智慧城市的支撐技術(shù)—建筑信息模型（BIM）

文│旭密林實業(yè)發(fā)展（上海）有限公司 衛(wèi)校飛

1 建筑信息模型（BIM）簡介

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的縮寫。BIM以多種數(shù)字技術(shù)為依托，建立了建筑信息模型，以此作為各個建筑項目的基礎(chǔ)去進(jìn)行各項相關(guān)工作。建筑工程與之相關(guān)的工作都可以從這個建筑信息模型中取得各自需要的信息，既可指導(dǎo)相應(yīng)工作又能將相應(yīng)工作的信息反饋到模型中。

BIM不是簡單的將數(shù)字信息進(jìn)行集成，它是一種數(shù)字信息應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化方法，這種方法支持建筑工程的集成管理環(huán)境，可以使建筑工程在其整個進(jìn)程中顯著提高效率，大量減少風(fēng)險。在建筑工程整個生命周期中，用BIM來實現(xiàn)集成管理，因此這一模型既包括建筑物的信息模型，同時又包括建筑工程管理的行為模型，是建筑物信息模型同建筑工程管理行為模型的完美融合。

當(dāng)前建筑業(yè)已普及了計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，CAD的引入，解決了計算機(jī)輔助繪圖的問題，但BIM與CAD不同，它具有五個特點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 BIM的特點(diǎn)

（1）可視化。BIM提供了可視化的思路，將以往線條式的構(gòu)件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們的面前。BIM的可視化是一種能夠同構(gòu)件之間形成互動性和反饋性的可視，在BIM的建筑信息模型中，由于整個過程都是可視化的，可視化的結(jié)果不僅可以用來做效果圖的展示及報表的生成，更重要的是，項目設(shè)計、建造、運(yùn)營過程中的溝通、討論、決策都會在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行。

（2）協(xié)調(diào)性。BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期對各專業(yè)的空間碰撞問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)提供出來。當(dāng)然BIM的協(xié)調(diào)作用并不是只能解決各專業(yè)間的碰撞問題，它還可以解決諸如電梯井布置與其他設(shè)計布置及空間協(xié)調(diào)、防火分區(qū)與其他設(shè)計布置之協(xié)調(diào)、地下排水布置與其他設(shè)計布置之協(xié)調(diào)等。

（3）模擬性。BIM可以對設(shè)計上需要進(jìn)行模擬的一些項目進(jìn)行模擬實驗，例如：節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬等；在招投標(biāo)和施工階段可以進(jìn)行4D模擬（三維模型加項目的發(fā)展時間），也就是根據(jù)施工的組織設(shè)計模擬實際施工，從而來確定合理的施工方案來指導(dǎo)施工。同時還可以進(jìn)行5D模擬（基于3D模型的造價控制），從而來實現(xiàn)成本控制；后期運(yùn)營階段可以模擬日常緊急情況的處理方式，例如地震人員逃生模擬及消防人員疏散模擬等。

（4）優(yōu)化性。BIM模型提供了建筑物實際存在的信息，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息，還提供了建筑物變化以后的實際存在的信息。當(dāng)復(fù)雜程度高到一定程度時，參與人員本身的能力無法掌握所有的信息，必須借助一定的科學(xué)技術(shù)和設(shè)備的幫助。現(xiàn)代建筑物的復(fù)雜程度大多超過參與人員本身的能力極限，BIM及與其配套的各種優(yōu)化工具提供了對復(fù)雜項目進(jìn)行優(yōu)化的可能。

（5）可出圖性。BIM通過對建筑物進(jìn)行可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化以后，可以幫助業(yè)主繪制出綜合管線圖、綜合結(jié)構(gòu)留洞圖和碰撞檢查偵錯報告并建議改進(jìn)方案。BIM目前在國外很多國家已經(jīng)建立了比較成熟的BIM標(biāo)準(zhǔn)或者制度。國內(nèi)BIM技術(shù)應(yīng)用正在飛速發(fā)展，它能夠有效地結(jié)合國內(nèi)的建筑市場特色，滿足國內(nèi)建筑市場的需求，BIM將會給國內(nèi)建筑業(yè)帶來一次巨大變革。

2 BIM的應(yīng)用效益

由于查詢建筑模型能提供各類準(zhǔn)確的信息，協(xié)助決策者做出準(zhǔn)確的判斷，同時相比于傳統(tǒng)繪圖方式，在設(shè)計初期能大量地減少設(shè)計團(tuán)隊成員所產(chǎn)生的各類錯誤，以及后續(xù)承造商所犯的錯誤。計算機(jī)系統(tǒng)能利用碰撞檢測的功能，并通過圖形表達(dá)的方式知會查詢?nèi)藛T關(guān)于各類構(gòu)件與部件在空間中彼此碰撞或干涉情形的詳細(xì)信息。由于計算機(jī)和軟件具有更強(qiáng)大的建筑信息處理能力，相比目前的設(shè)計和施工建造的流程，能給工程項目帶來更多的正面影響和幫助。

對工程的各個參與方來說，減少錯誤對降低成本都有很重要的影響。因此減少建造所需要的時間，同時也有助于降低工程的成本。應(yīng)用歐特克建筑資訊模型的著名成功案例有德國慕尼黑的寶馬世界（BMW Welt）、梅賽德斯—奔馳博物館（Mercedes-Benz Museum），以及位于斯圖加特的保時捷博物館等，均使用該項技術(shù)來完成整個設(shè)計項目。

通常工程的實際成本核算困難，主要原因是數(shù)據(jù)量大、牽涉部門和崗位眾多等。BIM的應(yīng)用可以幫助進(jìn)行復(fù)雜情況下的成本核算，BIM技術(shù)在處理實際成本核算中有著巨大的優(yōu)勢。基于BIM建立的工程5D（3D實體、時間、WBS）關(guān)系數(shù)據(jù)庫，可以建立與成本相關(guān)數(shù)據(jù)的時間、空間、工序維度關(guān)系，數(shù)據(jù)粒度處理能力達(dá)到了構(gòu)件級，使實際成本數(shù)據(jù)高效處理分析有了可能，解決方案操作方法如圖2所示。

圖2 基于BIM的成本核算解決方案

（1）創(chuàng)建基于BIM的實際成本數(shù)據(jù)庫：建立成本的5D（3D實體、時間、工序）關(guān)系數(shù)據(jù)庫，讓實際成本數(shù)據(jù)及時進(jìn)入5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫，成本匯總、統(tǒng)計、拆分對應(yīng)瞬間可得。以各WBS單位工程量的人工、材料、設(shè)備單價為主要數(shù)據(jù)進(jìn)入實際成本BIM中。未有合同確定單價的項目，按預(yù)算價先進(jìn)入，有實際成本數(shù)據(jù)后，及時按實際數(shù)據(jù)替換。

（2）實際成本數(shù)據(jù)及時進(jìn)入數(shù)據(jù)庫：BIM中成本數(shù)據(jù)以采取合同價和企業(yè)定額消耗量為依據(jù)。隨著進(jìn)度進(jìn)展，實際消耗量與定額消耗量會有差異，要及時調(diào)整。每月對實際消耗進(jìn)行盤點(diǎn)，調(diào)整實際成本數(shù)據(jù)，化整為零，動態(tài)維護(hù)實際成本BIM，大幅減少一次性工作量，并有利于保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（3）管理實際成本：由財務(wù)部門每月盤點(diǎn)，提供給成本經(jīng)濟(jì)師，調(diào)整預(yù)算成本為實際成本，實際成本不確定的項目仍按預(yù)算成本進(jìn)入實際成本。按本文方案，過程工作量大為減少，做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)工作后，各種成本分析報表瞬間可得。

3 GIS和BIM技術(shù)的融合

隨著GIS技術(shù)和BIM技術(shù)的發(fā)展，將這兩項技術(shù)結(jié)合，我們可以生成含有豐富建筑信息的3D 建筑模型，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件的系統(tǒng)。可以將原始的GIS數(shù)據(jù)通過規(guī)范化，然后將復(fù)雜的多邊形分割成基本的多邊形圖元，然后針對不同的建筑結(jié)構(gòu)組織3D建筑層次模型，最終生成可供場景調(diào)度系統(tǒng)加載和管理的標(biāo)準(zhǔn)文件。BIM和GIS的集成和融合能給人類帶來的價值將是巨大的，方向也是明確的。通過這樣的方法可以為智慧城市規(guī)劃、智慧城市管理和智慧建筑的設(shè)計和建筑提供技術(shù)支持。

3.1 BIM與GIS技術(shù)融合在智慧城市規(guī)劃中的應(yīng)用

基于GIS和BIM融合技術(shù)自動生成的3D城市建筑實體模型，主要有兩種表現(xiàn)方法：邊界表示法和空間分區(qū)表示法。邊界表示使用一組曲面來描述三維對象，這些曲面將對象分為內(nèi)部和外部。空間分區(qū)表示用來描述內(nèi)部性質(zhì)，將包含一個對象的空間區(qū)域劃分成一組較小的，非重疊的連續(xù)實體。生成3D城市建筑實體模型的主要流程如圖3所示。首先對GIS中的多邊形體源進(jìn)行預(yù)處理，然后將預(yù)處理的數(shù)據(jù)提交給模型生成模塊繼而進(jìn)行3D模型生成，最后通過3D引擎加載到三維城市場景中。

圖3 模型生成系統(tǒng)主要流程框圖

（1）數(shù)據(jù)的提取和規(guī)范化

智慧城市中，建筑模型的邊界數(shù)據(jù)由GIS數(shù)據(jù)提供，GIS模塊會將所需的多邊形數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)，每個多邊形發(fā)送一次。接收到多邊形數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將每個多邊形的頂點(diǎn)信息和拓?fù)潢P(guān)系存儲起來，并為每個多邊形編號。多邊形頂點(diǎn)規(guī)范化是將GIS的多邊形地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到模型坐標(biāo)系，并保留模型所在的地理坐標(biāo)。每個物體都有它們自己的坐標(biāo)，當(dāng)物體移動或者改變方向時，和該物體相關(guān)的坐標(biāo)將隨之移動或改變方向。

（2）建筑立面生成及屋頂種類

在對智慧城市中的建筑物進(jìn)行建模時，首先將整個建模過程分為主體建模和房頂建模，平頂?shù)慕ㄖＰ椭芯椭挥兄黧w建模。對于主體建模，主要利用多邊形數(shù)據(jù)和高程系統(tǒng)中的高層數(shù)據(jù)完成建筑模型的立面生成。立面生成首先要遍歷每個多邊形的每條邊，對其中任意一條邊，根據(jù)其高程數(shù)據(jù)構(gòu)造出對應(yīng)于標(biāo)高的兩個頂點(diǎn)，形成一個四邊形立面，如圖4所示。

圖4 建筑立面生成

屋頂?shù)念愋透鶕?jù)建筑物的使用功能、屋頂所用材料、結(jié)構(gòu)類型以及建筑造型要求不同，有平屋頂、坡屋頂以及曲面屋頂、折板屋頂?shù)榷喾N形式。

（3）紋理庫

智慧城市的三維模型，不僅具有多種細(xì)節(jié)層次的幾何表達(dá)，還具有逼真的材質(zhì)和紋理特征以及其他相關(guān)的屬性信息。在智慧城市中，三維建筑物形狀的重建和繪制、表面性質(zhì)的描述和材質(zhì)參數(shù)都已成為城市數(shù)據(jù)庫的一部分。一個成熟的三維智慧城市數(shù)據(jù)庫包括幾何關(guān)系數(shù)據(jù)、照片紋理和其他附加信息數(shù)據(jù)。三維模型紋理庫是智慧城市數(shù)據(jù)庫中一個重要的數(shù)據(jù)庫，是智慧城市建模的一個重要環(huán)節(jié)。

（4）建模過程中的基本算法

在智慧城市建筑物模型生成過程中，一個頂點(diǎn)從生成到最終加入模型文件中成為模型的一個頂點(diǎn)需要進(jìn)行一系列計算和變換，這些變換是通過基本的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)變換組合而成的，每個變換都可以表示為矩陣變換的形式，通過矩陣的相乘或連接可以構(gòu)造更復(fù)雜的變換。在建筑模型生成過程中，需要簡化模型，通常需要將三維圖形投影到二維平面上，這時需要定制一個投影平面，通常稱為當(dāng)前工作平面。構(gòu)建工作平面需要做坐標(biāo)系的變換，在確定模型的頂點(diǎn)后，需要建立合理的幾何實體模型。

通過上述方法作為核心技術(shù)路線，可以實現(xiàn)GIS技術(shù)與BIM技術(shù)融合運(yùn)用于智慧城市三維城市規(guī)劃方案的可視化。前文提到的三維城市規(guī)劃方案的可視化系統(tǒng)的總體技術(shù)方案，可以具體實現(xiàn)三維規(guī)劃可視化中的三維模型創(chuàng)建、場景的優(yōu)化與系統(tǒng)集成。

3.2 BIM和GIS技術(shù)融合在智慧建筑內(nèi)的應(yīng)用

目前，GIS技術(shù)在導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)航已經(jīng)由以往單一的導(dǎo)航工具，逐漸通過與多種智能化技術(shù)的融合，變成一個活躍的研究領(lǐng)域，尤其是在智慧樓宇內(nèi)部應(yīng)急響應(yīng)方面。在火災(zāi)、地震等災(zāi)難發(fā)生的同時，很多生命也隨之流逝。因此，運(yùn)用GIS技術(shù)計劃可行的樓宇內(nèi)部疏散方案，從而減少在災(zāi)難中受傷和死亡的人數(shù)就變得越來越重要。

對于智慧樓宇內(nèi)的GIS而言，成功的3D導(dǎo)航取決于精確、實時的樓宇結(jié)合形狀和語義定義；正確的室內(nèi)定位；以人為本的導(dǎo)航路線的靈活性；關(guān)于威脅和建筑物易于接近性的信息等。隨著建筑設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，BIM與3D GIS被逐步地用于多重學(xué)科。GIS和BIM的融合及演變過程如圖5所示。

圖5 GIS和BIM的融合及演變過程

3D智慧樓宇內(nèi)部導(dǎo)航的功能要求：

對于任何時序要求嚴(yán)格的應(yīng)用程序來說，在路線圖上指示用戶選擇的路徑并進(jìn)行導(dǎo)航是最基本的功能。例如基于定位的服務(wù)（LBS）、智能交通系統(tǒng)（ITS）和應(yīng)急響應(yīng)（ER）。導(dǎo)航任務(wù)覆蓋了空間、信息與服務(wù)三個層面：空間層面包含了宏觀空間和微觀空間層面；信息層面包含語義信息、數(shù)據(jù)格式信息和導(dǎo)航控制信息；服務(wù)層面則體現(xiàn)在準(zhǔn)確性、實時性、可適應(yīng)性和便捷性。

3D戶內(nèi)導(dǎo)航在空間層面細(xì)分中屬于微觀的層面。支持3D戶內(nèi)導(dǎo)航的信息主要源自BIM模型，BIM模型包涵了3D GIS模型中所有地理位置參數(shù)和語義信息參數(shù)。BIM中用于戶內(nèi)導(dǎo)航的信息內(nèi)容包括每個樓層的規(guī)劃圖，關(guān)于每個樓宇組成部分的語意信息描述、行人的位置信息和樓宇的出口位置等。3D戶內(nèi)導(dǎo)航的控制信息應(yīng)當(dāng)包括地理位置要素和實現(xiàn)路徑描述的幾何要素。

因為3D GIS含有巨量的數(shù)據(jù)流量，因此不可能同時加載于BIM所有的部件。3D戶內(nèi)導(dǎo)航要求為用戶提供準(zhǔn)確的疏散路線，需要考慮到所有種類的疏散情況。以地震為例，電梯不可以作為垂直可通行路徑來考慮，因為地震時電梯不能作為逃生的途徑。另外，GIS應(yīng)用于樓宇內(nèi)部導(dǎo)航時，其準(zhǔn)確性與建筑物用戶活動模式甚至當(dāng)天的時間相關(guān)。導(dǎo)航用戶的年齡、健康條件也會影響到他們對路線的選擇。

智慧樓宇內(nèi)部導(dǎo)航的適應(yīng)性有著特定的意義，不同的人對于樓宇內(nèi)部環(huán)境的認(rèn)知不盡相同。對于在樓宇中工作的職員來說，建筑物的主要引導(dǎo)標(biāo)識（例如緊急出口、樓梯、走廊和大堂等）對疏散的提醒已充分。但是對于訪客來說，他們對建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有足夠的經(jīng)驗，也不清楚準(zhǔn)確的緊急出口位置以及所處位置距緊急出口的距離。因此，導(dǎo)航給出的信息應(yīng)當(dāng)盡量詳盡。通過向移動電話3G的個人用戶提供可視化導(dǎo)航，也許能夠?qū)崿F(xiàn)有效的疏散。

傳統(tǒng)的戶內(nèi)導(dǎo)航基于幾何位置模型，主要是尋找最近的POI（從用戶的位置到目的地的路線），這種方法忽略了對于用戶信息和建筑物中豐富的語義信息的考慮。3D智慧樓宇內(nèi)部導(dǎo)航的架構(gòu)應(yīng)當(dāng)以人為本、基于語義學(xué)并且智能化、基于本體論知識表示方法和混合的定位模型，其內(nèi)部導(dǎo)航架構(gòu)描述如圖6所示。圖中有五個重要的部分，分別是建筑物藍(lán)圖、戶內(nèi)導(dǎo)航本體、情境感知、3D戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和BIM模型。通過考慮建筑物藍(lán)圖的區(qū)域性特征、自動生成戶內(nèi)導(dǎo)航本體和情境感知3D戶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)模型，隨后指示出最佳路徑與BIM模型相匹配的語義鏈接。

圖6 基于語義學(xué)的BIM戶內(nèi)導(dǎo)航架構(gòu)

在GIS與BIM的融合技術(shù)應(yīng)用于智慧樓宇建筑中，BIM可以視為計算機(jī)輔助建筑設(shè)計的新一代產(chǎn)品。BIM方法中，設(shè)計者借助智能數(shù)據(jù)庫提供的信息，對3D模型進(jìn)行設(shè)計和管理，其數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括以設(shè)計方案決策、準(zhǔn)確的工程文件成果、性能因素預(yù)報（能源消耗、負(fù)載計算等）、開銷估算和情境規(guī)劃設(shè)計和施工計劃。

在BIM模型中，區(qū)別于傳統(tǒng)CAD模型的重要特性主要有兩方面：3D地理位置信息和語義信息。3D地理位置信息將會自動從建筑信息模型中生成，不需要任何額外的建造3D模型的工作。這就是說，根據(jù)需求可以從BIM模型自動生成靈活的3D模型和3D情境。BIM模型同時包含著豐富的語義信息，其中包括樓層信息、材料信息、開口的方向、高度信息、到某個設(shè)施的距離等。這些信息可以很容易從BIM模型中得到，并且方便使用。

對于一個優(yōu)良戶內(nèi)導(dǎo)航來說，首要的工作是建立一個優(yōu)良的的拓?fù)浔硎痉椒ā榱吮硎緲怯顑?nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先應(yīng)當(dāng)定義一些抽象的方法，例如，樓宇圖形表示法中的最小拓?fù)湓亍⒄Z義信息鏈接到樓宇圖形導(dǎo)出法中的方法、更加適合于為智慧建筑自動生成樓宇圖形的運(yùn)算法則等。

結(jié)合BIM技術(shù)的3D GIS系統(tǒng)首先是把BIM模型導(dǎo)入3D GIS系統(tǒng)并且把3D模型分割成預(yù)先定義的導(dǎo)航傾向的語義模型；其次是用媒體軸向變形算法的拓?fù)鋵W(xué)建造，繼而根據(jù)室內(nèi)導(dǎo)航本體的拓?fù)湓俅谓ㄔ欤坏谌怯盟惴ㄒ?guī)則和代表附帶文本的內(nèi)置環(huán)境的3D模型進(jìn)行路由。

圖7展現(xiàn)了一個3D室內(nèi)導(dǎo)航的案例，該系統(tǒng)提供了三個視角：3D建筑視角，地平面地圖視角和室內(nèi)導(dǎo)航視角。將房間數(shù)目和導(dǎo)航目的信息加載到3D環(huán)境中，通過借助BIM信息，自動生成一個最短的門對門的路徑。

圖7 3D室內(nèi)導(dǎo)航的案例

智慧樓宇內(nèi)部3D導(dǎo)航未來的發(fā)展主要包括快速和可靠性圖形求導(dǎo)算法在完整的樓宇內(nèi)部的環(huán)境。這種大空間中包含很多個小的子空間的情況，內(nèi)部聯(lián)系十分復(fù)雜，并富有層次性。為了實現(xiàn)動態(tài)物體（例如火災(zāi)傷害）可視化，動態(tài)分段方法的使用是未來的發(fā)展方向。