基于BIM与3D GIS的大学数字校园系统设计与研究

常斐 薛婷 阚晓玉

(内江师范学院 四川 内江 641000)

为实现大学校园的数字化建设目标，提供给师生更多的便利教育、学习以及生活条件，科学设计基于BIM（Building Information Modeling）与3D GIS的大学数字校园系统具有极为重要的现实意义。BIM技术追求精细化表达，而3D GIS（3D Geographic Information System）技术则侧重于快速大场景显示，二者结合应用下所设计出的大学数字校园系统，从实际应用情况来看，大场景与精细化可共存且能够保证应用的流畅性，实现了模型与场景的深度融合，将数字校园的建设效果与用户体验进一步提升，奠定了大学数字化校园持续性发展的坚实基础。

1 BIM技术与3D GIS技术概述

1.1 BIM技术

BIM技术，即建筑信息模型，兼具模拟性、数字化、可视化、可操作性、优化性等多种特点，因而在多个工程领域中得到了广泛应用。但目前国际中尚未对其做出统一定义，要想更好地发挥该技术的作用，需在建筑生命全周期内各阶段在BIM中采取添加、提取、修改以及更新信息等方式实现各项目参与方职责。现阶段，该技术的应用得到了推广且应用水平较高[1-2]。

1.2 GIS技术

地理信息系统（Geographic Information System，GIS），借助计算机硬件系统与软件系统有效采集、保存、管理、运算和分析整个部分地球空间相关地理分布数据，并具有显示与描述的功能，属于系统化技术系统。而3D GIS 则是基于三维数据模型形成的地理信息系统，由数据结构至空间查询、模型构建分析，在技术与理论等方面均比二维地理信息系统复杂。3D GIS能够获取准确度较高的地理位置信息，在水利、交通、地质与旅游等诸多领域，但尚未定位建筑物内部信息。

1.3 BIM技术融合3D GIS的必要性

BIM 模型中含括诸多建筑信息且具有较高精细度，所以需要较长的可视化预处理时间，因而被广泛用于建筑工程的内部信息管理。3D GIS技术则多应用于宏观空间管理，含括信息仅为地球表层空间地理信息，精细度不高。两种技术在不同应用领域均具有一定优势，且在某些方面可以充分发挥互补作用。融合以上两种技术的应用空间广阔，包括校园信息化建设、建筑分析、城市规划、环境模拟、建筑运维可视化等，均能充分发挥两者的宏观优势与微观优势。

2 基于3D GIS技术构建校园场景具体方法

2.1 校园影像

通过航空摄影和下载校园遥感影像相结合，得到的影像利用ArcMap 软件将影像与校园原始CAD 图进行配准，从而让影像坐标和校园建筑CAD 坐标相匹配[3]，配准完成后将文件导入GIS 平台，对其进行整体管理与配准，通过处理后的校园影像便可以在专用地图上显示。

2.2 高程模型

校园的地形状态高低起伏，要想在模拟地球上显示真实的地形状态，需要高程数据信息。本文通过无人机配合实时动态技术（Real Time Kinematic，RTK）进行校园高程数据的测量和采集，随后将测量得到的数据进行处理，使这些零散的高程点成为一个矢量面，进而生成地形文件[4]，再将文件应用于虚拟地球中进行数据配置与管理，最终形成和校园真实地形一致的数字高程模型。

2.3 两者融合

大学校园的影像在反映真实地形后，应将地形空间参考作为构建管线与建筑模型的参考条件，以确保模型可贴合地形，从而有效避免建筑在空间中位置错乱的情况。在影像与高程建立完毕后，为更好地表达建筑物等地上地下的空间位置关系，可在GIS 平台中对影像进行透明度调整，方便设计人员对管线位置进行确定，同时方便维护人员对管线进行日常运行监测。

3 基于BIM技术数字校园模型构建方法

3.1 建筑物模型构建

建筑物模型通通常用BIM软件创建，本文采用Revit软件对大学校园某建筑进行建模。由于建筑物较大且专业较多，因此采用中心协同方式进行，可于新建项目后完成中心样板文件的创建，为专业间相互协同提供高效、便捷的条件[5]。土建专业进行基础、柱、梁、板等结构，墙、门窗、楼梯、栏杆、装饰装修等建筑与装饰，以及台阶、散水、坡道等零星构件的模型建立，安装专业完成电气、给排水、暖通等模型的建立，值得注意的是，在建模过程中各专业设计人员需要适时协调，避免各专业间模型碰撞的出现。在建模过程中若没有族文件，需要自己单独建立，并保存便于后期使用。

为了让建筑物呈现的效果更好，首先，可以采用3D Max进行模型渲染，对于其他未使用Revit建模的建筑，同样可以采用3D Max 进行快速建模，可以利用建筑物CAD 导入软件，进行实体的拉伸，得到简单的三维模型[6]。其次，通过软件中的细节处理工具，完成建筑的细节调整，得到初步的建筑模型。最后，对材质进行附着，为了更为真实地展现模型的效果，还可以对其进行贴图等方法。将模型细节处理好后，可以对其进行渲染，促使所形成三维模型能够将建筑外观予以真实还原与反映。图1为3D Max建筑物建模的流程图。

图1 3D Max建筑物建模流程图

3.2 校园环境模型构建

以某大学数字校园项目为例，校园内的场地绿化、人工湖、花园、运动场地、道路等面域要素，可以利用Revit建模软件中的场地命令进行面域分割，对分割的面域进行材质编辑，从而完成所需要素的生成。对于体育设施、公园小品、假山、小桥、指示牌等点状要素，可以利用GIS 模型库或Revit 模型库中的预设模型，当模型库中未找到合适的构件时，则需要建族的形式自主建立，最终完成点式模型构件的创建[7]。对于一些缺少的特殊的构筑物，需要额外建模，可以采用Revit 软件体量模型，快速建立模型外轮廓，并附着墙体、屋面、幕墙等，编辑其材质让模型展示的更为真实。也可以采用3D Max软件以多边形与贴图结合使用的方法进行建模。完成建模后需要模型和校园真实的环境进行一一核查，确保所建立的三维校园模型的真实性。

3.3 地下管线建模

3.3.1 地下管线信息提取

由于地下管线已经隐蔽，因此需要CAD图纸和管线探测仪相结合，获得真实的管线材质、管径、位置等属性信息。

3.3.2 地下管线的建模

利用Revit MEP 机电设计软件，按规范进行命名，并将提取的属性信息赋予各构件，在绘制的过程中注意管线的地下位置和空间避让，同时注意地下管线和地上管线连接处等细节处理，从而完成地下管线的模型建立。

3.3.3 地下管线的管理

地下管线模型创建完成后，需要展开对管线数据的管理与校园数字平台配置工作，对本项目映射文件予以更改后与数据库相连接，建立地理数据库后，完成所有管网的三维成图工作。

4 BIM技术融合3D GIS技术的实现路径

4.1 结合过程

4.1.1 BIM模型导入GIS系统

目前，国内外BIM软件与GIS并不兼容，因此数据导入GIS系统较为困难。但是可以借助一些二次开发插件，如SuperMap Export 插件。以插件的形式，导出SuperMap GIS直接支持的数据格式。但BIM的数据要和GIS中数据匹配，需要选择合适的坐标系，让BIM模型的位置信息和GIS中的坐标系相吻合。

4.1.2 模型数据编译

发布模型数据离不开变换、编译以及搜索的过程，发布期间会将所处阶段的名称与进度予以显示[8]。在当前阶段结束后，会将错误信息进行展示，基于编译功能对错误信息进行刷新。编译发布期间应选择使用加密锁，并在发布模型文件完成后进行模型文件的数据管理与配置，即可获得完整的数字建筑模型。三维实体数据模型的构建要点图示如图2所示。

图2 三维实体数据模型的构建要点图示

4.2 数字校园效果分析

4.2.1 校园地上场景效果分析

校园建筑地上场景包括建筑物、构筑物、道路、湖泊、地形状态等，其建筑物和构筑物的内部结构、水电管线、内部装修、外部装饰等都可以全方位展示。而以往的数字校园项目，仅仅是建筑物外部结构和装饰的展示，但内部结构却常常被忽视[9]。而在BIM 技术和3D GIS 技术应用于数字校园后，真正实现了建筑物的内外结合、地上地下一体，促使数字化校园具有一体化集成共享的特点，为教师和学生使用校园场景和校园管理提供了诸多便利条件。数字校园三维场景不仅可浏览和漫游外部场景，同时还可以在建筑物内部进行三维浏览和漫游，使日照情况、设施配套、净空分析、建筑运行情况等全方位展示在面前。

4.2.2 校园地下场景效果分析

校园地下场景多为管网，而地下管网属于隐蔽工程，不能直接观测到其运行状况，同时也较难探测。因此一旦发生事故，很难及时展开维护，从而导致周围乃至整个校园无法正常运行。而地下管线错综复杂，只能通过管线探测工具和CAD图纸相结合，运用BIM软件建立三维模型，实现地下管线三维可视化，同时可以结合应变传感器检测管线的运行情况，如发生管网故障，即可在管网可视化系统的应用条件下，对事故产生的位置予以快速定位，避免影响到其他管线和建筑，将事故所带来的损失降到最低，节约运维成本。例如：BIM 技术与3D GIS 技术引入大学数字校园系统后，电力、给排水、燃气、暖通等管线，皆具备了数字化综合管理的条件，三维可视化的图像，将不同管线以不同颜色作为区分，使错综复杂的管线走向更为明确，各个交叉点、分支点、管线间距等信息一览无余。地下管线三维可视化图示如图3所示。

图3 地下管线三维可视化图示

4.3 功能实现效果

4.3.1 数字校园浏览

用户可通过手机、电脑、VR 等终端对数字校园各场景进行全方位的浏览，根据实际需要进行漫游、查看、视频录制等功能应用[10]；同时可以对隐蔽部位，如地下管线、重要节点等进行查看，通过透明度的设置可以更好地反映其与相关构件的空间位置关系。

4.3.2 构件信息查询

（1）地上场景查询：其信息查询功能可对其属性、模型以及路径等进行查询，并可识别三维场景中的建筑物，查询界面将会将建筑物用途等信息予以全面展现。（2）地下场景信息查询：则主要针对地下管网，可对其管径、材质、空间位置等信息进行查询。用户也可通过此功能定位某条管线，并以标识颜色等方法用以将管线的走向予以凸显[11]。

4.3.3 构件信息统计

地上场景统计可对房间、道路、园林绿化、建筑物权属信息进行统计，并基于输入不同条件在短时间内找出符合条件的建筑物，为学校提供方便管理条件；地下管线的统计则主要为管线权属、管径分类等信息[12]。根据深埋于地下的管线特点，管理人员可利用数字校园系统对管线属性数据进行统计和分析，可在运维中实时调用管线信息。

4.3.4 校园设施精细化管控

通过模型与传感设备的结合，可以对校园建筑的运行情况、师生使用习惯、日照情况等进行分析，并对校园设施的使用情况、重点部位进行实时检测，分析和搜集相关数据，最终形成常态化的智能高效、低碳环保、成本节约的数字校园设施精细化管控的范式。

5 结语

综上所述，通过使用BIM 建模软件可实现数字校园的三维建模，并通过将BIM 技术与3D GIS 技术相融合，构建出相应的数字校园系统，进而实现一体化数字校园建设目标。从BIM技术与3D GIS技术结合的实际使用情况来看，其可为大学数字校园系统设计提供创新思路，为大学校园建筑的运维提供新路径，具有较为广泛的市场前景，促使所建立的数字校园更为智能化与人性化，为实现升华数字校园的目标奠定坚实基础。