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1、BIM技术在数字城市三维建模中的应用研究张瑞芝（中国矿业大学工程管理研究所，徐州，221116）【摘要】数字城市是城市信息化的重要组成部分，随着信息技术的发展，对数字城市三维模型提出了更高的要求，而现有的三维建模手段不能满足这种需求。BIM技术的发展为数字城市三维模型建立提供了更精确的手段。文章通过分析BIM与GIS区别，从数据组织、应用模型等方面探讨BIM技术在数字城市三维建模中的应用。【关键词】建筑信息模型；数字城市；GIS1 引言“数字城市”是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真虚拟等技术，对城市进行多分辨率、
2、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现1。数字城市代表了城市信息化的发展方向，是推动整个国家信息化的重要手段。数字城市地理空间框架既是一个城市的空间基础信息平台，也是国家空间数据基础设施的基本组成部分，它是信息集成的载体、是数字城市赖以实现的不可或缺的基础支撑。2 三维建模技术现状城市三维仿真模型是地表及以上景观的一个三维计算机模型，它不仅包括地面的描述，而且包括建筑物等目标体的描述。城市三维仿真模型使得人们对城市景观现状和规划设计的描述摆脱基于二维地图和三维实物模型的表现方式，代之以计算机辅助的三维立体表现形式，使得决
3、策者、设计师和用户对城市景观现状和规划设计蓝图有生动、直观的了解和更深刻的认识，从而拓宽城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基础设施设计更加科学化，为城市建筑结构调查、绿地位置设计、道路规划、噪音传播和污染研究等提供有益帮助，对于城市可持续发展研究有重要意义2。目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取，实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑，三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体，也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识，增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用，用于增强用户与
4、数据模型之间的交互操作性能，尤其是与虚拟现实技术的结合，使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作3。图1 建筑物三维建模一般流程三维建筑物信息的获取与建模是城市建模的主要内容。在虚拟地形景观模型之上，将建筑物竖起来，形成城市三维GIS。在3DGIS中，对建筑物的处理有三种模式：一是每幅房屋一个高度，形状也做了简化，形如盒状，墙面纹理四周都采用一个缺省纹理；二是房屋形状是通过数字摄影测量实测的，或通过CAD模型导入的，形状与真实物体一致，具有复杂造型，但墙面纹理可能做了简化，一栋房屋采用一种缺省纹理；三是在复杂造型的基础上叠加真实纹理，形成虚拟现实景观模型。目前的研究主要有：从城市影
5、像中自动提取建筑物，检测二维建筑物和DEM 数据、直接对建筑物或表面进行建模，通过影像测量并结合物体的几何知识构模出多面体对象模型的方法，将地面与车载激光扫描系统用于三维城市重建和局部区域空间信息获取，基于机载激光扫描系统的三维重建方法，利用三维深度传感器、多CCD相机和彩色高分辨率数字相机获取的数据实现建筑物建模3，利用虚拟现实技术实现三维GIS数据的可视化等4。由于建立在计算机环境中的建筑三维模型，仅仅是建筑物的一个表面模型，没有建筑物内部空间的划分，更没有包含附属在建筑物上的各种信息，造成很多设计信息缺失。建筑物的表面模型，只能用来推敲设计的体型、造型、立面和外部空间，简单的说，只能是“
6、看看”，并不能用于测绘记录、复原、施工。附属在建筑物上的信息是非常多的，以墙体为例，工程技术人员除了需要确定所用的材料、表面的颜色、纹理外，还需要确定墙体的重量、施工工艺、传热系数等很多信息。如果不确定这些信息，结构设计、建筑节能设计、建筑概预算、建筑施工以及测绘、复原等工作就无法进行。而原有的建筑物三维表面模型，是无法做到在模型上附加这么多信息的5。3 集成数字城市模型数字城市模型是以城市基础地理空间数据为依托，利用GIS技术，建立的城市数字信息模型。在信息时代，数字城市模型由于信息数据类型增加，从原有的城市地理数据扩展到建筑信息数据，并且数据资料的共享需求越来越高，使整个数字城市体系日益系
7、统化。集成数字城市模型就是在数字城市的基础上，添加城市设施和建筑物的属性信息，使数字城市模型中的信息更完整，同时打通各个专业和各个环节之间的信息技术应用之间的断桥或堡垒，实现信息的全流通，使数字城市管理从以前的单一目标的静态管理模式向多目标动态管理模式方向发展6。集成数字城市模型是一个高效、多功能、一体化的管理体系，数据更完备，建模更精确快捷，重点是实现信息资源的共享和多业务、多领域的协同作业，实现数字城市横向和纵向的全方位管理，提升城市管理的整体效率。建筑信息模型（BIM）的应用为实现这一目标提供了技术支持。3.1 BIM与GIS的比较BIM（Building Information Sys
8、tem）是随着信息技术在建筑行业中应用的深入和发展而出现的，是一种将数字化的三维建筑模型作为核心应用于建筑工程的设计、施工等过程中的工作方法。GIS（Geographic Information System）是以测绘测量为基础，以地理空间数据为操作对象，以计算机编程为平台的空间分析技术。欲将BIM与GIS技术相融合，构建集成数字城市模型，首先应对两项技术做深入比较分析，进而探讨技术融合的手段。表1是对GIS和BIM技术的比较。表1 BIM和GIS技术的区别7序号功能比较BIM技术GIS技术14D模拟BIM 中4 D 模拟应用于施工过程中的冲突检测，和提高项目管理的沟通效率。除了用于对冲突检测
9、，以GIS为基础的4D模拟，还可用于地理空间环境的物流业务整合。2规划功能主要应用于室内规划。空间几何信息被储存在建筑模型中。室内空间信息可用于暖通空调施工空间使用分析和能源消耗分析。主要应用于室外规划，如工地选址，物流服务，紧急疏散设计等，很少用于室内规划。也应用于评价建筑规划对城市布局的影响和城市的场景中阴影的分析与评价。3空间关系建筑构件之间的空间关系不是以连接关系的形式存储。几何信息作为建筑构件的属性之一，不同构件几何属性定义不一样。GIS系统用来收集、存储、分析、管理和呈现与位置有关的数据，但对于建筑信息只能描述其外形，对于建筑中的属性信息是没有办法描述的。4拓扑结构BIM中拓扑结构
10、工具不成熟，既不能分析空间关系，也不能应对不同的数据集。GIS中拓扑结构工具十分成熟，可用来存储和模拟不同行业的空间关系数据。5分析功能BIM提供便捷的分析功能，例如布尔运算、实体造型、交叉分析、长度测量、面积和体积计算以及数量统计。GIS提供基于矢量和栅格的空间分析，可进行覆盖/相交/合并分析、最短路径分析、网络分析、表面积计算和属性分析等。6三维模型BIM主要适用于自动化管理的需要，三维模型的几何属性与功能属性相联系，建筑构件包含丰富的属性信息。 而三维构件的空间关系以层析结构方式保存。GIS更多的是建立有利于空间分析数字地表模型，属性主要包括地表区域的坡度、长、宽、高度、可见性、剪切和填
11、充体积、表面积、地表的3D可视化和其全景视图，此外存储一些与功能关联的基本属性。7坐标体系BIM采用直角坐标系。数据转换时需要世界地理系统或其他投影系统支持。可以使用任何坐标系统或投影。同时也将数据转换为几个不同的测绘单位通用数据，这是GIS超过BIM一个很大的优势。8本质区别BIM中新设施在建设时可以与设计的形状、大小、空间关系、属性信息相比较。GIS是城市中有关的地形和现有建筑分布的描述。侧重于数据库管理系统（DBMS）功能，在一个通用的平台上查询、显示空间和属性数据。3.2 BIM技术在数字城市三维建模中的应用将BIM技术应用于数字城市三维建模中，建筑物三维模型建立可以简化为BIM数据库
12、建立，并且利用BIM技术建立的三维模型更精确，功能更强大。如图2所示。图2 BIM技术三维建模程序但是BIM技术与GIS技术的融合并不是简单的将两个技术中的功能直接组合这么简单，需要建立三维城市模型数据交换标准，可将BIM中的数据导入GIS软件，同时将GIS中的数据应用于BIM中。这样，BIM数据作为地理信息系统重要的数据源，用来生成数字城市三维模型，而GIS中的数据作为空间数据源，可应用于新的建筑信息模型建立时的基本数据8。以三维城市为目标的语义信息模型CityGML 为BIM与GIS的融合提供了基础。CityGML由德国北莱茵河威斯特伐利亚地区空间数据基础设施三维特别兴趣小组研发，致力于描
13、述三维城市对象的共同语义信息，以期能成为三维城市模型数据交换格式标准9。可以说，CityGML是一种用于虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式。它定义了城市和区域中最常见的地表目标的类型及相互关系，并顾及了目标的几何、拓扑、语义、外观等方面的属性，包括专题类型之间的层次、聚合、目标间的关系以及空间属性等。这些专题信息不仅仅是一种图形交换格式，同时可以将虚拟三维城市模型用于各种应用领域中的高级分析，例如模拟、城市数据挖掘、设施管理、专题查询等。Clark于1976年最初提出了细节层次模型的概念。根据处理分析和展示多源数据的需要，CityGML把描述三维城市对象的精细程度分为5个细节层次。LOD0实
14、质上就是2.5维的DTM数据，可以在其上叠加航空影像或者二维地图。LOD1用块状表示建筑物，屋顶、纹理数据、植被对象在LOD2层次描述。LOD3层次描述建筑物的结构，包括墙、屋顶结构、 阳台等，可以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外，交通对象、植被对象在这一层次做了更精细地描述。LOD4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯、家具等对象进行建模。目前，建设工程领域普遍接受和应用的BIM数据标准化的标准是由国际协同联盟（International Alliance for Interoperability-IAI）所制定并管理的IFC标准（Industry Foundation Class
15、-IFC）。IFC标准是面向对象的三维建筑产品数据标准，目的是促成建筑业中不同专业以及同一专业中的不同软件可以共享同一个数据源，从而达到数据的共享和交互11。 将IFC中的数据转换到CityGML中，需要两个步骤：语义信息转换和地理信息转换。由于这两种模式中的对象（类）的定义有很大的区别，所以这两个步骤不能分别独自进行。IFC和CityGML中的一个对象都于各自模型中的一组对象相关联，所以同时转换语义信息和地理信息的命令要慎重考虑12。成功执行一次数据转型，需要进行三个操作阶段：（1）第一阶段，必须明确设置一组规则（规则库），以确定两种模式之间的类的语义映射。（2）第二个阶段是建立几何模型简化
16、规则或算法。BIM 模型视图有助于在这一阶段的模型简化。（3）最后一个阶段将确定每个将要转化成CityGML的LOD对象的属性信息13。 通过将BIM数据与GIS数据的融合，实现了集成数字城市信息模型的构建。图3是集成数字城市模型的理论框架图。 图3 集成的数字城市表示模型集成数字城市模型的建立，不仅可以提高数字城市三维信息管理的水平与应用能力，还实现了三维地理信息系统技术的创新和跨越式发展。4 结语BIM技术应用于数字城市三维建模，是数字城市发展的新变革。大量的数据共享，精确的三维模型构建，实现了各专业各环节之间无缝信息沟通，为数字城市管理提供更快捷准确的数据支持。BIM与GIS技术的融合必将为数字城市发展带来新的生命力。
