BIM——数字城市建设的“灵魂伴侣”

当前，数字城市是城市信息化建设的热点，许多城市对此投入了极大的热情和努力，也取得了良好的效果。利用现代化数字化方式管理城市，首先需要建立逼真精确的三维城市景观。建筑作为城市的重要组成部分，数字化建筑已成为三维数字城市建设的重要内容。

然而，在当前的数字城市中，三维建筑模型仅仅是建筑物的表面模型，没有对建筑物内部空间进行划分，不包含建筑物的各种属性信息，仅用于三维建筑外观显示。随着科学技术的发展，人们对三维建筑模型提出了越来越高的要求，为建筑增加更多信息才能让数字地球、数字城市有“灵魂”。

建筑信息模型（BIM，全称Building Information Model）是以三维技术为基础，包含了建筑工程项目各种信息的工程数据模型。该模型包含了十分丰富的工程信息，如墙体所用的材料、表面的颜色、纹理以及墙体的重量、施工工艺、传热系数等信息。但是BIM理念所覆盖的范围是独立的建筑个体，对于周围环境的影响有极大的局限性。

1 建筑信息模型

建筑信息模型是以三维技术为技术基础，包含了建筑工程项目各种信息的工程数据模型，详尽地表达了工程项目各相关信息。它包含了建筑物的几何信息，也包含了建筑构件的物理性质和功能特性及相关的项目生命周期信息。

BIM能为设计人员提供很大的优势：

①建筑信息模型软件不再提供只能画点、画线、画圆等绘制简单元素的几何绘图工具，而是在设计时直接调用放置墙体、门、窗、柱、梁等构件工具，组成由建筑构件组成的建筑信息模型，使设计过程变得非常轻松；

②实现了建筑、结构和设备等专业之间的协同工作，建筑师、结构师、设备师之间能够共享必要的数据，在设计及变更时相互之间可以更好地沟通、协调。

目前，全球主要的工程设计软件开发商都提供了采用BIM技术的设计软件，如Graphisoft公司提供的ArchiCAD软件、Autodesk公司提供的Revit软件、Bentley Systems公司提供的TriForma软件、Gehry Technologies公司提供的Digit Project软件。

作为BIM的数字表现形式和行业标准，Industry Foundation Classes（IFC）标准是IAI（International Alliance of Interoperability）组织制定的建筑工程数据交换标准。

IFC建筑部分的对象有IfcSite（场地）、IfcBuilding（建筑）、IfcBuildingStorey（楼层）、IfcColumn（柱）、IfcBeam（梁）、IfcSlab（楼板）、IfcWall（墙），IFC标准将空间结构分为四个层次，即场地、建筑、楼层、空间。

在理论上，一个项目包含若干场地，一个场地包含若干建筑，一个建筑包含若干建筑楼层，而一个建筑楼层包含各种建筑构件。在实际应用当中，一个项目往往直接包含若干建筑，建筑也可以不包含楼层，建筑构件直接包含在建筑中。

IFC刻画的建筑信息模型为数字化建筑融入数字城市提供了接口， IfcSite对象有三个用来描述坐标信息的属性：RelLatitude（地理坐标中的纬度）、RelLongitude （地理坐标中的经度）和RefElevation （相对于海平面的高度）。

2 BIM与数字城市的结合

将BIM数据应用于三维数字城市建设中，包括两种方式：

①直接方式，即通过IFC解析器直接将建筑模型数据应用于数字城市建设中；

②间接方式，即将IFC建筑信息模型转换为CityGML数据，然后在数字城市中使用CityGML数据。

（1）直接方式

曹国、高光林、丘衍航等（2013）对此进行了研究。他们基于WorldWind三维地理信息浏览平台，阐述了GIS与BIM结合的技术路线。

他们认为要想在WorldWind中在建筑内部漫游，需要用到三维建筑漫游系统平台。该平台作为WorldWind的一个独立的插件，实现了两个平台的无缝衔接，当建筑放大到一定比例进入到三维建筑漫游系统时，用户并不会感觉到两个平台的切换，这样建筑就可以在宏观和微观下交换显示。

两个平台通过共享地理空间位置进行数据交流，即对于三维建筑漫游系统里的任意位置，在WorldWind平台中可以找到与之对应的某一地理位置。基于此位置信息就可以获取WorldWind平台中此置的日照、海拔、气候、地震等信息。

（2）间接方式

CityGML（City Geography Markup Language，城市地理标记语言）是一种用来表示和传输城市三维对象的通用信息模型，它是最新的城市建模开放标准。该标准源自地理信息科学领域，用来存储和交换虚拟城市三维模型。

CityGML对道路、建筑、水域、植被、绿地等描述进行了定义。因为其描述对象为整个城市，该标准对建筑的细节描述十分有限，远远不及IFC的详细程度。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的准确、详细的细节数据。这就需要借助开源的BIMserver软件。

通过BIMserver可以创建一台能使用IFC数据的服务器。可以上传IFC数据到服务器。该软件分析文件中的数据并将其保存在底层数据库中。BIMserver软件的核心能理解IFC结构，并支持使用IFC格式的BIM模型。BIMserver能导出CityGML，并根据官方GeoBIM扩展添加IFC信息。

3 BIM在数字城市中的应用

这两个系统融合之后的应用领域很广阔，包括城市和景观规划、建筑设计、旅游与休闲活动、环境模拟、热能传到模拟、光照分析、反恐、车辆与行人导航、室内导航等。

（1）三维城市建模

城市建筑类型各具特色，外形尺寸不同，外部颜色纹理不同等。如果采用”航测 地面摄影”，建模后期需要人工做大量贴图；如果采用激光雷达扫描，价格昂贵，成本太高，而生成的建筑模型都是”空壳”，没有建筑室内信息，同时室内三维建模工作量也很大，并且无法查询和分析室内空间信息。而通过BIM，可以轻易得到建筑的精确高度、外观尺寸以及室内空间信息。所以，通过综合BIM和GIS，先利用建筑信息模型软件对建筑进行建模，然后将建筑空间信息与其周围地理环境共享，可以极大地降低空间信息的成本。

（2）市政模拟

通过BIM和GIS融合可以有效地进行建筑内外管线的三维建模，并可以模拟冬季供暖时热能传导路线，以检测热能对其附近管线的影响。或者是当管线出现破裂时，辅助决策者制定疏通引导方案，避免人员伤亡以及能源浪费。

（3）室内导航

目前，GIS行业中的学者都在试图解决室内定位这一难题，但是很多学者都是关注定位手段，如是采用Wi-Fi还是蓝牙，是采用LFC还是NFC等等，而且一般室内定位的地图都是建筑的平面图，甚至只是示意图。如果采用BIM数据，这一问题就能够得到很好的解决。通过BIM提供的建筑内部模型，在配合定位技术可以进行三维导航。

4 结论

BIM数据作为三维数字城市重要的数据源，将BIM技术应用于数字城市建设中，给数字城市建设提供了新的思路。目前，BIM是一项新技术，数据源较少，随着BIM的推广应用，BIM与GIS技术的融合必将为三维数字城市的建设和发展注入新的生机和活力。

作者丨杨俊杰 江西理工大学

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