基于BIM与3DGIS集成的智慧园区规划与管理

董明泽 王冕 李婷娜

（1.上海师范大学环境与地理科学学院 上海市 200234 2.上海市静安区住房保障和房屋管理局 上海市 200040）

1 引言

建筑信息模型（BIM）技术是Autodesk 公司在2002年提出的，与传统的三维建模相比BIM 建模的优势在于其建筑模型的各个构件都有其属性值，通过构建具有集成信息的建筑三维模型为建筑工程提供信息交换与共享的平台，实现了建筑信息的集成。虽然BIM模型具有丰富的语义信息，但是只能分析单体建筑及其内部的构建，不能与周围的地理环境融合。

三维地理信息系统（3DGIS）在三维空间中具有连续的数据结构和与之相应的分析功能，与传统2DGIS 相比，3DGIS 不仅可以更加直观地展示空间信息，还具有更加强大的多维度空间分析功能。3DGIS 能够实现对三维地理空间数据的采集存储、查询管理、分析处理，但是在建筑物室内信息的集成方面具有局限性，通过把BIM三维建筑模型导入到3DGIS，可以丰富微观的室内信息。

新一代信息技术的发展为智慧园区的建设提供了技术支持。智慧园区是智慧城市的基本单元与重要组成部分，能够应用以移动技术为代表的云计算、物联网等信息技术，实现对园区的监测和管理[1]。建立全面的智慧园区平台服务体系，有利于整合园区内的各种资源，并且能够加强园区内部的互动沟通和管理能力。BIM 能够提供园区建筑的信息模型，而3DGIS 能够提供空间地理参考，因此通过BIM 与3DGIS 的跨界融合，将建筑物的室内和室外、宏观和微观进行整合，提供支撑智慧园区规划与管理的基础数据，赋能智慧园区建设，提升园区的品质和管理水平。

近年来，国内外众多学者对BIM与3DGIS集成技术此进行了大量的研究和探索。BIM 结合GIS 支持在更大范围内的应用，如城市区域，建筑、道路网络或地下设施都被连接起来，用于分析[2]。张诚浩等人仅研究证明了将BIM 模型与3DGIS 集成进行室内空间研究是可行的，模型转换过程中大量语义信息丢失的问题仍无法解决[3]。武鹏飞等人初步实现了GIS 与BIM 数据的相互转化和融合，但几何信息和属性信息丢失、语义信息歧义等突出的问题没有得到解决[4]。陈志杨等人实现了基于WebGL 的Revit 三维建筑模型重建，但系统缺乏对贴图纹理、光线追踪和光照模型进行处理，并且对网络宽带有强烈的依赖性[5]。祁平利在理论研究的基础上，开发了基于BIM 与3DGIS 的交通工程信息系统，并且已经应用在桥梁施工，但是尚未进行两者的深度融合和模型轻量化[6]。赵敬红等人对GIS与BIM 技术进行了详细的分析，并探索了GIS 和BIM 集成在城市建筑规划中的应用[7]。从以上研究看，BIM与3DGIS集成技术应用广泛，但是由于不同平台结合本身的缺陷，在格式转换过程中普遍存在色差和精度损失的问题，所以仍然需要不断的对高精度的BIM与3DGIS集成方法进行探索。本文对BIM与3DGIS集成技术进行研究，为智慧园区的建设提供基础数据，并且实现部分园区的三维空间分析功能，以期为智慧园区的规划和管理提供经验和借鉴。

2 研究对象与技术路线

本文的研究对象是一个规划设计阶段的科技园区，该园区总体规划建设十栋建筑，其中5 号楼、7 号楼、10 号楼属于低层建筑，1 号楼、3 号楼、4 号楼、6 号楼、8 号楼、9 号楼属于多层建筑，2号楼属于高层建筑。园区的总平面图如图1所示。

图1：某科技园区规划总平面图

通过BIM 与3DGIS 技术的深度融合，开展智慧园区规划与管理的研究。主要研究了以下问题：

（1）构建BIM 模型。使用专业的三维建筑建模软件Revit 根据CAD 图纸，对园区内的各个单体建筑依次进行外形和内部构建的精细建模。

（2）将BIM 模型转换为3DGIS 模型。基于SuperMap-Revit插件来对接Revit 数据，并将其在3DGIS 平台中进行地理配准和整饰。

（3）基于园区三维模型的园区综合应用。分别3DGIS 平台Phoenics 和SuperMap iDesktop 10i 对园区三维模型进行日照分析、可视域分析和室外风环境分析。实现了楼宇漫游与信息查询、园区三维可视化展示以及园区三维空间分析，以期为智慧园区的规划和管理提供经验和借鉴。

本文研究的技术路线如图2所示。

图2：技术路线图

3 BIM与3DGIS集成的建筑信息模型构建

3.1 构建BIM模型

构建BIM 模型可以分为AutoCAD 图纸预处理和Revit 建模工作两步。第一步，利用AutoCAD 软件对园区CAD 图纸进行预处理，准备CAD 图纸（*.dwg），将建筑物各楼层的平面图依次导出。第二步，链接相应的CAD 图纸到Revit 软件，并开始BIM 建模。在任一立面视图根据目标建筑物的楼层数和楼高绘制标高，并为每层标高链接与其相应楼层的平面CAD 图纸，将导入单位设置为毫米，导入后使用“对齐标注”工具检验图纸的比例是否正确。将链接的CAD 图纸作为底图进行描图，为建筑绘制墙体、楼板、天花板，放置门窗、楼梯、电梯等构件，并选择合适的材质和尺寸。2 号楼和4 号楼采用上述方法精细化建模，最终模型见图3 及图4。

图3：2 号楼BIM 模型

图4：4 号楼BIM 模型

构建完成的BIM 模型可以应用于楼宇管理，实现室内全景漫游和构建信息查询功能。

BIM 三维模型与传统二维图纸相比较，能够直观、真实的展示建筑物内部构造，室内全景漫游能够实现使用户直接进入三维建筑物模型的内部进行查看，并且可以点击构件查看其尺寸、材质等属性信息，因此该集成模型可以为园区运维管理部门提供集成的楼宇信息，还可以为租赁和购房的客户提供三维展示平台。在紧急的情况下，故障设备的修理人员也可以通过建筑内部的室内漫游快速定位到故障设备位置，特别是建筑中不能被直观看到的隐蔽设备，如水、电、气等。在Revit 平台中4 号楼的楼梯间布置展示效果及属性信息查询结果如图5所示。

图5：4 号楼楼梯间布置及属性信息查询结果

3.2 BIM与3DGIS格式转换

基于3DGIS 超图平台提供的SuperMap-Revit 插件实现Revit 数据的对接。在进行BIM 与3DGIS 格式转换之前，需要确保Revit和SuperMap iDesktop 10i 两平台间的数据单位是统一的。Revit 软件中构建的BIM 模型和AutoCAD 软件中的总规划图纸的默认单位都是毫米，在导入之前需要进行统一单位的初步处理，转换为与SuperMap iDesktop 10i 中单位保持统一的米。通过SuperMap-Revit插件将单位统一为米的BIM 模型根据项目基点的真实坐标值，设置x、y、z 参数，导出为udb 格式数据。在SuperMap iDesktop 10i平台中，将模型加载到球面场景中，精确的对模型进行地理配准。BIM 模型对象的数量较多、尺寸较小，模型的复杂切三角面比较多，体量较大，为了加快渲染和后续的三维分析，可以对其进行三角网简化、批量生成三维切片缓存图层（*.scp）。

4 BIM与3DGIS集成的园区规划与管理应用

对空间对象进行三维空间分析和操作是3DGIS 特有的功能，本文的BIM与3DGIS集成的建筑信息模型可以实现的3DGIS 功能包括日照分析、可视域分析和室外风环境分析。

4.1 日照分析

3DGIS 的日照分析可以在三维场景中观察到建筑物在不同时间的日照率。基于3DGIS 平台SuperMap iDesktop 10i 进行日照分析，能够根据指定区域所在的经纬度范围，计算该地理位置在某段时间内的日照信息，即可以被太阳照射到的时间占总分析时间的百分比。分别计算园区在春分日3月21日、夏至日6月22日、秋分日9月23日和冬至日12月22日的采光率，最终得到的园区日照及采光率分析情况如图7所示，鼠标放置采样点处可查询采光信息。

图6：BIM 与3DGIS 格式转换流程图

图7：园区日照及采光率分析图

根据《城市居住区规划设计规范》（GB 50180-93）[8]规定的各类居住建筑日照指标，冬至日必须满足的有效日照时间为9 至15 时，通过日照分析可得园区符合规范标准中的有效日照时数指标。传统的规划作图方法难于处理复杂的园区建筑群，但是可以借助3DGIS辅助平台将三维的日照分析可视化，同时实现交互式查询。

4.2 可视域分析

可视域分析也被称为地形可见度分析，即从当前位置可以看到的地方。基于3DGIS 平台SuperMap iDesktop 10i 的可视域分析可以分析一个场景的地形或模型数据表面，相对于一个观察点，在指定的视角及半径范围内所有通视点的集合。分别选择视点和视域角度为3 号楼朝北和朝南方向、1 号楼朝南方向、4 号楼朝南方向，并设置合适的视域距离进行视域分析，分析结果中绿色区域表示在视点处可见，红色区域表示在视点处不可见。园区可视域分析结果如图8所示。

图8：园区日照及采光率分析图

在园区规划中应用可视域分析进行观察点模拟并计算该点的可视范围，可以计算出空间中各建筑物与其他建筑物可见性关系，能够科学辅助决策园区的建筑物规划布局和监控点选址，取代传统的规划设计工作多依赖于设计师主观意识和经验、缺乏科学理论依据支持的主要问题，切实提高了规划项目的科学性，提升了规划设计落地的效率。

4.3 园区室外风环境分析

风环境分为室外风与室内风，室外风主要模拟冬夏季的室外风速与风压情况，而室内风主要探究气流畅通与空气龄等问题。本文基于构建的BIM 模型采用计算流体力学CFD 方法进行模拟，所用软件为PHOENICS，分析室外风场对园区建筑场地风环境的影响，综合考虑风压、风速和风向三个指标评价室外风场分布状况，分别采用1.5 米人行高度及50 米建筑物高度，园区的室外风场分析图如图9所示。

图9：园区室外风场图

通过对夏季和冬季最多风向的平均风速进行模拟，分别得到了夏季和冬季1.5 米人行高度风速图，从中可以看出园区周边人行区域的风速均小于5 米/秒，且场地内人活动区无涡旋和无风区，符合行人舒适性要求。根据夏季和冬季的风压图，可以看出夏季室外平均风速条件下，大部分建筑迎风面和背风面表面风压基本超过2帕，有利于实现自然通风；在冬季室外平均风速条件下，除第一排迎风建筑物外，大部分建筑物迎风和背风表面的风压均小于5 帕。综上所述，本园区项目建筑环境的室外风环境良好，符合《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）[9]场地的自然通风要求。

风环境是影响居住舒适度的重要因素。在建筑规划时应该充分考虑到自然通风的影响，合理设计空间布局，构造安全舒适的风环境。借助Phoenics 平台三维可视化分析，可以精确模拟室外风环境，从而可以避免设计错误，降低设计风险，提高设计质量，减少建设成本。

5 结束语

基于BIM 与3DGIS 的集成技术，可以为园区的智慧化规划和管理提供基础数据，为智慧园区的建设赋能。本文以某一科技园区为例，构造园区建筑物BIM 建模，研究BIM 与3DGIS 的转换方法，在SuperMap iDesktop 10i 平台构建出BIM与3DGIS集成的三维园区模型，实现BIM 的三维室内漫游、建筑构件信息查询以及3DGIS 的三维GIS 漫游、三维GIS 信息查询等功能，并且应用日照分析、可视域分析和室外风环境分析三种三维空间分析功能，为园区的规划与管理的实际应用提供了可视化支持的量化为基础数据的科学理论支持。但本文的BIM与3DGIS集成的三维模型体量较大，庞大的三维场景绘制造成了很大的渲染压力，下一步将在尽可能保留建筑外观和属性信息的前提下，对模型轻量化进行研究。