董明澤 王冕 李婷娜

（1.上海師范大學(xué)環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院 上海市 200234 2.上海市靜安區(qū)住房保障和房屋管理局 上海市 200040）

1 引言

建筑信息模型（BIM）技術(shù)是Autodesk 公司在2002年提出的，與傳統(tǒng)的三維建模相比BIM 建模的優(yōu)勢在于其建筑模型的各個構(gòu)件都有其屬性值，通過構(gòu)建具有集成信息的建筑三維模型為建筑工程提供信息交換與共享的平臺，實現(xiàn)了建筑信息的集成。雖然BIM模型具有豐富的語義信息，但是只能分析單體建筑及其內(nèi)部的構(gòu)建，不能與周圍的地理環(huán)境融合。

三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）在三維空間中具有連續(xù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和與之相應(yīng)的分析功能，與傳統(tǒng)2DGIS 相比，3DGIS 不僅可以更加直觀地展示空間信息，還具有更加強(qiáng)大的多維度空間分析功能。3DGIS 能夠?qū)崿F(xiàn)對三維地理空間數(shù)據(jù)的采集存儲、查詢管理、分析處理，但是在建筑物室內(nèi)信息的集成方面具有局限性，通過把BIM三維建筑模型導(dǎo)入到3DGIS，可以豐富微觀的室內(nèi)信息。

新一代信息技術(shù)的發(fā)展為智慧園區(qū)的建設(shè)提供了技術(shù)支持。智慧園區(qū)是智慧城市的基本單元與重要組成部分，能夠應(yīng)用以移動技術(shù)為代表的云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，實現(xiàn)對園區(qū)的監(jiān)測和管理[1]。建立全面的智慧園區(qū)平臺服務(wù)體系，有利于整合園區(qū)內(nèi)的各種資源，并且能夠加強(qiáng)園區(qū)內(nèi)部的互動溝通和管理能力。BIM 能夠提供園區(qū)建筑的信息模型，而3DGIS 能夠提供空間地理參考，因此通過BIM 與3DGIS 的跨界融合，將建筑物的室內(nèi)和室外、宏觀和微觀進(jìn)行整合，提供支撐智慧園區(qū)規(guī)劃與管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，賦能智慧園區(qū)建設(shè)，提升園區(qū)的品質(zhì)和管理水平。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對BIM與3DGIS集成技術(shù)此進(jìn)行了大量的研究和探索。BIM 結(jié)合GIS 支持在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用，如城市區(qū)域，建筑、道路網(wǎng)絡(luò)或地下設(shè)施都被連接起來，用于分析[2]。張誠浩等人僅研究證明了將BIM 模型與3DGIS 集成進(jìn)行室內(nèi)空間研究是可行的，模型轉(zhuǎn)換過程中大量語義信息丟失的問題仍無法解決[3]。武鵬飛等人初步實現(xiàn)了GIS 與BIM 數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化和融合，但幾何信息和屬性信息丟失、語義信息歧義等突出的問題沒有得到解決[4]。陳志楊等人實現(xiàn)了基于WebGL 的Revit 三維建筑模型重建，但系統(tǒng)缺乏對貼圖紋理、光線追蹤和光照模型進(jìn)行處理，并且對網(wǎng)絡(luò)寬帶有強(qiáng)烈的依賴性[5]。祁平利在理論研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于BIM 與3DGIS 的交通工程信息系統(tǒng)，并且已經(jīng)應(yīng)用在橋梁施工，但是尚未進(jìn)行兩者的深度融合和模型輕量化[6]。趙敬紅等人對GIS與BIM 技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并探索了GIS 和BIM 集成在城市建筑規(guī)劃中的應(yīng)用[7]。從以上研究看，BIM與3DGIS集成技術(shù)應(yīng)用廣泛，但是由于不同平臺結(jié)合本身的缺陷，在格式轉(zhuǎn)換過程中普遍存在色差和精度損失的問題，所以仍然需要不斷的對高精度的BIM與3DGIS集成方法進(jìn)行探索。本文對BIM與3DGIS集成技術(shù)進(jìn)行研究，為智慧園區(qū)的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)部分園區(qū)的三維空間分析功能，以期為智慧園區(qū)的規(guī)劃和管理提供經(jīng)驗和借鑒。

2 研究對象與技術(shù)路線

本文的研究對象是一個規(guī)劃設(shè)計階段的科技園區(qū)，該園區(qū)總體規(guī)劃建設(shè)十棟建筑，其中5 號樓、7 號樓、10 號樓屬于低層建筑，1 號樓、3 號樓、4 號樓、6 號樓、8 號樓、9 號樓屬于多層建筑，2號樓屬于高層建筑。園區(qū)的總平面圖如圖1所示。

圖1：某科技園區(qū)規(guī)劃總平面圖

通過BIM 與3DGIS 技術(shù)的深度融合，開展智慧園區(qū)規(guī)劃與管理的研究。主要研究了以下問題：

（1）構(gòu)建BIM 模型。使用專業(yè)的三維建筑建模軟件Revit 根據(jù)CAD 圖紙，對園區(qū)內(nèi)的各個單體建筑依次進(jìn)行外形和內(nèi)部構(gòu)建的精細(xì)建模。

（2）將BIM 模型轉(zhuǎn)換為3DGIS 模型?；赟uperMap-Revit插件來對接Revit 數(shù)據(jù)，并將其在3DGIS 平臺中進(jìn)行地理配準(zhǔn)和整飾。

（3）基于園區(qū)三維模型的園區(qū)綜合應(yīng)用。分別3DGIS 平臺Phoenics 和SuperMap iDesktop 10i 對園區(qū)三維模型進(jìn)行日照分析、可視域分析和室外風(fēng)環(huán)境分析。實現(xiàn)了樓宇漫游與信息查詢、園區(qū)三維可視化展示以及園區(qū)三維空間分析，以期為智慧園區(qū)的規(guī)劃和管理提供經(jīng)驗和借鑒。

本文研究的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2：技術(shù)路線圖

3 BIM與3DGIS集成的建筑信息模型構(gòu)建

3.1 構(gòu)建BIM模型

構(gòu)建BIM 模型可以分為AutoCAD 圖紙預(yù)處理和Revit 建模工作兩步。第一步，利用AutoCAD 軟件對園區(qū)CAD 圖紙進(jìn)行預(yù)處理，準(zhǔn)備CAD 圖紙（*.dwg），將建筑物各樓層的平面圖依次導(dǎo)出。第二步，鏈接相應(yīng)的CAD 圖紙到Revit 軟件，并開始BIM 建模。在任一立面視圖根據(jù)目標(biāo)建筑物的樓層數(shù)和樓高繪制標(biāo)高，并為每層標(biāo)高鏈接與其相應(yīng)樓層的平面CAD 圖紙，將導(dǎo)入單位設(shè)置為毫米，導(dǎo)入后使用“對齊標(biāo)注”工具檢驗圖紙的比例是否正確。將鏈接的CAD 圖紙作為底圖進(jìn)行描圖，為建筑繪制墻體、樓板、天花板，放置門窗、樓梯、電梯等構(gòu)件，并選擇合適的材質(zhì)和尺寸。2 號樓和4 號樓采用上述方法精細(xì)化建模，最終模型見圖3 及圖4。

圖3：2 號樓BIM 模型

圖4：4 號樓BIM 模型

構(gòu)建完成的BIM 模型可以應(yīng)用于樓宇管理，實現(xiàn)室內(nèi)全景漫游和構(gòu)建信息查詢功能。

BIM 三維模型與傳統(tǒng)二維圖紙相比較，能夠直觀、真實的展示建筑物內(nèi)部構(gòu)造，室內(nèi)全景漫游能夠?qū)崿F(xiàn)使用戶直接進(jìn)入三維建筑物模型的內(nèi)部進(jìn)行查看，并且可以點擊構(gòu)件查看其尺寸、材質(zhì)等屬性信息，因此該集成模型可以為園區(qū)運維管理部門提供集成的樓宇信息，還可以為租賃和購房的客戶提供三維展示平臺。在緊急的情況下，故障設(shè)備的修理人員也可以通過建筑內(nèi)部的室內(nèi)漫游快速定位到故障設(shè)備位置，特別是建筑中不能被直觀看到的隱蔽設(shè)備，如水、電、氣等。在Revit 平臺中4 號樓的樓梯間布置展示效果及屬性信息查詢結(jié)果如圖5所示。

圖5：4 號樓樓梯間布置及屬性信息查詢結(jié)果

3.2 BIM與3DGIS格式轉(zhuǎn)換

基于3DGIS 超圖平臺提供的SuperMap-Revit 插件實現(xiàn)Revit 數(shù)據(jù)的對接。在進(jìn)行BIM 與3DGIS 格式轉(zhuǎn)換之前，需要確保Revit和SuperMap iDesktop 10i 兩平臺間的數(shù)據(jù)單位是統(tǒng)一的。Revit 軟件中構(gòu)建的BIM 模型和AutoCAD 軟件中的總規(guī)劃圖紙的默認(rèn)單位都是毫米，在導(dǎo)入之前需要進(jìn)行統(tǒng)一單位的初步處理，轉(zhuǎn)換為與SuperMap iDesktop 10i 中單位保持統(tǒng)一的米。通過SuperMap-Revit插件將單位統(tǒng)一為米的BIM 模型根據(jù)項目基點的真實坐標(biāo)值，設(shè)置x、y、z 參數(shù)，導(dǎo)出為udb 格式數(shù)據(jù)。在SuperMap iDesktop 10i平臺中，將模型加載到球面場景中，精確的對模型進(jìn)行地理配準(zhǔn)。BIM 模型對象的數(shù)量較多、尺寸較小，模型的復(fù)雜切三角面比較多，體量較大，為了加快渲染和后續(xù)的三維分析，可以對其進(jìn)行三角網(wǎng)簡化、批量生成三維切片緩存圖層（*.scp）。

4 BIM與3DGIS集成的園區(qū)規(guī)劃與管理應(yīng)用

對空間對象進(jìn)行三維空間分析和操作是3DGIS 特有的功能，本文的BIM與3DGIS集成的建筑信息模型可以實現(xiàn)的3DGIS 功能包括日照分析、可視域分析和室外風(fēng)環(huán)境分析。

4.1 日照分析

3DGIS 的日照分析可以在三維場景中觀察到建筑物在不同時間的日照率?；?DGIS 平臺SuperMap iDesktop 10i 進(jìn)行日照分析，能夠根據(jù)指定區(qū)域所在的經(jīng)緯度范圍，計算該地理位置在某段時間內(nèi)的日照信息，即可以被太陽照射到的時間占總分析時間的百分比。分別計算園區(qū)在春分日3月21日、夏至日6月22日、秋分日9月23日和冬至日12月22日的采光率，最終得到的園區(qū)日照及采光率分析情況如圖7所示，鼠標(biāo)放置采樣點處可查詢采光信息。

圖6：BIM 與3DGIS 格式轉(zhuǎn)換流程圖

圖7：園區(qū)日照及采光率分析圖

根據(jù)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》（GB 50180-93）[8]規(guī)定的各類居住建筑日照指標(biāo)，冬至日必須滿足的有效日照時間為9 至15 時，通過日照分析可得園區(qū)符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的有效日照時數(shù)指標(biāo)。傳統(tǒng)的規(guī)劃作圖方法難于處理復(fù)雜的園區(qū)建筑群，但是可以借助3DGIS輔助平臺將三維的日照分析可視化，同時實現(xiàn)交互式查詢。

4.2 可視域分析

可視域分析也被稱為地形可見度分析，即從當(dāng)前位置可以看到的地方?；?DGIS 平臺SuperMap iDesktop 10i 的可視域分析可以分析一個場景的地形或模型數(shù)據(jù)表面，相對于一個觀察點，在指定的視角及半徑范圍內(nèi)所有通視點的集合。分別選擇視點和視域角度為3 號樓朝北和朝南方向、1 號樓朝南方向、4 號樓朝南方向，并設(shè)置合適的視域距離進(jìn)行視域分析，分析結(jié)果中綠色區(qū)域表示在視點處可見，紅色區(qū)域表示在視點處不可見。園區(qū)可視域分析結(jié)果如圖8所示。

圖8：園區(qū)日照及采光率分析圖

在園區(qū)規(guī)劃中應(yīng)用可視域分析進(jìn)行觀察點模擬并計算該點的可視范圍，可以計算出空間中各建筑物與其他建筑物可見性關(guān)系，能夠科學(xué)輔助決策園區(qū)的建筑物規(guī)劃布局和監(jiān)控點選址，取代傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計工作多依賴于設(shè)計師主觀意識和經(jīng)驗、缺乏科學(xué)理論依據(jù)支持的主要問題，切實提高了規(guī)劃項目的科學(xué)性，提升了規(guī)劃設(shè)計落地的效率。

4.3 園區(qū)室外風(fēng)環(huán)境分析

風(fēng)環(huán)境分為室外風(fēng)與室內(nèi)風(fēng)，室外風(fēng)主要模擬冬夏季的室外風(fēng)速與風(fēng)壓情況，而室內(nèi)風(fēng)主要探究氣流暢通與空氣齡等問題。本文基于構(gòu)建的BIM 模型采用計算流體力學(xué)CFD 方法進(jìn)行模擬，所用軟件為PHOENICS，分析室外風(fēng)場對園區(qū)建筑場地風(fēng)環(huán)境的影響，綜合考慮風(fēng)壓、風(fēng)速和風(fēng)向三個指標(biāo)評價室外風(fēng)場分布狀況，分別采用1.5 米人行高度及50 米建筑物高度，園區(qū)的室外風(fēng)場分析圖如圖9所示。

圖9：園區(qū)室外風(fēng)場圖

通過對夏季和冬季最多風(fēng)向的平均風(fēng)速進(jìn)行模擬，分別得到了夏季和冬季1.5 米人行高度風(fēng)速圖，從中可以看出園區(qū)周邊人行區(qū)域的風(fēng)速均小于5 米/秒，且場地內(nèi)人活動區(qū)無渦旋和無風(fēng)區(qū)，符合行人舒適性要求。根據(jù)夏季和冬季的風(fēng)壓圖，可以看出夏季室外平均風(fēng)速條件下，大部分建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面表面風(fēng)壓基本超過2帕，有利于實現(xiàn)自然通風(fēng)；在冬季室外平均風(fēng)速條件下，除第一排迎風(fēng)建筑物外，大部分建筑物迎風(fēng)和背風(fēng)表面的風(fēng)壓均小于5 帕。綜上所述，本園區(qū)項目建筑環(huán)境的室外風(fēng)環(huán)境良好，符合《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）[9]場地的自然通風(fēng)要求。

風(fēng)環(huán)境是影響居住舒適度的重要因素。在建筑規(guī)劃時應(yīng)該充分考慮到自然通風(fēng)的影響，合理設(shè)計空間布局，構(gòu)造安全舒適的風(fēng)環(huán)境。借助Phoenics 平臺三維可視化分析，可以精確模擬室外風(fēng)環(huán)境，從而可以避免設(shè)計錯誤，降低設(shè)計風(fēng)險，提高設(shè)計質(zhì)量，減少建設(shè)成本。

5 結(jié)束語

基于BIM 與3DGIS 的集成技術(shù)，可以為園區(qū)的智慧化規(guī)劃和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為智慧園區(qū)的建設(shè)賦能。本文以某一科技園區(qū)為例，構(gòu)造園區(qū)建筑物BIM 建模，研究BIM 與3DGIS 的轉(zhuǎn)換方法，在SuperMap iDesktop 10i 平臺構(gòu)建出BIM與3DGIS集成的三維園區(qū)模型，實現(xiàn)BIM 的三維室內(nèi)漫游、建筑構(gòu)件信息查詢以及3DGIS 的三維GIS 漫游、三維GIS 信息查詢等功能，并且應(yīng)用日照分析、可視域分析和室外風(fēng)環(huán)境分析三種三維空間分析功能，為園區(qū)的規(guī)劃與管理的實際應(yīng)用提供了可視化支持的量化為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的科學(xué)理論支持。但本文的BIM與3DGIS集成的三維模型體量較大，龐大的三維場景繪制造成了很大的渲染壓力，下一步將在盡可能保留建筑外觀和屬性信息的前提下，對模型輕量化進(jìn)行研究。