基于BIM的三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

余真

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

1 引 言

建筑設(shè)計方案審查，是城鄉(xiāng)規(guī)劃工作的重要組成部分，也是建設(shè)工程質(zhì)量管理的重要手段和城市科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)保障。傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和審批方式在技術(shù)方案審查時常基于CAD數(shù)據(jù)以及效果圖的方式開展，且其通常僅關(guān)注建筑物個體，因此該方法缺乏直觀可視化表達(dá)和定量分析能力[1]，從而不利于表達(dá)設(shè)計方案的景觀布局及與周邊建筑、山水、交通等要素間的協(xié)調(diào)性，也有悖于城市的整體規(guī)劃和科學(xué)設(shè)計。隨著智慧城市建設(shè)的深入推進(jìn)，3D GIS技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域得到了長足的應(yīng)用，其已成為輔助規(guī)劃審批的有力手段之一[2，3]。BIM技術(shù)可以為建筑方案提供豐富的幾何語義和建設(shè)工程項目各種相關(guān)的工程信息，因此其可為城市規(guī)劃和精細(xì)化管理提供有力幫助[4～6]。隨著3D GIS技術(shù)和BIM的快速發(fā)展，集成上述兩種技術(shù)手段可為建筑規(guī)劃設(shè)計[7]、建筑許可審查[8]和室內(nèi)空間拓?fù)溲芯縖9]等方面提供全新的思路及手段。BIM+3D GIS的融合能充分還原城市現(xiàn)狀，借助BIM詳細(xì)的屬性內(nèi)容可以更準(zhǔn)確反映地塊之上的土地開發(fā)強(qiáng)度、人口數(shù)量、設(shè)施設(shè)備數(shù)量等信息，讓規(guī)劃評估更準(zhǔn)確。同時，基于BIM的規(guī)劃審批可以在施工前進(jìn)行建筑與水電等的整合，及早發(fā)現(xiàn)工程在進(jìn)行不同作業(yè)時，可能發(fā)生的沖突問題并提出良好的解決對策和設(shè)計方案，減少方案修改和審批的時間且大幅提升了城市規(guī)劃設(shè)計的質(zhì)量，也提升了空間的使用價值。

本文在融合規(guī)劃空間數(shù)據(jù)和BIM信息模型的基礎(chǔ)上，將BIM豐富的語義信息和3D GIS強(qiáng)大的空間分析和可視化分析能力相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)基于BIM的三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，以促進(jìn)城市規(guī)劃設(shè)計和建筑方案審查的科學(xué)性，為精細(xì)化的城市規(guī)劃提供幫助。

2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

在充分融合規(guī)劃空間數(shù)據(jù)和BIM信息模型的基礎(chǔ)上建立三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，為規(guī)劃設(shè)計和方案審查提供三維瀏覽、BIM方案處理以及規(guī)劃輔助審查和分析等應(yīng)用。系統(tǒng)采用主流的B/S架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體設(shè)計遵循從下而上的原則，第一層是基礎(chǔ)設(shè)施層：該層提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫平臺以及相應(yīng)的存儲設(shè)備、安全設(shè)施和計算設(shè)施等，它是信息化系統(tǒng)的軟硬件設(shè)施基礎(chǔ)，其可依托智慧城市云計算平臺。

第二層是數(shù)據(jù)層，它是整個系統(tǒng)的信息資源核心，可分為二維數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)狀三維數(shù)據(jù)庫、三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、三維規(guī)劃竣工數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和文件庫。現(xiàn)狀三維數(shù)據(jù)庫可利用現(xiàn)成的智慧城市建設(shè)成果，規(guī)劃三維數(shù)據(jù)庫和竣工三維數(shù)據(jù)庫可由建設(shè)單位提供的BIM信息模型獲得，審批過程的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與文件存儲于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫與文件庫中。

第三層是基礎(chǔ)支撐平臺層，包括了3D GIS Server(對各部門提供三維空間數(shù)據(jù)的共享發(fā)布、空間分析和地圖服務(wù)等能力)、模型生產(chǎn)工具軟件、工作流引擎和GIS空間數(shù)據(jù)引擎。

第四層是應(yīng)用層，該層面向三維規(guī)劃設(shè)計與審查需求，側(cè)重實現(xiàn)三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)。三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)可實現(xiàn)三維瀏覽展示、三維規(guī)劃輔助分析、規(guī)劃審查工具、BIM方案調(diào)整、BIM方案管理和地下管線審查分析等應(yīng)用。接口體系包括二三維場景聯(lián)動接口、規(guī)劃綜合應(yīng)用平臺(規(guī)劃業(yè)務(wù)系統(tǒng))接口和多規(guī)合一信息聯(lián)動平臺(或一張藍(lán)圖系統(tǒng))接口。系統(tǒng)可采用靈活的方式開發(fā)與相關(guān)系統(tǒng)的接口，以便服務(wù)于城市規(guī)劃設(shè)計和審查，并進(jìn)一步促進(jìn)智慧城市建設(shè)成果共享[10]。

除此之外，系統(tǒng)還須建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃和保障機(jī)制，包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)更新保障機(jī)制、組織機(jī)構(gòu)與政策法規(guī)保障等，以防止信息管理混亂，從而保證信息化建設(shè)和運作的規(guī)范發(fā)展。

3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)輕量級的BIM數(shù)據(jù)與3D GIS平臺集成技術(shù)

BIM模型數(shù)據(jù)貫穿設(shè)計、施工和后期管理的各個過程中，富含豐富的建筑結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)描述和相關(guān)工程設(shè)施信息。相對于三維規(guī)劃設(shè)計和審查應(yīng)用而言，其難免突顯為數(shù)據(jù)冗余量大，影響三維可視化展示效果和空間分析效率。BIM與3D GIS技術(shù)集成可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，從而最大限度地將IFC(Industry Foundation Classes)語義信息集成到City GML(City Geography Markup Language)中[11]。

通過對BIM模型IFC語義的解析，根據(jù)三維規(guī)劃設(shè)計和方案審查要素，建立特定的語義過濾規(guī)則，過濾與其關(guān)聯(lián)度較低的語義信息，提取對于規(guī)劃設(shè)計和方案審查重要的BIM關(guān)鍵要素，如門、窗、墻面、柱、橫梁、天花板、地板、電氣等。并最終過濾室內(nèi)不必要的附屬設(shè)施和細(xì)節(jié)。采用IFC和City GML之間的語義映射方式，將過濾的IFC實體和語義信息轉(zhuǎn)換成City GML表達(dá)形式，并采用City GML豐富的紋理和材質(zhì)凸顯三維可視化效果，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與3D GIS平臺框架的集成和格式轉(zhuǎn)換[12，16]。借助輕量級的BIM數(shù)據(jù)與3D GIS平臺集成技術(shù)既能在三維規(guī)劃應(yīng)用中保留BIM豐富的信息，又能保證GIS強(qiáng)大的空間分析能力。

(2)融合二維規(guī)劃數(shù)據(jù)與BIM模型的規(guī)劃審批和輔助分析方法

對現(xiàn)有的審批工作流程進(jìn)行優(yōu)化，從審批開始階段收集并集成二維規(guī)劃數(shù)據(jù)和三維BIM模型數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)管理、語義規(guī)范和可視化的整合，以充分發(fā)揮二維規(guī)劃數(shù)據(jù)和三維BIM模型數(shù)據(jù)各自的優(yōu)勢，最終實現(xiàn)規(guī)劃協(xié)同審批管理體系。借助BIM數(shù)據(jù)優(yōu)勢，通過算法提升，優(yōu)化規(guī)劃方案綜合研判、日照模擬、通視分析、控高分析等技術(shù)手段，使其能對方案中的BIM模型進(jìn)行綜合性分析，為規(guī)劃設(shè)計和方案審查提供定性與定量化的確切數(shù)據(jù)支撐。通過模式創(chuàng)新與分析工具，使得方案評審不僅僅局限于景觀環(huán)境的審查，還能實現(xiàn)建筑外形和建筑功能性與舒適性的綜合研判。發(fā)揮BIM數(shù)據(jù)優(yōu)勢，充分考慮采光、節(jié)能與環(huán)境等因素，引導(dǎo)方案設(shè)計與評審趨于合理，避免顧此失彼，提升方案的科學(xué)性，倡導(dǎo)綠色建筑，為城市規(guī)劃提供輔助決策，并自動生成分析報告。

4 設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

報件提交的BIM模型的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不一，不利于無縫集成到系統(tǒng)中。需要研究并建立基于BIM(建筑信息模型)的規(guī)劃設(shè)計和報件相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，通過制訂數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、提交、入庫、管理及維護(hù)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、一致性和規(guī)范性，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)更新提供規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系支撐[13]。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對提交的成果格式、命名規(guī)范、制作要求、模型精細(xì)度、構(gòu)件編碼要求、材質(zhì)和貼圖要求、烘焙要求、效果圖要求等作出規(guī)范和說明。

4.2 數(shù)據(jù)資源體系設(shè)計

數(shù)據(jù)資源體系主要由二維數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀三維數(shù)據(jù)、三維規(guī)劃數(shù)據(jù)、三維竣工數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及文件數(shù)據(jù)組成。以上數(shù)據(jù)構(gòu)成內(nèi)容豐富、精度準(zhǔn)確的BIM規(guī)劃審批數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐，其中三維模型最大限度地以BIM模型設(shè)計建設(shè)，以實現(xiàn)建筑信息的全面表達(dá)、更新與共享。

數(shù)據(jù)資源體系 表1

4.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)基于三維現(xiàn)狀和規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供了三維瀏覽展示、三維規(guī)劃輔助分析、規(guī)劃審查工具、BIM方案管理與調(diào)整和地下管線審查分析等功能應(yīng)用。可以獲得城市天際線效果圖、建筑立面圖、日照模擬、拆遷分析、指標(biāo)統(tǒng)計、地下管網(wǎng)分析等內(nèi)容，這些資料豐富了規(guī)劃方案的素材，為規(guī)劃審批提供更加翔實、直觀的審查依據(jù)。提供全角度、多尺度的規(guī)劃成果展示，從而有助于決策者綜合研判方案的景觀性、功能性和舒適性，推演和了解規(guī)劃方案實施后帶來的一些正面和負(fù)面的影響，最終實現(xiàn)方案的優(yōu)化設(shè)計[14]。

(1)三維瀏覽展示

三維瀏覽展示是系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊，其可提供三維場景漫游及編輯功能，如BIM數(shù)據(jù)展示以及場景的漫游、定位、初始視圖、屬性信息、天氣控制、地形控制、場景標(biāo)簽和動畫導(dǎo)航等，查看BIM數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 查看BIM數(shù)據(jù)

(2)三維規(guī)劃輔助分析

三維規(guī)劃輔助分析模塊是三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)的核心功能模塊，其提供定量和定性的手段輔助城市規(guī)劃設(shè)計與方案審查，因此其不僅可從空間形態(tài)上把握方案的科學(xué)性，還可以通過指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)一步分析佐證方案的可行性，最終實現(xiàn)城市設(shè)計和方案的優(yōu)化和改進(jìn)。

三維規(guī)劃輔助分析功能設(shè)計包含[15～18]：

①遮擋類：分析建筑方案與周邊景觀及建筑的遮擋情況并模擬視域范圍，提供計算日照時長和天際線規(guī)劃的合規(guī)性檢測功能。包括通視分析、視域分析、日照分析、單點日照時長分析、沿路通視分析、沿路里面分析和天際線擬合分析等功能，日照分析及視域分析如圖3所示。

圖3 日照分析及視域分析

②高度類：用于審核高度和間距是否符合規(guī)劃要求，可根據(jù)城市空間管制要求，檢核設(shè)計方案是否突破該地塊的建筑限高。計算方案的建筑間距和退距是否符合審批要求。挖填方分析根據(jù)地表模型計算挖方或填方量，預(yù)估成本。包括建筑間距分析、退距分析、區(qū)域控高分析、沿路高點分析、城市限高分析和挖填方分析等功能，控高分析如圖4所示。

圖4 控高分析

③統(tǒng)計類：根據(jù)規(guī)劃指標(biāo)和建筑屬性，依據(jù)年代與結(jié)構(gòu)等信息實現(xiàn)建筑物分類統(tǒng)計并模擬預(yù)估拆遷量，為舊城改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。實現(xiàn)建筑物分類分析、拆遷量預(yù)估和規(guī)劃指標(biāo)計算等功能。

④綜合類：提供多方案分屏比對分析和規(guī)劃方案綜合研判功能，如圖5所示，實現(xiàn)BIM方案、二維總平圖、三維效果圖和設(shè)計指標(biāo)在統(tǒng)一界面內(nèi)全面和多角度的綜合研判，為建筑方案的審批決策提供幫助。

圖5 規(guī)劃方案綜合研判

(3)規(guī)劃審查工具

規(guī)劃審查工具模塊提供系統(tǒng)定量化的測量工具，用于方案評審過程中進(jìn)行水平、垂直等空間距離量測，提供面積量測和模型要素的核查工具。同時還可以輸出圖片、特定的場景以及局部區(qū)域的場景作為業(yè)務(wù)審批的附圖使用。

(4)BIM方案調(diào)整

BIM方案調(diào)整模塊用于在方案審核階段對審批的BIM模型進(jìn)行編輯和調(diào)整，如圖6所示，為規(guī)劃審批提供及時直觀的方案效果。可分別針對模型和材質(zhì)編輯進(jìn)行操作，模型操作可通過參數(shù)設(shè)置和交互式設(shè)置等方式調(diào)整方案模型的形體、位置和方位等，材質(zhì)編輯實現(xiàn)紋理、貼圖以及屬性的調(diào)整。

圖6 方案調(diào)整

(5)BIM方案管理

如圖7所示，BIM方案管理模塊用于方案的創(chuàng)建和管理，方便規(guī)劃項目和報件方案的創(chuàng)建、編輯、模型數(shù)據(jù)和附件材料的導(dǎo)入和管理等業(yè)務(wù)工作。實現(xiàn)城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)、二維規(guī)劃數(shù)據(jù)和方案數(shù)據(jù)的集成管理。支持從本地導(dǎo)入BIM模型方案到場景中。

圖7 方案管理

(6)地下管線審查分析

地下管線審查分析模塊實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的二三維一體化，集成地上三維建筑和地下BIM管線模型于一體，直觀展現(xiàn)地下管線的相互關(guān)系。通過三維實景中對BIM管線模型的分析和模擬，避免市政建設(shè)過程中道路的多次開挖，降低施工中地下設(shè)施的矛盾與事故隱患，提高管線工程規(guī)劃設(shè)計、施工與管理的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[19]。

地下管線審查分析主要包含BIM管線模型的瀏覽查詢與統(tǒng)計、橫斷面分析、縱斷面分析、流向分析、開挖分析、連通分析、間距分析、埋深分析、爆管分析等分析功能以及泄露擴(kuò)散模擬和沖突檢測，開挖分析如圖8所示。

圖8 開挖分析

5 結(jié) 論

本文通過將3D GIS與BIM技術(shù)結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了基于BIM的三維規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)，使得城市規(guī)劃管理者能夠在一個虛擬的環(huán)境中，突破二維平面的限制，進(jìn)行局部的規(guī)劃和建筑設(shè)計方案與周邊景觀進(jìn)行綜合分析與研判，以提升方案功能性和舒適性審查的科學(xué)性。實現(xiàn)了方案審查從傳統(tǒng)三維效果圖審查模式的“腦”中轉(zhuǎn)向直觀三維場景的“眼”中，并結(jié)合BIM模型豐富的語義信息，為方案論證提供更為切實可靠的依據(jù)。同時，3D GIS+BIM的三維規(guī)劃審查方式可為竣工驗收提供驗收的參考標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)劃條件核實階段，所提交的竣工成果應(yīng)與三維規(guī)劃方案相匹配。項目建成后，還可將竣工BIM成果更新到現(xiàn)狀庫中，保證現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，實現(xiàn)BIM成果的共享。

以此研究結(jié)果為基礎(chǔ)，后續(xù)可結(jié)合IOT、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，將虛擬和現(xiàn)實城市緊密聯(lián)系起來，實現(xiàn)從項目立項到竣工驗收不同階段的規(guī)劃、設(shè)計、審批和監(jiān)管，業(yè)務(wù)范圍從規(guī)劃管理、工程建設(shè)管理過渡到城市運行管理，從而實現(xiàn)智慧城市的規(guī)建管一體化管理，進(jìn)而為“數(shù)字孿生”城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。