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，也是建設工程質量管理的重要手段和城市科學規(guī)劃的基礎保障。傳統(tǒng)規(guī)劃設計和審批方式在技術方案審查時常基于CAD數(shù)據(jù)以及效果圖的方式開展，且其通常僅關注建筑物個體，因此該方法缺乏直觀可視化表達和定量分析能力[1]，從而不利于表達設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)調性，也有悖于城市的整體規(guī)劃和科學設計。隨著智慧城市建設的深入推進，3D GIS技術在城市規(guī)劃領域得到了長足的應用，其已成為輔助規(guī)劃審批的有力手段之一[2，3]。BIM技術可以為建筑方案提供豐富的幾何語義和建設工程項目各種相關的工程信息，因此其可為城市規(guī)劃和精細化管理提供有力幫助[4～6]。隨著3D GIS技術和BIM的快速發(fā)展，集成上述兩種技術手段可為建筑規(guī)劃設計[7]、建筑許可審查[8]和室內空間拓撲研究[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詳細的屬性內容可以更準確反映地塊之上的土地開發(fā)強度、人口數(shù)量、設施設備數(shù)量等信息，讓規(guī)劃評估更準確。同時，基于BIM的規(guī)劃審批可以在施工前進行建筑與水電等的整合，及早發(fā)現(xiàn)工程在進行不同作業(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)劃設計的質量，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信息模型的基礎上，將BIM豐富的語義信息和3D GIS強大的空間分析和可視化分析能力相結合，設計并實現(xiàn)基于BIM的三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，以促進城市規(guī)劃設計和建筑方案審查的科學性，為精細化的城市規(guī)劃提供幫助。

2 系統(tǒng)總體框架設計

在充分融合規(guī)劃空間數(shù)據(jù)和BIM信息模型的基礎上建立三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，為規(guī)劃設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用。系統(tǒng)采用主流的B/S架構設計，系統(tǒng)總體架構如圖1所示：

圖1 總體結構

系統(tǒng)總體設計遵循從下而上的原則，第一層是基礎設施層：該層提供網(wǎng)絡環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫平臺以及相應的存儲設備、安全設施和計算設施等，它是信息化系統(tǒng)的軟硬件設施基礎，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)庫可由建設單位提供的BIM信息模型獲得，審批過程的業(yè)務數(shù)據(jù)與文件存儲于業(yè)務數(shù)據(jù)庫與文件庫中。

第三層是基礎支撐平臺層，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。

第四層是應用層，該層面向三維規(guī)劃設計與審查需求，側重實現(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方案調整、BIM方案管理和地下管線審查分析等應用。接口體系包括二三維場景聯(lián)動接口、規(guī)劃綜合應用平臺(規(guī)劃業(yè)務系統(tǒng))接口和多規(guī)合一信息聯(lián)動平臺(或一張藍圖系統(tǒng))接口。系統(tǒng)可采用靈活的方式開發(fā)與相關系統(tǒng)的接口，以便服務于城市規(guī)劃設計和審查，并進一步促進智慧城市建設成果共享[10]。

除此之外，系統(tǒng)還須建立相關的標準規(guī)劃和保障機制，包括數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)更新保障機制、組織機構與政策法規(guī)保障等，以防止信息管理混亂，從而保證信息化建設和運作的規(guī)范發(fā)展。

3 關鍵技術

(1)輕量級的BIM數(shù)據(jù)與3D GIS平臺集成技術

BIM模型數(shù)據(jù)貫穿設計、施工和后期管理的各個過程中，富含豐富的建筑結構細節(jié)描述和相關工程設施信息。相對于三維規(guī)劃設計和審查應用而言，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，過濾與其關聯(lián)度較低的語義信息，提取對于規(guī)劃設計和方案審查重要的BIM關鍵要素，如門、窗、墻面、柱、橫梁、天花板、地板、電氣等。并最終過濾室內不必要的附屬設施和細節(jié)。采用IFC和City GML之間的語義映射方式，將過濾的IFC實體和語義信息轉換成City GML表達形式，并采用City GML豐富的紋理和材質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換[12，16]。借助輕量級的BIM數(shù)據(jù)與3D GIS平臺集成技術既能在三維規(guī)劃應用中保留BIM豐富的信息，又能保證GIS強大的空間分析能力。

(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)結構、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、控高分析等技術手段，使其能對方案中的BIM模型進行綜合性分析，為規(guī)劃設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，引導方案設計與評審趨于合理，避免顧此失彼，提升方案的科學性，倡導綠色建筑，為城市規(guī)劃提供輔助決策，并自動生成分析報告。

4 設計與實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)標準設計

報件提交的BIM模型的建設標準不一，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)劃設計和報件相關的標準體系，通過制訂數(shù)據(jù)標準來規(guī)范系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、提交、入庫、管理及維護，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)范的標準體系支撐[13]。數(shù)據(jù)標準對提交的成果格式、命名規(guī)范、制作要求、模型精細度、構件編碼要求、材質和貼圖要求、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)務數(shù)據(jù)及文件數(shù)據(jù)組成。以上數(shù)據(jù)構成內容豐富、精度準確的BIM規(guī)劃審批數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)建設提供數(shù)據(jù)支撐，其中三維模型最大限度地以BIM模型設計建設，以實現(xiàn)建筑信息的全面表達、更新與共享。

數(shù)據(jù)資源體系 表1

4.3 系統(tǒng)功能設計

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方案管理與調整和地下管線審查分析等功能應用。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、指標統(tǒng)計、地下管網(wǎng)分析等內容，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面的影響，最終實現(xiàn)方案的優(yōu)化設計[14]。

(1)三維瀏覽展示

三維瀏覽展示是系統(tǒng)基礎模塊，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、場景標簽和動畫導航等，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)上把握方案的科學性，還可以通過指標和參數(shù)進一步分析佐證方案的可行性，最終實現(xiàn)城市設計和方案的優(yōu)化和改進。

三維規(guī)劃輔助分析功能設計包含[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)劃指標和建筑屬性，依據(jù)年代與結構等信息實現(xiàn)建筑物分類統(tǒng)計并模擬預估拆遷量，為舊城改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。實現(xiàn)建筑物分類分析、拆遷量預估和規(guī)劃指標計算等功能。

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、三維效果圖和設計指標在統(tǒng)一界面內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)務審批的附圖使用。

(4)BIM方案調整

BIM方案調整模塊用于在方案審核階段對審批的BIM模型進行編輯和調整，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編輯進行操作，模型操作可通過參數(shù)設置和交互式設置等方式調整方案模型的形體、位置和方位等，材質編輯實現(xiàn)紋理、貼圖以及屬性的調整。

圖6 方案調整

(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)和附件材料的導入和管理等業(yè)務工作。實現(xiàn)城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃設計數(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，避免市政建設過程中道路的多次開挖，降低施工中地下設施的矛盾與事故隱患，提高管線工程規(guī)劃設計、施工與管理的準確性和科學性[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 論

本文通過將3D GIS與BIM技術結合，設計并實現(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，進行局部的規(guī)劃和建筑設計方案與周邊景觀進行綜合分析與研判，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”中轉向直觀三維場景的“眼”中，并結合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準，在規(guī)劃條件核實階段，所提交的竣工成果應與三維規(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。

以此研究結果為基礎，后續(xù)可結合IOT、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術，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、設計、審批和監(jiān)管，業(yè)務范圍從規(guī)劃管理、工程建設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，進而為“數(shù)字孿生”城市建設提供數(shù)據(jù)支撐。