑物比檢查點高，遮擋檢查點的視線。

圖4 通視分析

2.4 建筑設計方案對比分析

城市的建筑師們都希望自己的方案能夠順利通過實施，但是在實際操作過程中，有很多地方需要反復修改，最初設計的方案和中標的方案往往大徑相庭[8]。所以好的設計方案都是要經過多方位、多角度、多層次的分析對比，對總體規劃、建設方造型要求、投資規模、建筑節能等多方面進行深入的分析，所以在設計時不要局限于一套設計方案，多個方案會有更強的競爭力與說服力。所以通過多方案對比來找出最佳方案顯得尤為重要。以往，設計師們都是在二維圖紙上展現自己的設計方案，由于二維平面的局限性，建筑物空間信息不能夠得到很好的表達，建筑物的材質、立體結構以及與周邊環境的相互關系也得不到充分的體現。在GIS系統中利用BIM進行方案設計能更加生動形象地展現建筑物各方面的信息，可在建筑物建造前對各種問題進行協調，通過幾套設計方案的比較得出最優方案。BIM模型提供了建筑物的準確信息，還提供了建筑物變化后的情況，并且可以對設計上的一些需求進行模擬，檢驗設計的合理性。如圖5所示，系統將幾套不同的方案展示在不同窗口中進行比較，分析后可以看出，窗口三的設計方案明顯比窗口四更加合理，因為窗口四中的高層建筑對其后方的低層建筑有嚴重的遮擋。

圖5 方案對比分析

3 實驗分析

本文建立的模型是以長江水利委員會為中心的區域，周圍分別是解放大道、黃浦路、永清路、建設大道、武漢大道，地勢比較平坦，高度差在4 m內，區域面積大約0．7 km2，主要地物有辦公大樓、中小學、酒店、花園以及服務類的普通店面。利用上述方法建立實驗區內的建筑物三維模型，在基于GIS與BIM集成的城市建筑物管理系統中對建筑物進行三維測量、日照分析、通視分析以及建筑設計方案對比分析。三維測量模塊可以快速獲取距離、角度以及面積等測量值，日照分析模塊能夠形象地顯示建筑物受日照的情況，通視分析模塊能夠快速、準確地進行建筑物的可視性分析，建筑設計方案對比分析模塊使建筑規劃結果更具有說服力。以上結果驗證了BIM與GIS的集成應用到城市建筑規劃中的可行性、科學性以及正確性，GIS與BIM在管理建筑物上的這種功能互補性將會使越來越多的城市規劃者關注這種方式的巨大潛力。

4 結 語

在GIS系統中應用BIM對建筑物進行分析，不僅有助于科學合理地進行城市規劃，還可以對建筑設計提供技術上的幫助和支持。本文展示的只是GIS與BIM集成應用的一部分，希望在今后的工作中能開展更加全面的研究。

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

[2] 韓振鏢,伊節．三維GIS在城市規劃領域中的應用[J]．測繪通報,2002(8)：49-55

[3] 劉倩,詹吾嬌,樣遷,等．BIM技術在建筑工程管理中的應用研究[J]．建筑管理．2015(4)：56-58

[4] 李犁,鄧雪原．基于BIM 技術的建筑信息平臺的構建[J]．土木建筑工程信息技術．2012(6):25-28

[5] 湯圣君,朱慶,趙君嶠．BIM與GIS數據集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操作技術[J]．土木建筑工程信息技術,2014(4):12-17

[6] 苗永寬．球面天文學[M]．北京:科學出版社,1983

[7] 余文廣,李群,侯洪濤．基于大地坐標的通視性檢查算法[J]．計算機仿真．2008,25(11) 0228-04

[8] 李云飛,朱向梅,李雨蓓． 初探建筑設計方案對比研究[J]．規劃與設計．2012,26：366-367

P208

B

1672-4623（2016）06-0075-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.06.025

王玲莉，碩士，研究方向為攝影測量與遙感。

2015-11-10。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41271450，41471336）。