常斐 薛婷 闞曉玉

(內(nèi)江師范學(xué)院 四川 內(nèi)江 641000)

為實(shí)現(xiàn)大學(xué)校園的數(shù)字化建設(shè)目標(biāo)，提供給師生更多的便利教育、學(xué)習(xí)以及生活條件，科學(xué)設(shè)計(jì)基于BIM（Building Information Modeling）與3D GIS的大學(xué)數(shù)字校園系統(tǒng)具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。BIM技術(shù)追求精細(xì)化表達(dá)，而3D GIS（3D Geographic Information System）技術(shù)則側(cè)重于快速大場(chǎng)景顯示，二者結(jié)合應(yīng)用下所設(shè)計(jì)出的大學(xué)數(shù)字校園系統(tǒng)，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，大場(chǎng)景與精細(xì)化可共存且能夠保證應(yīng)用的流暢性，實(shí)現(xiàn)了模型與場(chǎng)景的深度融合，將數(shù)字校園的建設(shè)效果與用戶體驗(yàn)進(jìn)一步提升，奠定了大學(xué)數(shù)字化校園持續(xù)性發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 BIM技術(shù)與3D GIS技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)，即建筑信息模型，兼具模擬性、數(shù)字化、可視化、可操作性、優(yōu)化性等多種特點(diǎn)，因而在多個(gè)工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但目前國(guó)際中尚未對(duì)其做出統(tǒng)一定義，要想更好地發(fā)揮該技術(shù)的作用，需在建筑生命全周期內(nèi)各階段在BIM中采取添加、提取、修改以及更新信息等方式實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)目參與方職責(zé)。現(xiàn)階段，該技術(shù)的應(yīng)用得到了推廣且應(yīng)用水平較高[1-2]。

1.2 GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），借助計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)有效采集、保存、管理、運(yùn)算和分析整個(gè)部分地球空間相關(guān)地理分布數(shù)據(jù)，并具有顯示與描述的功能，屬于系統(tǒng)化技術(shù)系統(tǒng)。而3D GIS 則是基于三維數(shù)據(jù)模型形成的地理信息系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)至空間查詢、模型構(gòu)建分析，在技術(shù)與理論等方面均比二維地理信息系統(tǒng)復(fù)雜。3D GIS能夠獲取準(zhǔn)確度較高的地理位置信息，在水利、交通、地質(zhì)與旅游等諸多領(lǐng)域，但尚未定位建筑物內(nèi)部信息。

1.3 BIM技術(shù)融合3D GIS的必要性

BIM 模型中含括諸多建筑信息且具有較高精細(xì)度，所以需要較長(zhǎng)的可視化預(yù)處理時(shí)間，因而被廣泛用于建筑工程的內(nèi)部信息管理。3D GIS技術(shù)則多應(yīng)用于宏觀空間管理，含括信息僅為地球表層空間地理信息，精細(xì)度不高。兩種技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域均具有一定優(yōu)勢(shì)，且在某些方面可以充分發(fā)揮互補(bǔ)作用。融合以上兩種技術(shù)的應(yīng)用空間廣闊，包括校園信息化建設(shè)、建筑分析、城市規(guī)劃、環(huán)境模擬、建筑運(yùn)維可視化等，均能充分發(fā)揮兩者的宏觀優(yōu)勢(shì)與微觀優(yōu)勢(shì)。

2 基于3D GIS技術(shù)構(gòu)建校園場(chǎng)景具體方法

2.1 校園影像

通過航空攝影和下載校園遙感影像相結(jié)合，得到的影像利用ArcMap 軟件將影像與校園原始CAD 圖進(jìn)行配準(zhǔn)，從而讓影像坐標(biāo)和校園建筑CAD 坐標(biāo)相匹配[3]，配準(zhǔn)完成后將文件導(dǎo)入GIS 平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行整體管理與配準(zhǔn)，通過處理后的校園影像便可以在專用地圖上顯示。

2.2 高程模型

校園的地形狀態(tài)高低起伏，要想在模擬地球上顯示真實(shí)的地形狀態(tài)，需要高程數(shù)據(jù)信息。本文通過無(wú)人機(jī)配合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK）進(jìn)行校園高程數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集，隨后將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使這些零散的高程點(diǎn)成為一個(gè)矢量面，進(jìn)而生成地形文件[4]，再將文件應(yīng)用于虛擬地球中進(jìn)行數(shù)據(jù)配置與管理，最終形成和校園真實(shí)地形一致的數(shù)字高程模型。

2.3 兩者融合

大學(xué)校園的影像在反映真實(shí)地形后，應(yīng)將地形空間參考作為構(gòu)建管線與建筑模型的參考條件，以確保模型可貼合地形，從而有效避免建筑在空間中位置錯(cuò)亂的情況。在影像與高程建立完畢后，為更好地表達(dá)建筑物等地上地下的空間位置關(guān)系，可在GIS 平臺(tái)中對(duì)影像進(jìn)行透明度調(diào)整，方便設(shè)計(jì)人員對(duì)管線位置進(jìn)行確定，同時(shí)方便維護(hù)人員對(duì)管線進(jìn)行日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

3 基于BIM技術(shù)數(shù)字校園模型構(gòu)建方法

3.1 建筑物模型構(gòu)建

建筑物模型通通常用BIM軟件創(chuàng)建，本文采用Revit軟件對(duì)大學(xué)校園某建筑進(jìn)行建模。由于建筑物較大且專業(yè)較多，因此采用中心協(xié)同方式進(jìn)行，可于新建項(xiàng)目后完成中心樣板文件的創(chuàng)建，為專業(yè)間相互協(xié)同提供高效、便捷的條件[5]。土建專業(yè)進(jìn)行基礎(chǔ)、柱、梁、板等結(jié)構(gòu)，墻、門窗、樓梯、欄桿、裝飾裝修等建筑與裝飾，以及臺(tái)階、散水、坡道等零星構(gòu)件的模型建立，安裝專業(yè)完成電氣、給排水、暖通等模型的建立，值得注意的是，在建模過程中各專業(yè)設(shè)計(jì)人員需要適時(shí)協(xié)調(diào)，避免各專業(yè)間模型碰撞的出現(xiàn)。在建模過程中若沒有族文件，需要自己?jiǎn)为?dú)建立，并保存便于后期使用。

為了讓建筑物呈現(xiàn)的效果更好，首先，可以采用3D Max進(jìn)行模型渲染，對(duì)于其他未使用Revit建模的建筑，同樣可以采用3D Max 進(jìn)行快速建模，可以利用建筑物CAD 導(dǎo)入軟件，進(jìn)行實(shí)體的拉伸，得到簡(jiǎn)單的三維模型[6]。其次，通過軟件中的細(xì)節(jié)處理工具，完成建筑的細(xì)節(jié)調(diào)整，得到初步的建筑模型。最后，對(duì)材質(zhì)進(jìn)行附著，為了更為真實(shí)地展現(xiàn)模型的效果，還可以對(duì)其進(jìn)行貼圖等方法。將模型細(xì)節(jié)處理好后，可以對(duì)其進(jìn)行渲染，促使所形成三維模型能夠?qū)⒔ㄖ庥^予以真實(shí)還原與反映。圖1為3D Max建筑物建模的流程圖。

圖1 3D Max建筑物建模流程圖

3.2 校園環(huán)境模型構(gòu)建

以某大學(xué)數(shù)字校園項(xiàng)目為例，校園內(nèi)的場(chǎng)地綠化、人工湖、花園、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、道路等面域要素，可以利用Revit建模軟件中的場(chǎng)地命令進(jìn)行面域分割，對(duì)分割的面域進(jìn)行材質(zhì)編輯，從而完成所需要素的生成。對(duì)于體育設(shè)施、公園小品、假山、小橋、指示牌等點(diǎn)狀要素，可以利用GIS 模型庫(kù)或Revit 模型庫(kù)中的預(yù)設(shè)模型，當(dāng)模型庫(kù)中未找到合適的構(gòu)件時(shí)，則需要建族的形式自主建立，最終完成點(diǎn)式模型構(gòu)件的創(chuàng)建[7]。對(duì)于一些缺少的特殊的構(gòu)筑物，需要額外建模，可以采用Revit 軟件體量模型，快速建立模型外輪廓，并附著墻體、屋面、幕墻等，編輯其材質(zhì)讓模型展示的更為真實(shí)。也可以采用3D Max軟件以多邊形與貼圖結(jié)合使用的方法進(jìn)行建模。完成建模后需要模型和校園真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行一一核查，確保所建立的三維校園模型的真實(shí)性。

3.3 地下管線建模

3.3.1 地下管線信息提取

由于地下管線已經(jīng)隱蔽，因此需要CAD圖紙和管線探測(cè)儀相結(jié)合，獲得真實(shí)的管線材質(zhì)、管徑、位置等屬性信息。

3.3.2 地下管線的建模

利用Revit MEP 機(jī)電設(shè)計(jì)軟件，按規(guī)范進(jìn)行命名，并將提取的屬性信息賦予各構(gòu)件，在繪制的過程中注意管線的地下位置和空間避讓，同時(shí)注意地下管線和地上管線連接處等細(xì)節(jié)處理，從而完成地下管線的模型建立。

3.3.3 地下管線的管理

地下管線模型創(chuàng)建完成后，需要展開對(duì)管線數(shù)據(jù)的管理與校園數(shù)字平臺(tái)配置工作，對(duì)本項(xiàng)目映射文件予以更改后與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，建立地理數(shù)據(jù)庫(kù)后，完成所有管網(wǎng)的三維成圖工作。

4 BIM技術(shù)融合3D GIS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑

4.1 結(jié)合過程

4.1.1 BIM模型導(dǎo)入GIS系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)外BIM軟件與GIS并不兼容，因此數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)較為困難。但是可以借助一些二次開發(fā)插件，如SuperMap Export 插件。以插件的形式，導(dǎo)出SuperMap GIS直接支持的數(shù)據(jù)格式。但BIM的數(shù)據(jù)要和GIS中數(shù)據(jù)匹配，需要選擇合適的坐標(biāo)系，讓BIM模型的位置信息和GIS中的坐標(biāo)系相吻合。

4.1.2 模型數(shù)據(jù)編譯

發(fā)布模型數(shù)據(jù)離不開變換、編譯以及搜索的過程，發(fā)布期間會(huì)將所處階段的名稱與進(jìn)度予以顯示[8]。在當(dāng)前階段結(jié)束后，會(huì)將錯(cuò)誤信息進(jìn)行展示，基于編譯功能對(duì)錯(cuò)誤信息進(jìn)行刷新。編譯發(fā)布期間應(yīng)選擇使用加密鎖，并在發(fā)布模型文件完成后進(jìn)行模型文件的數(shù)據(jù)管理與配置，即可獲得完整的數(shù)字建筑模型。三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建要點(diǎn)圖示如圖2所示。

圖2 三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建要點(diǎn)圖示

4.2 數(shù)字校園效果分析

4.2.1 校園地上場(chǎng)景效果分析

校園建筑地上場(chǎng)景包括建筑物、構(gòu)筑物、道路、湖泊、地形狀態(tài)等，其建筑物和構(gòu)筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水電管線、內(nèi)部裝修、外部裝飾等都可以全方位展示。而以往的數(shù)字校園項(xiàng)目，僅僅是建筑物外部結(jié)構(gòu)和裝飾的展示，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻常常被忽視[9]。而在BIM 技術(shù)和3D GIS 技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字校園后，真正實(shí)現(xiàn)了建筑物的內(nèi)外結(jié)合、地上地下一體，促使數(shù)字化校園具有一體化集成共享的特點(diǎn)，為教師和學(xué)生使用校園場(chǎng)景和校園管理提供了諸多便利條件。數(shù)字校園三維場(chǎng)景不僅可瀏覽和漫游外部場(chǎng)景，同時(shí)還可以在建筑物內(nèi)部進(jìn)行三維瀏覽和漫游，使日照情況、設(shè)施配套、凈空分析、建筑運(yùn)行情況等全方位展示在面前。

4.2.2 校園地下場(chǎng)景效果分析

校園地下場(chǎng)景多為管網(wǎng)，而地下管網(wǎng)屬于隱蔽工程，不能直接觀測(cè)到其運(yùn)行狀況，同時(shí)也較難探測(cè)。因此一旦發(fā)生事故，很難及時(shí)展開維護(hù)，從而導(dǎo)致周圍乃至整個(gè)校園無(wú)法正常運(yùn)行。而地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，只能通過管線探測(cè)工具和CAD圖紙相結(jié)合，運(yùn)用BIM軟件建立三維模型，實(shí)現(xiàn)地下管線三維可視化，同時(shí)可以結(jié)合應(yīng)變傳感器檢測(cè)管線的運(yùn)行情況，如發(fā)生管網(wǎng)故障，即可在管網(wǎng)可視化系統(tǒng)的應(yīng)用條件下，對(duì)事故產(chǎn)生的位置予以快速定位，避免影響到其他管線和建筑，將事故所帶來的損失降到最低，節(jié)約運(yùn)維成本。例如：BIM 技術(shù)與3D GIS 技術(shù)引入大學(xué)數(shù)字校園系統(tǒng)后，電力、給排水、燃?xì)?、暖通等管線，皆具備了數(shù)字化綜合管理的條件，三維可視化的圖像，將不同管線以不同顏色作為區(qū)分，使錯(cuò)綜復(fù)雜的管線走向更為明確，各個(gè)交叉點(diǎn)、分支點(diǎn)、管線間距等信息一覽無(wú)余。地下管線三維可視化圖示如圖3所示。

圖3 地下管線三維可視化圖示

4.3 功能實(shí)現(xiàn)效果

4.3.1 數(shù)字校園瀏覽

用戶可通過手機(jī)、電腦、VR 等終端對(duì)數(shù)字校園各場(chǎng)景進(jìn)行全方位的瀏覽，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行漫游、查看、視頻錄制等功能應(yīng)用[10]；同時(shí)可以對(duì)隱蔽部位，如地下管線、重要節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行查看，通過透明度的設(shè)置可以更好地反映其與相關(guān)構(gòu)件的空間位置關(guān)系。

4.3.2 構(gòu)件信息查詢

（1）地上場(chǎng)景查詢：其信息查詢功能可對(duì)其屬性、模型以及路徑等進(jìn)行查詢，并可識(shí)別三維場(chǎng)景中的建筑物，查詢界面將會(huì)將建筑物用途等信息予以全面展現(xiàn)。（2）地下場(chǎng)景信息查詢：則主要針對(duì)地下管網(wǎng)，可對(duì)其管徑、材質(zhì)、空間位置等信息進(jìn)行查詢。用戶也可通過此功能定位某條管線，并以標(biāo)識(shí)顏色等方法用以將管線的走向予以凸顯[11]。

4.3.3 構(gòu)件信息統(tǒng)計(jì)

地上場(chǎng)景統(tǒng)計(jì)可對(duì)房間、道路、園林綠化、建筑物權(quán)屬信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并基于輸入不同條件在短時(shí)間內(nèi)找出符合條件的建筑物，為學(xué)校提供方便管理?xiàng)l件；地下管線的統(tǒng)計(jì)則主要為管線權(quán)屬、管徑分類等信息[12]。根據(jù)深埋于地下的管線特點(diǎn)，管理人員可利用數(shù)字校園系統(tǒng)對(duì)管線屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，可在運(yùn)維中實(shí)時(shí)調(diào)用管線信息。

4.3.4 校園設(shè)施精細(xì)化管控

通過模型與傳感設(shè)備的結(jié)合，可以對(duì)校園建筑的運(yùn)行情況、師生使用習(xí)慣、日照情況等進(jìn)行分析，并對(duì)校園設(shè)施的使用情況、重點(diǎn)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，分析和搜集相關(guān)數(shù)據(jù)，最終形成常態(tài)化的智能高效、低碳環(huán)保、成本節(jié)約的數(shù)字校園設(shè)施精細(xì)化管控的范式。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過使用BIM 建模軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園的三維建模，并通過將BIM 技術(shù)與3D GIS 技術(shù)相融合，構(gòu)建出相應(yīng)的數(shù)字校園系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一體化數(shù)字校園建設(shè)目標(biāo)。從BIM技術(shù)與3D GIS技術(shù)結(jié)合的實(shí)際使用情況來看，其可為大學(xué)數(shù)字校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新思路，為大學(xué)校園建筑的運(yùn)維提供新路徑，具有較為廣泛的市場(chǎng)前景，促使所建立的數(shù)字校園更為智能化與人性化，為實(shí)現(xiàn)升華數(shù)字校園的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。