王曉軒 盧集富 林錦眉

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院， 廣東 廣州 511325）

0 引言

隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，建筑物信息模型（Building Information System，BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）在不同領(lǐng)域中均可為用戶提供三維模型表述[1]。然而兩種信息技術(shù)在處理對(duì)象的尺度上存在較大不同，GIS 所針對(duì)的建筑物模型是以地物模型的基底參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)模型進(jìn)行虛擬建構(gòu)和重現(xiàn)，對(duì)于建筑物本身的構(gòu)件和內(nèi)部的圖元管理并不涉及[2，3]，BIM 側(cè)重于對(duì)建筑物單體信息的管理與應(yīng)用，涉及到大范圍的空間管理時(shí)無法發(fā)揮有效的功能。本文嘗試將兩種空間信息技術(shù)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在微觀圖元信息層面使用BIM技術(shù)參與構(gòu)建，建模參數(shù)通過校園實(shí)際測(cè)繪所得，將尺寸詳情在建模軟件Revit族環(huán)境中進(jìn)行建模編輯，建立參數(shù)化的校園建筑物及地物三維模型，然后利用 GIS軟件中的地形工具，將上述校園三維模型與校園環(huán)境進(jìn)行融合，創(chuàng)建建筑物與場(chǎng)地三維一體化的場(chǎng)景模型。在已有的研究中，李德超從數(shù)據(jù)組織、應(yīng)用模型等方面探討了BIM 技術(shù)在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用，并分析了 BIM與GIS在應(yīng)用中的區(qū)別[4]；湯圣君等進(jìn)行了BIM 與 GIS 數(shù)據(jù)集成在建筑幾何語義信息互操作技術(shù)方面的研究[5]；薛梅設(shè)計(jì)了建筑構(gòu)件信息模型BCM，該模型參考了IFC標(biāo)準(zhǔn)，并考慮了數(shù)字城市應(yīng)用的特點(diǎn)，并提出了一種三維數(shù)字城市與建筑信息模型集成的解決路徑[6]。本研究將進(jìn)一步論證兩種空間技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)在應(yīng)用中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是校園測(cè)量數(shù)據(jù)，包括測(cè)量圖件、坐標(biāo)、尺寸文檔等數(shù)據(jù)，在Revit 軟件環(huán)境中，通過建立項(xiàng)目，設(shè)定場(chǎng)地等建立模型場(chǎng)地基礎(chǔ)，然后導(dǎo)入底圖，進(jìn)行基礎(chǔ)建模。建立建筑模型過程制作繁瑣，工作量大，是用時(shí)較長(zhǎng)的基礎(chǔ)性工作[7，8]，由于校園中的建筑造型較為復(fù)雜，因此對(duì)于建筑物的部分構(gòu)件進(jìn)行了單獨(dú)的族制作。創(chuàng)建族的方式分為新建族和內(nèi)建模型兩種。

新建族方式以校園建筑物中的窗為例，窗為校園建筑物外立面中重要的圖元，在建模前的外業(yè)測(cè)繪中，對(duì)于窗的細(xì)節(jié)尺寸進(jìn)行了測(cè)繪，結(jié)合窗的材質(zhì)和外觀，選定了對(duì)應(yīng)的材質(zhì)庫(kù)，獲得了窗的基礎(chǔ)參數(shù)。在內(nèi)業(yè)建模中，首先選擇適合的族樣板文件，定義相應(yīng)的子類別以控制繪圖對(duì)象的可見性，然后在平面或立面視圖中創(chuàng)建參照平面，給參照平面添加尺寸標(biāo)注，以尺寸標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽化的方式來去約束模型的參數(shù)，在設(shè)定時(shí)要分別創(chuàng)建類型或?qū)嵗齾?shù)，接下來使用創(chuàng)建命令完成圖形的繪制并鎖定在參照平面，最后通過定義不同的參數(shù)值檢驗(yàn)參數(shù)能否準(zhǔn)確驅(qū)動(dòng)模型。檢測(cè)無誤之后，保存新創(chuàng)建的族，將其加載到項(xiàng)目文件中進(jìn)行使用測(cè)試。

內(nèi)建模型是在項(xiàng)目?jī)?nèi)部中特有的或?qū)Ｓ玫臉?gòu)件，例如校園中的一些臺(tái)階、坡道或者景觀，無需在其他項(xiàng)目中利用，即采用在項(xiàng)目中內(nèi)建模型的方式。以校園中的無障礙坡道為例，以外業(yè)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)尺寸進(jìn)行模型創(chuàng)建，方式過程與新建族的過程類似，通過定義邊界的方式繪制草圖，由軟件根據(jù)創(chuàng)建命令生成模型，欄桿部分通過具體參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)定義其位置和組合方式。

2 建筑圖元建模

2.1 定義標(biāo)高和軸網(wǎng)

標(biāo)高是三維建筑模型創(chuàng)建中重要的參照，控制高度信息，標(biāo)高可根據(jù)項(xiàng)目要求創(chuàng)建樓層平面視圖。在Revit中定義標(biāo)高，需要在立面視圖或剖面視圖中，使用建筑選項(xiàng)卡中的基準(zhǔn)面板里的標(biāo)高命令直接繪制，或者使用復(fù)制、陣列等命令創(chuàng)建，標(biāo)高作為系統(tǒng)族，可以根據(jù)需要修改其實(shí)例或類型參數(shù)。

軸網(wǎng)可在平面視圖中進(jìn)行繪制，作為平面繪圖時(shí)的定位參考，軸網(wǎng)是垂直于平面視圖的一個(gè)工作平面，其也是系統(tǒng)族，可對(duì)其編號(hào)、符號(hào)樣式等進(jìn)行修改定義，在任一平面視圖中創(chuàng)建的軸網(wǎng)會(huì)顯示在所有標(biāo)高，若要在不同的標(biāo)高定義不同的軸網(wǎng)，需要對(duì)軸網(wǎng)進(jìn)行2D參數(shù)的切換，在相應(yīng)的樓層修改完成之后，可設(shè)定影響范圍，將其應(yīng)用到其他標(biāo)高。在建模前，應(yīng)先定義標(biāo)高，再繪制軸網(wǎng)。

2.2 主體圖元的創(chuàng)建

本實(shí)驗(yàn)中的主圖圖元包括墻體、柱、梁、樓板等。本次建模實(shí)例中，前期的外業(yè)測(cè)繪收集了關(guān)于內(nèi)外墻體的構(gòu)造、外觀、材質(zhì)等多類數(shù)據(jù)和參數(shù)，并采集了其外觀圖片，制作了參數(shù)和素材庫(kù)。單體建筑建模時(shí)先繪制外墻，在平面視圖中，參照軸網(wǎng)進(jìn)行拾取或者繪制，內(nèi)墻的參數(shù)較為簡(jiǎn)單，使用族樣板中的類型進(jìn)行參數(shù)修改，并設(shè)置其外觀參數(shù)即可。柱和梁的添加同樣以實(shí)測(cè)參數(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)柱和梁系統(tǒng)，在剖面中使用填充的方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)。樓板的繪制同樣在樓層平面視圖，在實(shí)例參數(shù)中定義樓板的標(biāo)高和偏移值，在類型參數(shù)中定義其具體的構(gòu)造及材質(zhì)信息，繪制時(shí)通過草圖定義其邊界，也可通過拾取墻體的方式，在樓板創(chuàng)建之后，與墻體保持關(guān)聯(lián)。

2.3 幕墻、屋頂?shù)慕?/h3>

校園中的綜合樓、圖書館等建筑外立面有大量的幕墻構(gòu)件，在Revit中幕墻包含幕墻、外部玻璃、店面三種類型，構(gòu)件包括幕墻網(wǎng)格、豎梃和幕墻嵌板組成。

幕墻繪制時(shí)與墻體類似，其實(shí)例屬性中的設(shè)置也與墻體類似，對(duì)于其豎梃和幕墻嵌板，則由外業(yè)調(diào)查不同建筑物的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，包括豎梃的組合連接方式及轉(zhuǎn)角部分的設(shè)置，以及玻璃嵌板的具體類型。在造型方面，可使用編輯輪廓命令，對(duì)綜合樓部分有特殊造型的幕墻進(jìn)行形狀編輯。

屋頂是建筑的重要組成部分。本實(shí)驗(yàn)中校園建筑物多為跡線屋頂，宿舍樓為平屋頂。在Revit的建筑選項(xiàng)卡屋頂工具中提供了跡線、拉伸、面屋頂三種創(chuàng)建方式以及屋頂?shù)倪B接和修改工具。本實(shí)驗(yàn)中的建筑物屋頂建模時(shí)，尺寸參數(shù)根據(jù)外業(yè)測(cè)繪及無人機(jī)航拍圖得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)估算，外觀和材質(zhì)方面根據(jù)其實(shí)景進(jìn)行了模擬。

圖1 校園建筑物建模（教學(xué)樓）Fig.1 Modeling of school building

通過上述主體圖元的創(chuàng)建，完成校園主要建筑物的模型信息化。如圖1所示.校園中建筑模型完成后，可將其導(dǎo)入 ArcScence中，ArcScene 是 ArcGIS Desktop中專門用于顯示三維數(shù)據(jù)的獨(dú)立程序，可以瀏覽三維數(shù)據(jù)、創(chuàng)建表面、進(jìn)行表面分析、三維飛行模擬。在融合前，需進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，使用了IFC（Industry Foundation Classes）的標(biāo)準(zhǔn)格式[9，10]。首先將Revit中的項(xiàng)目文件數(shù)據(jù)以IFC 格式存儲(chǔ)，再利用Arcscene 中的數(shù)據(jù)互操作工具，將IFC 文件導(dǎo)入Arcscene 中。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入后，在 GIS軟件中可以查看到有效轉(zhuǎn)換的建筑物信息，這些信息使得三維模型的參數(shù)不僅包含地物的基底、位置，還包括了內(nèi)部的建筑構(gòu)件詳細(xì)的信息，將GIS對(duì)于空間的管理從外部延伸到了內(nèi)部，豐富了整個(gè)場(chǎng)景的信息。

3.2 建筑模型與場(chǎng)景景觀融合

ArcScene中的場(chǎng)景可以導(dǎo)出二維圖片或三維VRML 文件，這些文件可在普通瀏覽器中安裝插件進(jìn)行發(fā)布和瀏覽，在其圖層中添加的建筑模型，既可以展示場(chǎng)景環(huán)境也可以展示建筑物內(nèi)容的畫面和參數(shù)，根據(jù)模型的尺寸和空間位置，利用3D編輯器中的縮放、旋轉(zhuǎn)等命令對(duì)環(huán)境的位置進(jìn)行調(diào)整，使得模型與場(chǎng)景環(huán)境相融合匹配，實(shí)現(xiàn)一體化的展示。如圖2 所示。

圖2 BIM 模型與GIS場(chǎng)景 融合Fig.2 BIM model and GIS fusion

4 結(jié)論與展望

本實(shí)驗(yàn)基于校園實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，首先在Revit軟件中進(jìn)行了建筑物的基礎(chǔ)建模，然后嘗試通過IFC進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并將其導(dǎo)入了GIS平臺(tái)，達(dá)到了模型信息在兩種尺度上的融合，完成了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

通過單體建筑與場(chǎng)地信息的融合，進(jìn)一步完善了三維模型一體化的思路和方法，未來該方法可嘗試應(yīng)用于多種場(chǎng)合，例如小區(qū)域的精細(xì)規(guī)劃、古建筑的建模與保護(hù)、工程及房地產(chǎn)運(yùn)維的智能化等。本項(xiàng)目下一步將嘗試進(jìn)行建筑物內(nèi)部如室內(nèi)空間的快速建模信息化，以及地下管網(wǎng)智能化管理的優(yōu)化研究。