王玲莉，戴晨光，馬 瑞

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052）

GIS與BIM集成在城市建筑規(guī)劃中的應(yīng)用研究

王玲莉1，戴晨光1，馬 瑞1

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052）

為提高城市建筑規(guī)劃的質(zhì)量與效率，在GIS系統(tǒng)中采用了BIM信息進(jìn)行城市建筑規(guī)劃，并在城市建筑空間分析上進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，這種將微觀領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)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(fā)展方向。

GIS；BIM；城市建筑規(guī)劃

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

GIS數(shù)據(jù)是空間信息的基礎(chǔ)，集成了三維城市模型的信息，為龐大的城市建筑規(guī)劃數(shù)據(jù)提供了有效的管理、存儲(chǔ)和維護(hù)手段，很多城市空間管理系統(tǒng)都是基于GIS開發(fā)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(shí)呈現(xiàn)地理環(huán)境，透過三維建模技術(shù)展示建筑物外觀以及地理位置，而對于建筑物內(nèi)部信息、成本、承包商、設(shè)計(jì)變更等信息卻無法進(jìn)一步取得，致使很多人對GIS的認(rèn)知僅停留在查看建筑物的空間信息、呈現(xiàn)建筑物外觀、結(jié)合虛擬實(shí)景技術(shù)進(jìn)行特定空間的導(dǎo)覽等狹隘的應(yīng)用?？傮w上講，GIS是管理建筑物外部環(huán)境信息、用相關(guān)工具建立信息以及搭建GIS管理平臺。

在城市建筑規(guī)劃中，只對城市建筑物外部環(huán)境信息進(jìn)行整合管理，會(huì)忽略掉很多影響建筑物規(guī)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(xiàn)彌補(bǔ)了這種不足。BIM（building information modeling）即建筑信息模型，是在三維技術(shù)的支持下進(jìn)行建筑數(shù)據(jù)收錄與展示的平臺；是全壽命周期管理模式的成熟應(yīng)用，幫助項(xiàng)目管理企業(yè)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(shù)字化為載體，以建筑物的全生命周期為主線，將建筑生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)所需要的信息關(guān)聯(lián)起來，形成的建筑信息集[4]。BIM不僅能用三維實(shí)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(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)。在建筑領(lǐng)域，建筑從設(shè)計(jì)到施工產(chǎn)生大量的信息，特別是建筑設(shè)計(jì)三維模型，包含了建筑詳細(xì)的空間信息，各種信息集合在一起形成BIM。而在三維GIS領(lǐng)域，主要研究如何對城市建筑物三維建模，獲得建筑的詳細(xì)空間信息。BIM和GIS的融合首先要解決的是兩個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)共享問題。市場中大多數(shù)BIM軟件支持IFC標(biāo)準(zhǔn)，提供IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的建筑產(chǎn)品，以IFC標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)流通。IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件有很好的平臺無關(guān)性，是一種中性的數(shù)據(jù)文件，具有很好的自描述能力，不會(huì)因?yàn)檐浖到y(tǒng)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(xiàn)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(jìn)行了定義，但該標(biāo)準(zhǔn)對建筑物的細(xì)節(jié)描述十分有限。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的準(zhǔn)確、詳細(xì)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)[5]。在2009年，CityGML新的擴(kuò)展，即GeoBIM作為標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)行，通過GeoBIM，IFC的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入CityGML中，從而促進(jìn)了BIM與GIS的融合。

BIM和GIS融合后的應(yīng)用很廣闊，如國土安全、室內(nèi)導(dǎo)航、三維城市建模、市政模擬和資產(chǎn)管理等諸多領(lǐng)域。BIM在國內(nèi)應(yīng)用很少，行業(yè)內(nèi)應(yīng)該關(guān)注BIM和GIS結(jié)合所帶來的各種好處，如思路的轉(zhuǎn)變、成本的降低以及效率的提高。本文驗(yàn)證了BIM和GIS融合助力城市建筑規(guī)劃應(yīng)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(jīng)實(shí)現(xiàn)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(guī)劃方案對比分析等方面的應(yīng)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(huì)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(jià)格昂貴的的激光雷達(dá)掃描，成本太高且生成的建筑物模型沒有室內(nèi)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(nèi)部空間信息。綜合BIM和GIS，先對建筑物進(jìn)行建模，然后把建筑物空間信息與周圍地理環(huán)境共享，應(yīng)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(fā)，有助于設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)質(zhì)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(xì)表都是同一個(gè)建筑模型數(shù)據(jù)庫的信息表現(xiàn)形式。

模型建立是全過程的基礎(chǔ)和核心，包含室內(nèi)和室外2種，這2種模型表現(xiàn)重點(diǎn)不一樣。室內(nèi)模型由于空間范圍較小，所以制作要求比較精細(xì)，非常注重一些小的造型細(xì)節(jié)；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(shí)現(xiàn)，這樣可以提高模型實(shí)時(shí)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(nèi)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(nèi)物體建模，建成后組合各對象模型，然后對場景進(jìn)行渲染，生成真實(shí)感模型場景。模型完成后，還要對模型質(zhì)量進(jìn)行檢查和控制，如果沒有這個(gè)流程，就無法知道模型制作是否正確，是否能夠在實(shí)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(guī)劃

BIM有相應(yīng)的工具來生產(chǎn)和管理建筑模型信息，GIS是用相關(guān)專業(yè)工具收集建筑物模型信息來構(gòu)建平臺。BIM面向的對象明確，數(shù)量有限，管理室內(nèi)信息有一定的優(yōu)勢。不是任何時(shí)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(huán)境發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)GIS無需BIM的任何信息；如果建立虛擬景觀三維系統(tǒng)，BIM的可視化模型信息就有很大的作用。隨著智慧城市技術(shù)的快速發(fā)展，很多人理解智慧城市僅僅是根據(jù)使用目的建立不同的GIS系統(tǒng)，但事實(shí)上不管是數(shù)字城市還是智慧城市，只有GIS系統(tǒng)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(huán)境的搭配效果是否能協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)性、模擬性和優(yōu)化性建立建筑物BIM可視化信息的三維GIS系統(tǒng)。在對建筑物進(jìn)行管理的同時(shí)，還可利用計(jì)算機(jī)對空間建筑物進(jìn)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(jì)算等。三維測量就是為這些面積、間距的設(shè)計(jì)提供合理的數(shù)據(jù)。在建筑物很密集、超高建筑很多的情況下，測量的難度會(huì)加大，而在GIS與BIM集成的三維空間地理信息系統(tǒng)中，三維測量可以很好地解決這個(gè)問題。在進(jìn)行距離量測時(shí)，只需單擊要測量線段的兩個(gè)端點(diǎn)，三維實(shí)景窗口中就會(huì)顯示出距離；在進(jìn)行高度量測時(shí)，單擊兩個(gè)點(diǎn)就可知道該兩點(diǎn)之間的高度；在進(jìn)行角度量測時(shí)連續(xù)點(diǎn)擊三個(gè)點(diǎn)，就可求出以第二個(gè)點(diǎn)為頂點(diǎn)的角度值；在進(jìn)行面積量測時(shí)，連續(xù)單擊測量區(qū)域的各個(gè)頂點(diǎn)，就可以求得該區(qū)域的面積。演示結(jié)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(nèi)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(biāo)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(gè)方面：遮擋分析、單點(diǎn)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(jié)日照情況對建筑物的高度、體積等的影響，并且計(jì)算出建筑物的日照時(shí)間、陰影面積等數(shù)據(jù)，然后通過三維模型展示現(xiàn)實(shí)光影效果。在基于GIS與BIM的三維空間地理信息系統(tǒng)中，利用BIM的模擬性，先模擬設(shè)計(jì)出的建筑物模型，再模擬不能在真實(shí)世界中的操作，如日照分析。使用該系統(tǒng)對某點(diǎn)進(jìn)行日照分析時(shí)，必須要知道太陽相對于該點(diǎn)的位置，太陽高度角和方位角是表征太陽位置的參數(shù)，對應(yīng)的計(jì)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(zhuǎn)換的乘數(shù)因子；δ、t分別表示地表點(diǎn)的緯度和時(shí)角。太陽位置的準(zhǔn)確度直接影響日照分析效果。

日照分析涉及到時(shí)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(jìn)行人工計(jì)算分析是非常困難的，但是如果通過城市數(shù)字三維模型將這些因素以一種形象化的方式表現(xiàn)出來就變得簡單很多，要分析規(guī)定時(shí)間點(diǎn)各棟建筑之間的遮擋與被遮擋情況，即遮擋分析，可以根據(jù)建筑物陰影分析來獲取建筑物的遮擋情況?？筛鶕?jù)日照分析結(jié)果來判斷建筑物之間的距離是否合理，為建筑物規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。當(dāng)一個(gè)建筑物被另外一個(gè)建筑物遮擋時(shí)，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(nèi)的通視分析主要是為了對建筑物的高度進(jìn)行控制，是城市空間結(jié)構(gòu)研究的基本問題，科學(xué)合理的建筑物通視分析讓城市中一些重要的景點(diǎn)和景觀周圍的建筑都具有適當(dāng)?shù)某叨?，從而保護(hù)了景點(diǎn)或景觀的視覺效果。通視分析是以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，研究某一區(qū)域的通視情況。通視分析的基本內(nèi)容有3 個(gè)，一是兩點(diǎn)之間的可視性分析；二是可視域分析，即給定一個(gè)觀察點(diǎn)，基于一定的相對高度，分析給定范圍內(nèi)觀察點(diǎn)所能通視覆蓋的區(qū)域；三是多點(diǎn)通視面積的交集計(jì)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(biāo)的通視性檢查算法[7]，是現(xiàn)有通視性檢查算法的一種改進(jìn)。該算法通過求取視線和地形點(diǎn)在地球表面投影交點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，用線性差值計(jì)算兩連線在該經(jīng)緯度的高程來進(jìn)行通視性判定，不需要將球面上的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，而且能夠考慮到地球曲率對通視性的影響。在分析時(shí)，要計(jì)算視線在檢查點(diǎn)處的高程。設(shè)視線上的視點(diǎn)為A，目標(biāo)點(diǎn)為B，視線在球面上的投影與A點(diǎn)和B點(diǎn)連線在球面上投影的交點(diǎn)為T，T為檢查點(diǎn)，TAB為T在視線上對應(yīng)的點(diǎn)，（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（xAB，yAB，zAB）為A、B、TAB的地心慣性坐標(biāo)，TAB點(diǎn)的高程為h，計(jì)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(jīng)度。當(dāng)h小于檢查點(diǎn)T的實(shí)際高度時(shí)，則判定不能通視；若h大于檢查點(diǎn)T的實(shí)際高度時(shí)，則在下一檢查點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算判斷，依次求出檢查點(diǎn)可以看見的所有點(diǎn)。

圖4是利用城市三維模型對檢查點(diǎn)進(jìn)行通視分析的結(jié)果展示，其中紅色區(qū)域代表的是該檢查點(diǎn)的可見區(qū)域，黃色區(qū)域代表的是不可見區(qū)域，說明視野前的建筑物比檢查點(diǎn)高，遮擋檢查點(diǎn)的視線。

圖4 通視分析

2.4 建筑設(shè)計(jì)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(shí)施，但是在實(shí)際操作過程中，有很多地方需要反復(fù)修改，最初設(shè)計(jì)的方案和中標(biāo)的方案往往大徑相庭[8]。所以好的設(shè)計(jì)方案都是要經(jīng)過多方位、多角度、多層次的分析對比，對總體規(guī)劃、建設(shè)方造型要求、投資規(guī)模、建筑節(jié)能等多方面進(jìn)行深入的分析，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不要局限于一套設(shè)計(jì)方案，多個(gè)方案會(huì)有更強(qiáng)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(shè)計(jì)師們都是在二維圖紙上展現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)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(dá)，建筑物的材質(zhì)、立體結(jié)構(gòu)以及與周邊環(huán)境的相互關(guān)系也得不到充分的體現(xiàn)。在GIS系統(tǒng)中利用BIM進(jìn)行方案設(shè)計(jì)能更加生動(dòng)形象地展現(xiàn)建筑物各方面的信息，可在建筑物建造前對各種問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過幾套設(shè)計(jì)方案的比較得出最優(yōu)方案。BIM模型提供了建筑物的準(zhǔn)確信息，還提供了建筑物變化后的情況，并且可以對設(shè)計(jì)上的一些需求進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。如圖5所示，系統(tǒng)將幾套不同的方案展示在不同窗口中進(jìn)行比較，分析后可以看出，窗口三的設(shè)計(jì)方案明顯比窗口四更加合理，因?yàn)榇翱谒闹械母邔咏ㄖζ浜蠓降牡蛯咏ㄖ袊?yán)重的遮擋。

圖5 方案對比分析

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文建立的模型是以長江水利委員會(huì)為中心的區(qū)域，周圍分別是解放大道、黃浦路、永清路、建設(shè)大道、武漢大道，地勢比較平坦，高度差在4 m內(nèi)，區(qū)域面積大約0．7 km2，主要地物有辦公大樓、中小學(xué)、酒店、花園以及服務(wù)類的普通店面。利用上述方法建立實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)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(tǒng)中對建筑物進(jìn)行三維測量、日照分析、通視分析以及建筑設(shè)計(jì)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(zhǔn)確地進(jìn)行建筑物的可視性分析，建筑設(shè)計(jì)方案對比分析模塊使建筑規(guī)劃結(jié)果更具有說服力。以上結(jié)果驗(yàn)證了BIM與GIS的集成應(yīng)用到城市建筑規(guī)劃中的可行性、科學(xué)性以及正確性，GIS與BIM在管理建筑物上的這種功能互補(bǔ)性將會(huì)使越來越多的城市規(guī)劃者關(guān)注這種方式的巨大潛力。

4 結(jié) 語

在GIS系統(tǒng)中應(yīng)用BIM對建筑物進(jìn)行分析，不僅有助于科學(xué)合理地進(jìn)行城市規(guī)劃，還可以對建筑設(shè)計(jì)提供技術(shù)上的幫助和支持。本文展示的只是GIS與BIM集成應(yīng)用的一部分，希望在今后的工作中能開展更加全面的研究。

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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?yàn)閿z影測量與遙感。

2015-11-10。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271450，41471336）。