智慧城市的支撑技术—建筑信息模型（BIM）

2013-07-07旭密林实业发展上海有限公司卫校飞

智能建筑与智慧城市 2013年1期

文│旭密林实业发展（上海）有限公司卫校飞

1 建筑信息模型（BIM）简介

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的缩写。BIM以多种数字技术为依托，建立了建筑信息模型，以此作为各个建筑项目的基础去进行各项相关工作。建筑工程与之相关的工作都可以从这个建筑信息模型中取得各自需要的信息，既可指导相应工作又能将相应工作的信息反馈到模型中。

BIM不是简单的将数字信息进行集成，它是一种数字信息应用于设计、建造、管理的数字化方法，这种方法支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率，大量减少风险。在建筑工程整个生命周期中，用BIM来实现集成管理，因此这一模型既包括建筑物的信息模型，同时又包括建筑工程管理的行为模型，是建筑物信息模型同建筑工程管理行为模型的完美融合。

当前建筑业已普及了计算机辅助设计技术，CAD的引入，解决了计算机辅助绘图的问题，但BIM与CAD不同，它具有五个特点，如图1所示。

图1 BIM的特点

（1）可视化。BIM提供了可视化的思路，将以往线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前。BIM的可视化是一种能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视，在BIM的建筑信息模型中，由于整个过程都是可视化的，可视化的结果不仅可以用来做效果图的展示及报表的生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都会在可视化的状态下进行。

（2）协调性。BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期对各专业的空间碰撞问题进行协调，生成协调数据提供出来。当然BIM的协调作用并不是只能解决各专业间的碰撞问题，它还可以解决诸如电梯井布置与其他设计布置及空间协调、防火分区与其他设计布置之协调、地下排水布置与其他设计布置之协调等。

（3）模拟性。BIM可以对设计上需要进行模拟的一些项目进行模拟实验，例如：节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等；在招投标和施工阶段可以进行4D模拟（三维模型加项目的发展时间），也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而来确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟（基于3D模型的造价控制），从而来实现成本控制；后期运营阶段可以模拟日常紧急情况的处理方式，例如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。

（4）优化性。BIM模型提供了建筑物实际存在的信息，包括几何信息、物理信息、规则信息，还提供了建筑物变化以后的实际存在的信息。当复杂程度高到一定程度时，参与人员本身的能力无法掌握所有的信息，必须借助一定的科学技术和设备的帮助。现代建筑物的复杂程度大多超过参与人员本身的能力极限，BIM及与其配套的各种优化工具提供了对复杂项目进行优化的可能。

（5）可出图性。BIM通过对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化以后，可以帮助业主绘制出综合管线图、综合结构留洞图和碰撞检查侦错报告并建议改进方案。BIM目前在国外很多国家已经建立了比较成熟的BIM标准或者制度。国内BIM技术应用正在飞速发展，它能够有效地结合国内的建筑市场特色，满足国内建筑市场的需求，BIM将会给国内建筑业带来一次巨大变革。

2 BIM的应用效益

由于查询建筑模型能提供各类准确的信息，协助决策者做出准确的判断，同时相比于传统绘图方式，在设计初期能大量地减少设计团队成员所产生的各类错误，以及后续承造商所犯的错误。计算机系统能利用碰撞检测的功能，并通过图形表达的方式知会查询人员关于各类构件与部件在空间中彼此碰撞或干涉情形的详细信息。由于计算机和软件具有更强大的建筑信息处理能力，相比目前的设计和施工建造的流程，能给工程项目带来更多的正面影响和帮助。

对工程的各个参与方来说，减少错误对降低成本都有很重要的影响。因此减少建造所需要的时间，同时也有助于降低工程的成本。应用欧特克建筑资讯模型的著名成功案例有德国慕尼黑的宝马世界（BMW Welt）、梅赛德斯—奔驰博物馆（Mercedes-Benz Museum），以及位于斯图加特的保时捷博物馆等，均使用该项技术来完成整个设计项目。

通常工程的实际成本核算困难，主要原因是数据量大、牵涉部门和岗位众多等。BIM的应用可以帮助进行复杂情况下的成本核算，BIM技术在处理实际成本核算中有着巨大的优势。基于BIM建立的工程5D（3D实体、时间、WBS）关系数据库，可以建立与成本相关数据的时间、空间、工序维度关系，数据粒度处理能力达到了构件级，使实际成本数据高效处理分析有了可能，解决方案操作方法如图2所示。

图2 基于BIM的成本核算解决方案

（1）创建基于BIM的实际成本数据库：建立成本的5D（3D实体、时间、工序）关系数据库，让实际成本数据及时进入5D关系数据库，成本汇总、统计、拆分对应瞬间可得。以各WBS单位工程量的人工、材料、设备单价为主要数据进入实际成本BIM中。未有合同确定单价的项目，按预算价先进入，有实际成本数据后，及时按实际数据替换。

（2）实际成本数据及时进入数据库：BIM中成本数据以采取合同价和企业定额消耗量为依据。随着进度进展，实际消耗量与定额消耗量会有差异，要及时调整。每月对实际消耗进行盘点，调整实际成本数据，化整为零，动态维护实际成本BIM，大幅减少一次性工作量，并有利于保证数据准确性。

（3）管理实际成本：由财务部门每月盘点，提供给成本经济师，调整预算成本为实际成本，实际成本不确定的项目仍按预算成本进入实际成本。按本文方案，过程工作量大为减少，做好基础数据工作后，各种成本分析报表瞬间可得。

3 GIS和BIM技术的融合

随着GIS技术和BIM技术的发展，将这两项技术结合，我们可以生成含有丰富建筑信息的3D 建筑模型，并将其转换为标准3D模型文件的系统。可以将原始的GIS数据通过规范化，然后将复杂的多边形分割成基本的多边形图元，然后针对不同的建筑结构组织3D建筑层次模型，最终生成可供场景调度系统加载和管理的标准文件。BIM和GIS的集成和融合能给人类带来的价值将是巨大的，方向也是明确的。通过这样的方法可以为智慧城市规划、智慧城市管理和智慧建筑的设计和建筑提供技术支持。

3.1 BIM与GIS技术融合在智慧城市规划中的应用

基于GIS和BIM融合技术自动生成的3D城市建筑实体模型，主要有两种表现方法：边界表示法和空间分区表示法。边界表示使用一组曲面来描述三维对象，这些曲面将对象分为内部和外部。空间分区表示用来描述内部性质，将包含一个对象的空间区域划分成一组较小的，非重叠的连续实体。生成3D城市建筑实体模型的主要流程如图3所示。首先对GIS中的多边形体源进行预处理，然后将预处理的数据提交给模型生成模块继而进行3D模型生成，最后通过3D引擎加载到三维城市场景中。

图3 模型生成系统主要流程框图

（1）数据的提取和规范化

智慧城市中，建筑模型的边界数据由GIS数据提供，GIS模块会将所需的多边形数据发送给系统，每个多边形发送一次。接收到多边形数据后，系统将每个多边形的顶点信息和拓扑关系存储起来，并为每个多边形编号。多边形顶点规范化是将GIS的多边形地理坐标转换到模型坐标系，并保留模型所在的地理坐标。每个物体都有它们自己的坐标，当物体移动或者改变方向时，和该物体相关的坐标将随之移动或改变方向。

（2）建筑立面生成及屋顶种类

在对智慧城市中的建筑物进行建模时，首先将整个建模过程分为主体建模和房顶建模，平顶的建筑模型中就只有主体建模。对于主体建模，主要利用多边形数据和高程系统中的高层数据完成建筑模型的立面生成。立面生成首先要遍历每个多边形的每条边，对其中任意一条边，根据其高程数据构造出对应于标高的两个顶点，形成一个四边形立面，如图4所示。

图4 建筑立面生成

屋顶的类型根据建筑物的使用功能、屋顶所用材料、结构类型以及建筑造型要求不同，有平屋顶、坡屋顶以及曲面屋顶、折板屋顶等多种形式。

（3）纹理库

智慧城市的三维模型，不仅具有多种细节层次的几何表达，还具有逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息。在智慧城市中，三维建筑物形状的重建和绘制、表面性质的描述和材质参数都已成为城市数据库的一部分。一个成熟的三维智慧城市数据库包括几何关系数据、照片纹理和其他附加信息数据。三维模型纹理库是智慧城市数据库中一个重要的数据库，是智慧城市建模的一个重要环节。

（4）建模过程中的基本算法

在智慧城市建筑物模型生成过程中，一个顶点从生成到最终加入模型文件中成为模型的一个顶点需要进行一系列计算和变换，这些变换是通过基本的平移、缩放和旋转变换组合而成的，每个变换都可以表示为矩阵变换的形式，通过矩阵的相乘或连接可以构造更复杂的变换。在建筑模型生成过程中，需要简化模型，通常需要将三维图形投影到二维平面上，这时需要定制一个投影平面，通常称为当前工作平面。构建工作平面需要做坐标系的变换，在确定模型的顶点后，需要建立合理的几何实体模型。

通过上述方法作为核心技术路线，可以实现GIS技术与BIM技术融合运用于智慧城市三维城市规划方案的可视化。前文提到的三维城市规划方案的可视化系统的总体技术方案，可以具体实现三维规划可视化中的三维模型创建、场景的优化与系统集成。

3.2 BIM和GIS技术融合在智慧建筑内的应用

目前，GIS技术在导航系统中得到了广泛的应用。导航已经由以往单一的导航工具，逐渐通过与多种智能化技术的融合，变成一个活跃的研究领域，尤其是在智慧楼宇内部应急响应方面。在火灾、地震等灾难发生的同时，很多生命也随之流逝。因此，运用GIS技术计划可行的楼宇内部疏散方案，从而减少在灾难中受伤和死亡的人数就变得越来越重要。

对于智慧楼宇内的GIS而言，成功的3D导航取决于精确、实时的楼宇结合形状和语义定义；正确的室内定位；以人为本的导航路线的灵活性；关于威胁和建筑物易于接近性的信息等。随着建筑设计技术的发展，BIM与3D GIS被逐步地用于多重学科。GIS和BIM的融合及演变过程如图5所示。

图5 GIS和BIM的融合及演变过程

3D智慧楼宇内部导航的功能要求：

对于任何时序要求严格的应用程序来说，在路线图上指示用户选择的路径并进行导航是最基本的功能。例如基于定位的服务（LBS）、智能交通系统（ITS）和应急响应（ER）。导航任务覆盖了空间、信息与服务三个层面：空间层面包含了宏观空间和微观空间层面；信息层面包含语义信息、数据格式信息和导航控制信息；服务层面则体现在准确性、实时性、可适应性和便捷性。

3D户内导航在空间层面细分中属于微观的层面。支持3D户内导航的信息主要源自BIM模型，BIM模型包涵了3D GIS模型中所有地理位置参数和语义信息参数。BIM中用于户内导航的信息内容包括每个楼层的规划图，关于每个楼宇组成部分的语意信息描述、行人的位置信息和楼宇的出口位置等。3D户内导航的控制信息应当包括地理位置要素和实现路径描述的几何要素。

因为3D GIS含有巨量的数据流量，因此不可能同时加载于BIM所有的部件。3D户内导航要求为用户提供准确的疏散路线，需要考虑到所有种类的疏散情况。以地震为例，电梯不可以作为垂直可通行路径来考虑，因为地震时电梯不能作为逃生的途径。另外，GIS应用于楼宇内部导航时，其准确性与建筑物用户活动模式甚至当天的时间相关。导航用户的年龄、健康条件也会影响到他们对路线的选择。

智慧楼宇内部导航的适应性有着特定的意义，不同的人对于楼宇内部环境的认知不尽相同。对于在楼宇中工作的职员来说，建筑物的主要引导标识（例如紧急出口、楼梯、走廊和大堂等）对疏散的提醒已充分。但是对于访客来说，他们对建筑物的内部结构没有足够的经验，也不清楚准确的紧急出口位置以及所处位置距紧急出口的距离。因此，导航给出的信息应当尽量详尽。通过向移动电话3G的个人用户提供可视化导航，也许能够实现有效的疏散。

传统的户内导航基于几何位置模型，主要是寻找最近的POI（从用户的位置到目的地的路线），这种方法忽略了对于用户信息和建筑物中丰富的语义信息的考虑。3D智慧楼宇内部导航的架构应当以人为本、基于语义学并且智能化、基于本体论知识表示方法和混合的定位模型，其内部导航架构描述如图6所示。图中有五个重要的部分，分别是建筑物蓝图、户内导航本体、情境感知、3D户内网络和BIM模型。通过考虑建筑物蓝图的区域性特征、自动生成户内导航本体和情境感知3D户内网络模型，随后指示出最佳路径与BIM模型相匹配的语义链接。

图6 基于语义学的BIM户内导航架构

在GIS与BIM的融合技术应用于智慧楼宇建筑中，BIM可以视为计算机辅助建筑设计的新一代产品。BIM方法中，设计者借助智能数据库提供的信息，对3D模型进行设计和管理，其数据库的内容包括以设计方案决策、准确的工程文件成果、性能因素预报（能源消耗、负载计算等）、开销估算和情境规划设计和施工计划。

在BIM模型中，区别于传统CAD模型的重要特性主要有两方面：3D地理位置信息和语义信息。3D地理位置信息将会自动从建筑信息模型中生成，不需要任何额外的建造3D模型的工作。这就是说，根据需求可以从BIM模型自动生成灵活的3D模型和3D情境。BIM模型同时包含着丰富的语义信息，其中包括楼层信息、材料信息、开口的方向、高度信息、到某个设施的距离等。这些信息可以很容易从BIM模型中得到，并且方便使用。

对于一个优良户内导航来说，首要的工作是建立一个优良的的拓扑表示方法。为了表示楼宇内部的拓扑结构，首先应当定义一些抽象的方法，例如，楼宇图形表示法中的最小拓扑元素、将语义信息链接到楼宇图形导出法中的方法、更加适合于为智慧建筑自动生成楼宇图形的运算法则等。

结合BIM技术的3D GIS系统首先是把BIM模型导入3D GIS系统并且把3D模型分割成预先定义的导航倾向的语义模型；其次是用媒体轴向变形算法的拓扑学建造，继而根据室内导航本体的拓扑再次建造；第三是用算法规则和代表附带文本的内置环境的3D模型进行路由。

图7展现了一个3D室内导航的案例，该系统提供了三个视角：3D建筑视角，地平面地图视角和室内导航视角。将房间数目和导航目的信息加载到3D环境中，通过借助BIM信息，自动生成一个最短的门对门的路径。