空間信息技術在建筑信息一體化中的應用

王曉軒 盧集富 林錦眉

（廣東工業大學華立學院， 廣東 廣州 511325）

0 引言

隨著空間信息技術的發展和應用，建筑物信息模型（Building Information System，BIM）和地理信息系統（GIS）在不同領域中均可為用戶提供三維模型表述[1]。然而兩種信息技術在處理對象的尺度上存在較大不同，GIS 所針對的建筑物模型是以地物模型的基底參數為基礎，對模型進行虛擬建構和重現，對于建筑物本身的構件和內部的圖元管理并不涉及[2，3]，BIM 側重于對建筑物單體信息的管理與應用，涉及到大范圍的空間管理時無法發揮有效的功能。本文嘗試將兩種空間信息技術進行優勢互補，在微觀圖元信息層面使用BIM技術參與構建，建模參數通過校園實際測繪所得，將尺寸詳情在建模軟件Revit族環境中進行建模編輯，建立參數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境進行融合，創建建筑物與場地三維一體化的場景模型。在已有的研究中，李德超從數據組織、應用模型等方面探討了BIM 技術在數字城市三維建模中的應用，并分析了 BIM與GIS在應用中的區別[4]；湯圣君等進行了BIM 與 GIS 數據集成在建筑幾何語義信息互操作技術方面的研究[5]；薛梅設計了建筑構件信息模型BCM，該模型參考了IFC標準，并考慮了數字城市應用的特點，并提出了一種三維數字城市與建筑信息模型集成的解決路徑[6]。本研究將進一步論證兩種空間技術的優勢互補在應用中的技術實現。

1 數據準備

本文實驗數據是校園測量數據，包括測量圖件、坐標、尺寸文檔等數據，在Revit 軟件環境中，通過建立項目，設定場地等建立模型場地基礎，然后導入底圖，進行基礎建模。建立建筑模型過程制作繁瑣，工作量大，是用時較長的基礎性工作[7，8]，由于校園中的建筑造型較為復雜，因此對于建筑物的部分構件進行了單獨的族制作。創建族的方式分為新建族和內建模型兩種。

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，在建模前的外業測繪中，對于窗的細節尺寸進行了測繪，結合窗的材質和外觀，選定了對應的材質庫，獲得了窗的基礎參數。在內業建模中，首先選擇適合的族樣板文件，定義相應的子類別以控制繪圖對象的可見性，然后在平面或立面視圖中創建參照平面，給參照平面添加尺寸標注，以尺寸標準標簽化的方式來去約束模型的參數，在設定時要分別創建類型或實例參數，接下來使用創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值檢驗參數能否準確驅動模型。檢測無誤之后，保存新創建的族，將其加載到項目文件中進行使用測試。

內建模型是在項目內部中特有的或專用的構件，例如校園中的一些臺階、坡道或者景觀，無需在其他項目中利用，即采用在項目中內建模型的方式。以校園中的無障礙坡道為例，以外業實測的數據尺寸進行模型創建，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，由軟件根據創建命令生成模型，欄桿部分通過具體參數進行詳細定義其位置和組合方式。

2 建筑圖元建模

2.1 定義標高和軸網

標高是三維建筑模型創建中重要的參照，控制高度信息，標高可根據項目要求創建樓層平面視圖。在Revit中定義標高，需要在立面視圖或剖面視圖中，使用建筑選項卡中的基準面板里的標高命令直接繪制，或者使用復制、陣列等命令創建，標高作為系統族，可以根據需要修改其實例或類型參數。

軸網可在平面視圖中進行繪制，作為平面繪圖時的定位參考，軸網是垂直于平面視圖的一個工作平面，其也是系統族，可對其編號、符號樣式等進行修改定義，在任一平面視圖中創建的軸網會顯示在所有標高，若要在不同的標高定義不同的軸網，需要對軸網進行2D參數的切換，在相應的樓層修改完成之后，可設定影響范圍，將其應用到其他標高。在建模前，應先定義標高，再繪制軸網。

2.2 主體圖元的創建

本實驗中的主圖圖元包括墻體、柱、梁、樓板等。本次建模實例中，前期的外業測繪收集了關于內外墻體的構造、外觀、材質等多類數據和參數，并采集了其外觀圖片，制作了參數和素材庫。單體建筑建模時先繪制外墻，在平面視圖中，參照軸網進行拾取或者繪制，內墻的參數較為簡單，使用族樣板中的類型進行參數修改，并設置其外觀參數即可。柱和梁的添加同樣以實測參數為基礎，創建了結構柱和梁系統，在剖面中使用填充的方式進行標識。樓板的繪制同樣在樓層平面視圖，在實例參數中定義樓板的標高和偏移值，在類型參數中定義其具體的構造及材質信息，繪制時通過草圖定義其邊界，也可通過拾取墻體的方式，在樓板創建之后，與墻體保持關聯。

2.3 幕墻、屋頂的建模

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

幕墻繪制時與墻體類似，其實例屬性中的設置也與墻體類似，對于其豎梃和幕墻嵌板，則由外業調查不同建筑物的實測數據進行設置，包括豎梃的組合連接方式及轉角部分的設置，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，對綜合樓部分有特殊造型的幕墻進行形狀編輯。

屋頂是建筑的重要組成部分。本實驗中校園建筑物多為跡線屋頂，宿舍樓為平屋頂。在Revit的建筑選項卡屋頂工具中提供了跡線、拉伸、面屋頂三種創建方式以及屋頂的連接和修改工具。本實驗中的建筑物屋頂建模時，尺寸參數根據外業測繪及無人機航拍圖得到的數據進行了參數估算，外觀和材質方面根據其實景進行了模擬。

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

通過上述主體圖元的創建，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，可將其導入 ArcScence中，ArcScene 是 ArcGIS Desktop中專門用于顯示三維數據的獨立程序，可以瀏覽三維數據、創建表面、進行表面分析、三維飛行模擬。在融合前，需進行數據的轉換，使用了IFC（Industry Foundation Classes）的標準格式[9，10]。首先將Revit中的項目文件數據以IFC 格式存儲，再利用Arcscene 中的數據互操作工具，將IFC 文件導入Arcscene 中。數據轉換并導入后，在 GIS軟件中可以查看到有效轉換的建筑物信息，這些信息使得三維模型的參數不僅包含地物的基底、位置，還包括了內部的建筑構件詳細的信息，將GIS對于空間的管理從外部延伸到了內部，豐富了整個場景的信息。

3.2 建筑模型與場景景觀融合

ArcScene中的場景可以導出二維圖片或三維VRML 文件，這些文件可在普通瀏覽器中安裝插件進行發布和瀏覽，在其圖層中添加的建筑模型，既可以展示場景環境也可以展示建筑物內容的畫面和參數，根據模型的尺寸和空間位置，利用3D編輯器中的縮放、旋轉等命令對環境的位置進行調整，使得模型與場景環境相融合匹配，實現一體化的展示。如圖2 所示。

圖2 BIM 模型與GIS場景 融合Fig.2 BIM model and GIS fusion

4 結論與展望

本實驗基于校園實測數據，首先在Revit軟件中進行了建筑物的基礎建模，然后嘗試通過IFC進行數據的轉換，并將其導入了GIS平臺，達到了模型信息在兩種尺度上的融合，完成了實驗目標。

通過單體建筑與場地信息的融合，進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用于多種場合，例如小區域的精細規劃、古建筑的建模與保護、工程及房地產運維的智能化等。本項目下一步將嘗試進行建筑物內部如室內空間的快速建模信息化，以及地下管網智能化管理的優化研究。