BIM技術與GIS技術融合應用研究

史艾嘉

摘要：BIM和GIS源自不同的領域，并根據各自特定的需求進行開發。BIM系統是基于三維信息（3D）的技術，側重于生成對象最大細節的表達，GIS則側重于分析我們周圍存在的對象。然而，兩個領域的信息交流越來越緊密，本文著重介紹GIS與BIM技術，分析探討BIM技術與GIS技術融合應用，以使城市可視化，讓城市未建先見。

Abstract： BIM and GIS originate from different fields and are developed according to their specific needs. The BIM system is based on three-dimensional information （3D） technology， focusing on the expression of the largest detail of the object， while the GIS focuses on analyzing the objects that exist around us. However， the information exchange between the two fields is getting closer and closer. This paper focuses on GIS and BIM technology， and analyzes the application of BIM technology and GIS technology to visualize the city before construction.

關鍵詞：數字城市;BIM;GIS;融合應用

Key words： digital city;BIM;GIS;fusion application

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0179-03

0? 引言

伴隨我國經濟的迅猛發展，城市建設更新速度加快，智慧化需求越來越高，我國智慧城市行業概念企業已經發展近千家。未來，基于國家發展“建設智慧城市”的要求，智慧城市行業概念企業數量將會迅速突破千家。可見，城市建設對資源和信息化的依賴程度也越來越高，傳統的二維數據模型已經無法滿足三維空間分析需求，精細化、標準化、智能化已然成為城市建設管理的核心要求。GIS與BIM的融合技術為城市建設管理提供一種新的方法，以彌補單一技術在城市建設管理中的短板。

1? GIS與BIM概述

地理空間信息可以定義為一種使用特定地理參考系統，與現有地形和地形相關的信息。GIS（地理信息系統）被開發用于管理和分析基于地理信息技術的空間數據，是地理空間的三維表達，提供了一種使用特定位置訪問詳細空間信息的方法。GIS在計算機硬、軟件系統支持下能夠在大空間尺度上基于室外環境的功能和物理空間關系實現空間分析，數據的采集、管理、運算等功能，在資源和環境領域發揮著技術先導的作用。我們生活中使用的智能導航系統便是基于GIS系統。GIS側重于室外的信息表達，為城市的建設提供基礎框架。

BIM（建筑信息模型）是目前建筑行業興起的技術，側重于單體建筑的精細化表達，具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性五大特點。它可以幫助實現建筑信息的集成，從建筑的設計至運營全過程管理，各種信息始終整合到一個三維模型中，各參與建設的單位人員均可從模型中輸入或者調取自己所需信息（幾何信息、專業屬性、狀態信息等），即協同工作。BIM的數據庫是動態變化的，在應用中不斷修改、更新、完善。此技術能有效提高工作效率，降低工程成本，實現建筑的可持續發展[1]。

基于GIS的傳統三維模型，沒有參數化的建模，而僅僅用于展示，缺乏詳細而全面的建筑信息數據庫，例如城市規劃部門不僅對建筑規劃信息和建筑環境感興趣，而且還對建筑單體信息感興趣，這在傳統地理空間數據庫中不可用，但存儲在BIM中。而BIM專注于建筑相關信息的表達，包括來自幾何、視圖等非常豐富和詳細的構造信息。但BIM相比于GIS也有其軟肋，即它不包括周圍的信息，在建筑空間規劃上有其局限性，BIM系統有時需要空間信息進行環境評估、資源安排和安全分析，只能在GIS中訪問。而GIS強項恰恰在于此。因此將GIS與BIM技術融合，利用GIS的地理宏觀空間表現與BIM的微觀精細室內布局相結合，充分發揮管理與分析結合的功能優勢，非常適合城市管理任務的需要和建筑的各種生命周期。

2? GIS與BIM數據融合

GIS與BIM從本質上看是兩種輸出數據格式不同的技術，在各個方面存在不兼容性，因此將兩者融合有一定的難度，不是簡單的捏合，還處于起步階段。GIS與BIM融合不是將傳統的三維模型直接導入GIS，本質上兩者還是孤立開來。兩者的真正融合應該考慮不同數據中幾何信息的轉換、屬性信息的保留及空間的尺度變化等問題。圍繞兩者的融合問題，國內外學者展開了大量的研究工作，全球范圍內，有多個國家如德國、韓國、荷蘭等歐亞國家研究此項工作，并已經成為該研究領域的前沿。

目前GIS與BIM的融合方法有三種，即數據格式轉換、數據標準擴展、本體論。其中數據格式轉換是最主流，最適用的一種方法。

BIM的數據格式采用IFC標準，作為一種開放格式，IFC已成為跨不同平臺交換信息的最成功的工具之一[2]。GIS的主要標準是CityGML。IFC和CityGML有一些相似之處。比如，兩者都是基于對象的，并且他們定義了一些類似的實體。一些遵循CityGML的模型很大程度上與幾何學方面的IFC一致。但這兩種格式在不同的細節中包含不同類型的信息，IFC包含比CityGML更詳細的信息，其中在涉及到數據之間的轉換時，往往會導致IFC和CityGML之間的完整映射并不容易。盡管存在這些不兼容性，但研究人員已經嘗試了各種方法克服GIS與BIM的個體弱點，以開發出更穩定、可接受的解決方案。

目前，IFC和CityGML之間的轉換主要有兩種方法：手動轉換和半自動轉換，沒有方法可以實現完全自動化轉換過程。手動轉換通常包括以下步驟：①語義過濾;②外殼計算;③建筑物安裝;④幾何細化;⑤語義細化。這是目前IFC和CityGML轉換/翻譯的經典框架之一。最近，通過數據倉庫技術（ETL）可以實現BIM和GIS數據半自動轉換，該過程從源系統中提取同類型數據，并將數據轉換為適當的格式將數據加載到數據倉庫中。ETL期間的映射過程可以靈活實現BIM和GIS數據之間的完整和自定義轉換。因此，ETL工具適合批量數據轉換，可以批量轉換大量數據。但這種數據轉換方式也存在缺點，從已有的研究來看，ICFC與CityGML數據轉換仍不可避免產生數據的丟失，因此未來的重點仍將是解決如何避免數據轉換過程中的信息丟失問題。

3? REVIT三維建模與GIS軟件

3.1 REVIT概述

Revit是由Autodesk公司開發的一款國際通用的三維建模軟件，是目前最主流的BIM軟件。它的主要功能是建筑外觀及內部的設計或設備的規劃，可以從多個角度觀看建筑外部景觀和內部景觀。由于它界面類似CAD操作易上手，建模方式獨特、簡潔，并且可以導出多種格式與其它軟件進行對接，深受廣大用戶的喜愛。

3.2 某建筑BIM三維建模

為達到BIM技術與GIS技術的融合，首先需要通過Revit軟件進行三維建模，將三維模型數據作為基礎數據，步驟如下：①選擇建筑樣板;②建立標高;③導入CAD圖紙，依據圖紙快速建立軸網和墻體;④建立門、窗、幕墻、樓梯、屋頂、地形與場地等各個構件;⑤模型檢查，導出其它格式并與其它軟件進行對接。

Revit軟件中雖提供多種系統族供我們建模，但是由于每個建筑都有其特殊性，例如門、窗都有特定的參數要求，那么單靠自帶的族庫顯然無法滿足模型多元化的要求，這就要求我們學會自己創建所需要的族，通過拉伸、放樣、旋轉等多種族命令創建相應的族元素，再載入到項目中便可使用。

建立的建筑三維模型效如圖1，圖2所示。

3.3 GIS軟件—GoogleEarth

谷歌地球是美國谷歌公司開發的一款三維虛擬地球軟件，它將衛星照片、航拍照片和GIS照片布置在地球上，支持三維模型的加載、查詢、編輯等功能。依托美國高分辨率影像，用戶可登陸電腦端或手機端瀏覽地理圖像。目前，谷歌地球中的“3D建筑圖層”功能正是BIM與GIS融合的最典型的例子之一。

4? GIS與BIM融合應用

4.1 室內導航

BIM與GIS融合的應用之一是能實現室內空間的導航。眾所周知，目前的智能導航系統主要是針對室外導航，而室內三維導航系統卻很少，大多數是二維線條導航。主要原因在于導航系統是基于GIS系統，而GIS系統缺乏室內信息，如果將建筑BIM模型數據進行轉換添加到GIS數據中，便可實現建筑物內部的導航，對于大型商場游客游玩或者火災發生逃生都是極為有用的。在這里，IFC數據主要是用于室內路徑規劃與信息管理，而GIS數據則負責室外的資源管理及逃生路線規劃。最終兩者結合使室內人員和消防員能快速找到逃生路線及營救路線，減少了應急救援時間，增加逃生幾率。如央視新大樓利用BIM與GIS技術開發的室內導航系統，可以為員工跨樓層跨樓體導航。

4.2 BIM+GIS傾斜攝影應用

傾斜攝影技術是近十幾年來發展起來的一項高新技術，它不同于以往的正攝影像只能從垂直角度拍攝物體。通過多鏡頭無人機從多角度采集圖像信息，獲取豐富的建筑物頂面及立面的高分辨紋理等航測數據建立三維GIS模型，結合BIM在室內空間的精細化表現以及傾斜攝影室外快速建模優勢，可以實現建造大范圍室內外一體化的模型。基于GIS的三維實景模型可以更好的服務智慧城市建設，在國土、規劃、水利、旅游等領域也有重大的應用價值。

4.3 場地選擇與布置

項目規劃人員運用BIM技術可以沉浸在施工現場的真實視圖中，并通過使用BIM三維模型信息來評估潛在的危險，以此幫助規劃人員在場地規劃階段做出決策。相比之下，GIS能提供環境影響的定量評估與場地的空間背景視圖，以及支持建筑工地材料布局的時空沖突檢測與現場材料的可達性評估[3]。

4.4 公共設施管理應用

目前，BIM技術主要應用于設計與施工階段，而在運維管理階段的使用尚處于初步階段。若將BIM與GIS技術二者集成應用可解決市政、基礎設施及大型公共建筑的BIM運維管理，可提高BIM技術的應用范圍。如，昆明新機場項目，結合BIM技術與GIS技術開發機場航站樓運維管理系統，實現航站樓機電、庫存、物業、報修與巡檢等運維管理和信息的動態查詢。

5? 結語

由于IFC與CityGML數據仍無法實現完全的轉換，在轉換過程中仍會不可避免的出現信息的丟失，因此BIM和GIS融合仍然存在許多障礙和挑戰。未來的城市智慧化管理與快速發展迫切需要BIM與GIS的深度融合，因此開放與協作將是BIM與GIS成功融合的關鍵，這不僅適用于新標準或者本體的開發，同樣是各領域為之奮斗的人們的心態。相信GIS與BIM的融合將會為城市的可持續發展推力。

參考文獻：

[1]武鵬飛.GIS與BIM融合的研究進展與發展趨勢[J].測繪與空間地理信息，2019，42（1）：1-6.

[2]湯圣君，朱慶，趙君嶠.BIM與GIS數據集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操技術[J].土木建筑工程信息技術，2014，6（4）：11-17.

[3]張鄰.基于BIM與GIS技術在場地分析上的應用研究[J].四川建筑科學研究，2014（5）：80-82.

[4]郭瑞陽.BIM模型和3D GIS的融合技術研究及其實現[D].西安科技大學，2018.

[5]朱慶.三維GIS及其在智慧城市中的應用[J].地球信息科學學報，2014，16（2）：151-157.