基于BIM的三维规划辅助决策系统研究与实现

余真

(福州市勘测院，福建 福州 350108)

1 引 言

建筑设计方案审查，是城乡规划工作的重要组成部分，也是建设工程质量管理的重要手段和城市科学规划的基础保障。传统规划设计和审批方式在技术方案审查时常基于CAD数据以及效果图的方式开展，且其通常仅关注建筑物个体，因此该方法缺乏直观可视化表达和定量分析能力[1]，从而不利于表达设计方案的景观布局及与周边建筑、山水、交通等要素间的协调性，也有悖于城市的整体规划和科学设计。随着智慧城市建设的深入推进，3D GIS技术在城市规划领域得到了长足的应用，其已成为辅助规划审批的有力手段之一[2，3]。BIM技术可以为建筑方案提供丰富的几何语义和建设工程项目各种相关的工程信息，因此其可为城市规划和精细化管理提供有力帮助[4～6]。随着3D GIS技术和BIM的快速发展，集成上述两种技术手段可为建筑规划设计[7]、建筑许可审查[8]和室内空间拓扑研究[9]等方面提供全新的思路及手段。BIM+3D GIS的融合能充分还原城市现状，借助BIM详细的属性内容可以更准确反映地块之上的土地开发强度、人口数量、设施设备数量等信息，让规划评估更准确。同时，基于BIM的规划审批可以在施工前进行建筑与水电等的整合，及早发现工程在进行不同作业时，可能发生的冲突问题并提出良好的解决对策和设计方案，减少方案修改和审批的时间且大幅提升了城市规划设计的质量，也提升了空间的使用价值。

本文在融合规划空间数据和BIM信息模型的基础上，将BIM丰富的语义信息和3D GIS强大的空间分析和可视化分析能力相结合，设计并实现基于BIM的三维规划辅助决策系统，以促进城市规划设计和建筑方案审查的科学性，为精细化的城市规划提供帮助。

2 系统总体框架设计

在充分融合规划空间数据和BIM信息模型的基础上建立三维规划辅助决策系统，为规划设计和方案审查提供三维浏览、BIM方案处理以及规划辅助审查和分析等应用。系统采用主流的B/S架构设计，系统总体架构如图1所示：

图1 总体结构

系统总体设计遵循从下而上的原则，第一层是基础设施层：该层提供网络环境、操作系统、数据库平台以及相应的存储设备、安全设施和计算设施等，它是信息化系统的软硬件设施基础，其可依托智慧城市云计算平台。

第二层是数据层，它是整个系统的信息资源核心，可分为二维数据库、现状三维数据库、三维规划数据库、三维规划竣工数据库、业务数据库和文件库。现状三维数据库可利用现成的智慧城市建设成果，规划三维数据库和竣工三维数据库可由建设单位提供的BIM信息模型获得，审批过程的业务数据与文件存储于业务数据库与文件库中。

第三层是基础支撑平台层，包括了3D GIS Server(对各部门提供三维空间数据的共享发布、空间分析和地图服务等能力)、模型生产工具软件、工作流引擎和GIS空间数据引擎。

第四层是应用层，该层面向三维规划设计与审查需求，侧重实现三维规划辅助决策系统。三维规划辅助决策系统可实现三维浏览展示、三维规划辅助分析、规划审查工具、BIM方案调整、BIM方案管理和地下管线审查分析等应用。接口体系包括二三维场景联动接口、规划综合应用平台(规划业务系统)接口和多规合一信息联动平台(或一张蓝图系统)接口。系统可采用灵活的方式开发与相关系统的接口，以便服务于城市规划设计和审查，并进一步促进智慧城市建设成果共享[10]。

除此之外，系统还须建立相关的标准规划和保障机制，包括数据标准、数据更新保障机制、组织机构与政策法规保障等，以防止信息管理混乱，从而保证信息化建设和运作的规范发展。

3 关键技术

(1)轻量级的BIM数据与3D GIS平台集成技术

BIM模型数据贯穿设计、施工和后期管理的各个过程中，富含丰富的建筑结构细节描述和相关工程设施信息。相对于三维规划设计和审查应用而言，其难免突显为数据冗余量大，影响三维可视化展示效果和空间分析效率。BIM与3D GIS技术集成可充分发挥两者的优势，从而最大限度地将IFC(Industry Foundation Classes)语义信息集成到City GML(City Geography Markup Language)中[11]。

通过对BIM模型IFC语义的解析，根据三维规划设计和方案审查要素，建立特定的语义过滤规则，过滤与其关联度较低的语义信息，提取对于规划设计和方案审查重要的BIM关键要素，如门、窗、墙面、柱、横梁、天花板、地板、电气等。并最终过滤室内不必要的附属设施和细节。采用IFC和City GML之间的语义映射方式，将过滤的IFC实体和语义信息转换成City GML表达形式，并采用City GML丰富的纹理和材质凸显三维可视化效果，实现BIM数据与3D GIS平台框架的集成和格式转换[12，16]。借助轻量级的BIM数据与3D GIS平台集成技术既能在三维规划应用中保留BIM丰富的信息，又能保证GIS强大的空间分析能力。

(2)融合二维规划数据与BIM模型的规划审批和辅助分析方法

对现有的审批工作流程进行优化，从审批开始阶段收集并集成二维规划数据和三维BIM模型数据，从而实现了从数据结构、数据管理、语义规范和可视化的整合，以充分发挥二维规划数据和三维BIM模型数据各自的优势，最终实现规划协同审批管理体系。借助BIM数据优势，通过算法提升，优化规划方案综合研判、日照模拟、通视分析、控高分析等技术手段，使其能对方案中的BIM模型进行综合性分析，为规划设计和方案审查提供定性与定量化的确切数据支撑。通过模式创新与分析工具，使得方案评审不仅仅局限于景观环境的审查，还能实现建筑外形和建筑功能性与舒适性的综合研判。发挥BIM数据优势，充分考虑采光、节能与环境等因素，引导方案设计与评审趋于合理，避免顾此失彼，提升方案的科学性，倡导绿色建筑，为城市规划提供辅助决策，并自动生成分析报告。

4 设计与实现

4.1 数据标准设计

报件提交的BIM模型的建设标准不一，不利于无缝集成到系统中。需要研究并建立基于BIM(建筑信息模型)的规划设计和报件相关的标准体系，通过制订数据标准来规范系统数据的采集、提交、入库、管理及维护，保证系统数据的完整性、一致性和规范性，为实现数据的动态更新提供规范的标准体系支撑[13]。数据标准对提交的成果格式、命名规范、制作要求、模型精细度、构件编码要求、材质和贴图要求、烘焙要求、效果图要求等作出规范和说明。

4.2 数据资源体系设计

数据资源体系主要由二维数据、现状三维数据、三维规划数据、三维竣工数据、业务数据及文件数据组成。以上数据构成内容丰富、精度准确的BIM规划审批数据库，为系统建设提供数据支撑，其中三维模型最大限度地以BIM模型设计建设，以实现建筑信息的全面表达、更新与共享。

数据资源体系 表1

4.3 系统功能设计

三维规划辅助决策系统基于三维现状和规划数据进行分析，提供了三维浏览展示、三维规划辅助分析、规划审查工具、BIM方案管理与调整和地下管线审查分析等功能应用。可以获得城市天际线效果图、建筑立面图、日照模拟、拆迁分析、指标统计、地下管网分析等内容，这些资料丰富了规划方案的素材，为规划审批提供更加翔实、直观的审查依据。提供全角度、多尺度的规划成果展示，从而有助于决策者综合研判方案的景观性、功能性和舒适性，推演和了解规划方案实施后带来的一些正面和负面的影响，最终实现方案的优化设计[14]。

(1)三维浏览展示

三维浏览展示是系统基础模块，其可提供三维场景漫游及编辑功能，如BIM数据展示以及场景的漫游、定位、初始视图、属性信息、天气控制、地形控制、场景标签和动画导航等，查看BIM数据如图2所示。

图2 查看BIM数据

(2)三维规划辅助分析

三维规划辅助分析模块是三维规划辅助决策系统的核心功能模块，其提供定量和定性的手段辅助城市规划设计与方案审查，因此其不仅可从空间形态上把握方案的科学性，还可以通过指标和参数进一步分析佐证方案的可行性，最终实现城市设计和方案的优化和改进。

三维规划辅助分析功能设计包含[15～18]：

①遮挡类：分析建筑方案与周边景观及建筑的遮挡情况并模拟视域范围，提供计算日照时长和天际线规划的合规性检测功能。包括通视分析、视域分析、日照分析、单点日照时长分析、沿路通视分析、沿路里面分析和天际线拟合分析等功能，日照分析及视域分析如图3所示。

图3 日照分析及视域分析

②高度类：用于审核高度和间距是否符合规划要求，可根据城市空间管制要求，检核设计方案是否突破该地块的建筑限高。计算方案的建筑间距和退距是否符合审批要求。挖填方分析根据地表模型计算挖方或填方量，预估成本。包括建筑间距分析、退距分析、区域控高分析、沿路高点分析、城市限高分析和挖填方分析等功能，控高分析如图4所示。

图4 控高分析

③统计类：根据规划指标和建筑属性，依据年代与结构等信息实现建筑物分类统计并模拟预估拆迁量，为旧城改造提供数据依据。实现建筑物分类分析、拆迁量预估和规划指标计算等功能。

④综合类：提供多方案分屏比对分析和规划方案综合研判功能，如图5所示，实现BIM方案、二维总平图、三维效果图和设计指标在统一界面内全面和多角度的综合研判，为建筑方案的审批决策提供帮助。

图5 规划方案综合研判

(3)规划审查工具

规划审查工具模块提供系统定量化的测量工具，用于方案评审过程中进行水平、垂直等空间距离量测，提供面积量测和模型要素的核查工具。同时还可以输出图片、特定的场景以及局部区域的场景作为业务审批的附图使用。

(4)BIM方案调整

BIM方案调整模块用于在方案审核阶段对审批的BIM模型进行编辑和调整，如图6所示，为规划审批提供及时直观的方案效果。可分别针对模型和材质编辑进行操作，模型操作可通过参数设置和交互式设置等方式调整方案模型的形体、位置和方位等，材质编辑实现纹理、贴图以及属性的调整。

图6 方案调整

(5)BIM方案管理

如图7所示，BIM方案管理模块用于方案的创建和管理，方便规划项目和报件方案的创建、编辑、模型数据和附件材料的导入和管理等业务工作。实现城市现状数据、城市规划设计数据、二维规划数据和方案数据的集成管理。支持从本地导入BIM模型方案到场景中。

图7 方案管理

(6)地下管线审查分析

地下管线审查分析模块实现地下管线数据的二三维一体化，集成地上三维建筑和地下BIM管线模型于一体，直观展现地下管线的相互关系。通过三维实景中对BIM管线模型的分析和模拟，避免市政建设过程中道路的多次开挖，降低施工中地下设施的矛盾与事故隐患，提高管线工程规划设计、施工与管理的准确性和科学性[19]。

地下管线审查分析主要包含BIM管线模型的浏览查询与统计、横断面分析、纵断面分析、流向分析、开挖分析、连通分析、间距分析、埋深分析、爆管分析等分析功能以及泄露扩散模拟和冲突检测，开挖分析如图8所示。

图8 开挖分析

5 结 论

本文通过将3D GIS与BIM技术结合，设计并实现了基于BIM的三维规划辅助审批系统，使得城市规划管理者能够在一个虚拟的环境中，突破二维平面的限制，进行局部的规划和建筑设计方案与周边景观进行综合分析与研判，以提升方案功能性和舒适性审查的科学性。实现了方案审查从传统三维效果图审查模式的“脑”中转向直观三维场景的“眼”中，并结合BIM模型丰富的语义信息，为方案论证提供更为切实可靠的依据。同时，3D GIS+BIM的三维规划审查方式可为竣工验收提供验收的参考标准，在规划条件核实阶段，所提交的竣工成果应与三维规划方案相匹配。项目建成后，还可将竣工BIM成果更新到现状库中，保证现状数据的现势性，实现BIM成果的共享。

以此研究结果为基础，后续可结合IOT、大数据、人工智能等新技术，将虚拟和现实城市紧密联系起来，实现从项目立项到竣工验收不同阶段的规划、设计、审批和监管，业务范围从规划管理、工程建设管理过渡到城市运行管理，从而实现智慧城市的规建管一体化管理，进而为“数字孪生”城市建设提供数据支撑。