GIS—BIM技術在城市建筑規劃中的應用

鄧甫安　賀建　羅振華　陳凡

摘 要：隨著城市的高速發展，城市建筑規劃問題弊端日益顯現，可持續的城市建筑規劃成為城市發展的最大需求，然而，傳統的城市建筑規劃卻難以滿足這一目的。GIS與BIM技術的集成的提出，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化中的應用點，得出GIS_BIM技術必將使城市建筑規劃走向更加合理和規范的道路。

關鍵詞：GIS BIM 城市建筑規劃 可持續發展

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發展概念的不斷深入，傳統的城市建筑規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關系是城市規劃的重要組成部分，如何進行合理健康的建筑規劃是城市規劃面臨的最大難題[1]。近年來，計算機技術及大數據的高速發展，帶來了GIS空間信息技術的大力發展，同時也推動了建筑業BIM技術變革時代的到來，而GIS與BIM技術的集成給合理健康的城市建筑規劃帶來了契機。該文主要介紹了GIS空間信息技術、BIM技術以及GIS_BIM技術集成，分析了GIS_BIM技術在城市建筑規劃中的具體應用點，得出GIS_BIM技術必將使城市建筑規劃走向更加合理和規范的道路，為城市的可持續發展奠定基礎。

1 GIS-BIM技術簡介

1.1 地理信息系統（GIS）

地理信息系統（GIS，Geographic Information System）是指以計算機、地理學與地圖學為基礎，結合專業軟件，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。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年加拿大科學家R.F.Tomlinson利用計算機技術開發出了用于土地利用分析的地圖數據系統，奠定了GIS技術的基礎。近年來，伴隨著數據庫管理技術的迅猛發展，地理信息系統已經發展為結合了地理學、地圖學、遙感以及計算機科學的綜合性學科，被廣泛應用于土地管理、城市建筑規劃、土木工程、海洋工程、遙感測繪、森林科學等多個領域[2]。

1.2 建筑信息模型（BIM）

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的縮寫，以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，該數據模型是物理設施和功能特性的數字表達，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據模型中進行提取、插入、更新和信息的修改，實現各方實時的協同工作，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。與傳統的建筑工作方式相比，BIM技術具有著可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、一體化、參數化及信息完備性八大特點。自1975年喬治亞理工大學的Chuck Eastman教授提出BIM概念以來，BIM技術就得到了突飛猛進的發展，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展，逐漸改變著項目各參與方的工作模式，成為建筑業發展的一種必然趨勢。

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，是對空間地理位置相關信息數據進行管理的系統，BIM是用于單體建筑的結構、建筑、機電等進行信息建模，實現建筑物設計、施工、運營等全壽命周期的管理，將GIS與BIM技術進行集成，不僅能夠實現城市級別的全視野的信息管理，還能精細到單體建筑物內部詳細的三維空間信息展示，實現微觀領域與宏觀領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，在城市建筑規劃中起到協調性功能評價互補。

在GIS與BIM技術集成過程中，需要解決的主要困難是兩個系統之間數據融合共享。在BIM技術中，各BIM軟件之間實現信息的共享，通常是通過IFC標準的數據接口，形成統一的建筑數據模型實現軟件之間的數據流通。IFC標準是一種很好的數據文件，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，但對建筑物的細節描述卻十分有限。因此，在CityGML標準中實現IFC標準的兼容是GIS與BIM集成的關鍵所在。為實現這一目的，2009年，CityGML標準擴展為GeoBIM標準，成功實現了IFC數據在GIS中的導入，促進了GIS與BIM的融合[3]。

2 GIS-BIM技術在城市建筑規劃的應用點

GIS_BIM技術在城市建筑規劃中的應用，可實現從宏觀到微觀、室外到室內、地下到地上的多層次的功能分析，如三維測量、光照分析、通風分析、設計方案的比選、建筑供應鏈的監控，都能為建筑規劃提供準確可靠的決策依據。

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據，從而為這些距離、面積挖方填方的設計提供合理可靠的理論依據。近些年來，隨著城市的快速發展，大量的高層建筑的修建以及建筑物密集程度增加，導致三維測量成為一大難題。在GIS_BIM技術集成的地理信息系統平臺中，通過城市室內外模型的精準構建，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的微觀測量都能夠實現；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的定點就可求出。

2.2 日照分析

在以往的城市規劃設計中，日照分析在二維圖紙中都是比較困難的點，往往易被忽略或設計不夠科學，導致建筑室內的采光、取暖與視覺不合理。隨著人們環保意識的增強，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中，通過將建筑物進行三維的建模，使用BIM技術模擬性的優勢，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，為建筑物規劃設計提供優化依據。

2.3 通視分析

通視分析作為城市空間結構研究的基本問題，主要是以某一點為觀察點對該區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 通風分析

通風設計作為建筑設計的重要組成部分，其有著將建筑物室內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，從而保持室內的空氣環境符合衛生標準的作用。其目的有以下幾種：（1）保證排除室內污染物；（2）保證室內人員的熱舒適；（3）滿足室內人員對新鮮空氣的需要。現代的建筑設計中積極地考慮自然通風，并注意與地域建筑的有效結合，對于自然通風的合理利用、節約能源具有現實意義。基于GIS_BIM的城市三維模型進行自然及機械通風的模擬分析，可直觀地模擬出室內外的通風情況，找出通風設計中不足，優化通風設計，達到設計的綠色環保效果。

2.5 建筑供應鏈的監控

建筑供應鏈是一種考慮了網絡、態度和協作三種屬性的按訂單制造的供應鏈。其中網絡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絡組織；態度指的是各參與方的態度，將對供應鏈產生巨大的影響；協作是指各參與方都以最低成本為目標完成質量合格產品的過程。與其他一般產品的供應鏈管理一樣，建筑供應鏈也會出現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，出現現場管理考慮不周或經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鏈的空間問題、延遲問題及人員協作問題的發生對實現建筑供應鏈的目標至關重要。

BIM_GIS的城市三維信息化系統，通過BIM對擬建項目的內部進行詳細的建模，再利用GIS分析與建筑供應鏈有關的對象，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鏈物料監控管理系統，從而保證在各個環節做到物料的順利交付。

2.6 建筑設計方案對比分析

建筑師們在進行方案設計的時候都希望自己的方案能順利地通過甄選，但在方案的最初設計到中標的過程中，往往都存在著很多反復修改的地方，最終中標的作品都經過了千錘百煉。以往方案的比選最多都是通過二維設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過大量的工作后選出的設計方案，在實施過程中發現并不是業主所想要的結果。在GIS_BIM城市三維模型系統中，通過GIS準確的空間信息的表達，以及BIM技術所形成的細致的建筑模型，可以有效地展示出設計方案的三維外觀，同時其建筑的日照、通風、通視情況都能很好地模擬展現，充分顯示出設計方案人性化、標準化的一面，以及設計不足的一面也能展現出來，這樣就能很好地提供一種直觀的對比方式，使選擇出的設計規劃方案更加合理。

3 結語

GIS與BIM技術的集成，通過GIS宏觀的時空分析能力與BIM微觀的三維建筑模型構建，實現建筑的日照分析、通風分析、通視分析、建筑供應鏈管控及建筑設計方案的對比選擇，對城市建筑規劃提供技術上的幫助和支持，必將使城市建筑規劃走向更加合理和規范的道路，為城市的可持續發展奠定基礎。

參考文獻

[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] 鄧紹倫.基于BIM-GIS技術的建設方案與區域規劃協調性評價研究[J].建筑經濟，2016（6）：41-44.