BIM与GIS技术在城市建筑规划中的配合应用有哪些?

2021年4月1日
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为提高城市建筑规划的质量与效率,在GIS系统中采用了BIM信息进行城市建筑规划,并在城市建筑空间分析上进行了一些实验。结果表明,这种将微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息的相互操作,能够满足查询与分析空间信息的需要,是未来城市GIS的发展方向。

建筑物是一座城市最基本的元素,是城市空间的实体部分。在现今灿烂的人类文化发展史上,城市建筑有着不可取代的位置。一方面体现城市功能的使用,另一方面又以实体的方式展现外在空间的呼应关系。城市建筑规划是城市规划的重要组成部分,合理健康的建筑规划是社会文明和发展的真实写照。

GIS数据是空间信息的基础,集成了三维城市模型的信息,为庞大的城市建筑规划数据提供了有效的管理、存储和维护手段,很多城市空间管理系统都是基于GIS开发而成。然而GIS一直以来致力于获取、保存、管理、分析以及真实呈现地理环境,透过三维建模技术展示建筑物外观以及地理位置,而对于建筑物内部信息、成本、承包商、设计变更等信息却无法进一步取得,致使很多人对GIS的认知仅停留在查看建筑物的空间信息、呈现建筑物外观、结合虚拟实景技术进行特定空间的导览等狭隘的应用。总体上讲,GIS是管理建筑物外部环境信息、用相关工具建立信息以及搭建GIS管理平台。

在城市建筑规划中,只对城市建筑物外部环境信息进行整合管理,会忽略掉很多影响建筑物规划的重要信息,GIS本身也无法整合和管理建筑物所有阶段的信息。BIM的出现弥补了这种不足。BIM(building information modeling)即建筑信息模型,是在三维技术的支持下进行建筑数据收录与展示的平台;是全寿命周期管理模式的成熟应用,帮助项目管理企业在管理建筑的过程中建立起完善的信息共享平台[3];是以建筑物的三维数字化为载体,以建筑物的全生命周期为主线,将建筑生产各个环节所需要的信息关联起来,

形成的建筑信息集。BIM不仅能用三维实景的方式整合建筑物的图形、非图形信息,还可以建立信息模型,减少信息在建筑各阶段传递过程中的流失。

BIM和GIS整合已逐渐成为业内的焦点。在建筑领域,建筑从设计到施工产生大量的信息,特别是建筑设计三维模型,包含了建筑详细的空间信息,各种信息集合在一起形成BIM。而在三维GIS领域,主要研究如何对城市建筑物三维建模,获得建筑的详细空间信息。BIM和GIS的融合首先要解决的是两个领域的数据共享问题。市场中大多数BIM软件支持IFC标准,提供IFC标准的数据接口,形成统一数据模型的建筑产品,以IFC标准格式的数据流通。IFC标准数据文件有很好的平台无关性,是一种中性的数据文件,具有很好的自描述能力,不会因为软件系统的废弃而造成信息流失。三维GIS使用的是CityGML,CityGML主要用来表现城市三维对象的通用信息,它对道路、建筑、水域、植被、绿地等的描述进行了定义,但该标准对建筑物的细节描述十分有限。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的准确、详细的细节数据[5]。在2009年,CityGML新的扩展,即GeoBIM作为标准开始实行,通过GeoBIM,IFC的数据就可以进入CityGML中,从而促进了BIM与GIS的融合。

BIM和GIS融合后的应用很广阔,如国土安全、室内导航、三维城市建模、市政模拟和资产管理等诸多领域。BIM在国内应用很少,行业内应该关注BIM和GIS结合所带来的各种好处,如思路的转变、成本的降低以及效率的提高。本文验证了BIM和GIS融合助力城市建筑规划应用的可行性,首先介绍了三维建模的方法,然后讲述了在研究过程中已经实现的成果,例如在城市建筑的三维测量、日照分析、通视分析以及建筑规划方案对比分析等方面的应用。

BIM与GIS技术在城市建筑规划中的配合应用有哪些?

1 利用BIM软件建立建筑物三维模型

城市建筑物类型各具特色,外型尺寸、颜色、纹理均不相同,还会遇到障碍物阻挡等问题。如果采用摄影测量的方法,后期需要大量人工贴图;如果是用价格昂贵的的激光雷达扫描,成本太高且生成的建筑物模型没有室内信息,三维建模的工作量非常大。通过BIM可以轻易得到建筑物的精确高度、外观尺寸以及内部空间信息。综合BIM和GIS,先对建筑物进行建模,然后把建筑物空间信息与周围地理环境共享,应用到城市三维GIS中,极大地降低了建筑物空间信息成本。

本文使用的是BIM建筑软件Revit,由Autodesk公司开发,有助于设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑模型。在Revit模型中,所有的图纸、二维视图、三维视图、明细表都是同一个建筑模型数据库的信息表现形式。

模型建立是全过程的基础和核心,包含室内和室外2种,这2种模型表现重点不一样。室内模型由于空间范围较小,所以制作要求比较精细,非常注重一些小的造型细节;而室外造型相对来说比较粗糙一些,只需考虑重要部分的造型,次要部分可以只建立大致轮廓或直接使用贴图实现,这样可以提高模型实时显示速度,且不影响模型场景效果。

建模对象主要包括楼体、附属物和室内物体,因此建模的主要工作就是楼体建模、附属物建模和室内物体建模,建成后组合各对象模型,然后对场景进行渲染,生成真实感模型场景。模型完成后,还要对模型质量进行检查和控制,如果没有这个流程,就无法知道模型制作是否正确,是否能够在实际中使用。本文主要探讨建筑物模型,其他地物未做过多的处理,最后得到的三维模型场景如图1所示。

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2、GIS与BIM集成助力城市建筑规划

BIM有相应的工具来生产和管理建筑模型信息,GIS是用相关专业工具收集建筑物模型信息来构建平台。BIM面向的对象明确,数量有限,管理室内信息有一定的优势。不是任何时候都需要GIS与BIM的融合,比如研究建筑物里的人群购物是否便利,周边环境发生自然灾害时GIS无需BIM的任何信息;如果建立虚拟景观三维系统,BIM的可视化模型信息就有很大的作用。随着智慧城市技术的快速发展,很多人理解智慧城市仅仅是根据使用目的建立不同的GIS系统,但事实上不管是数字城市还是智慧城市,只有GIS系统的参与不可能完成如此庞大的工程,必须借助BIM才能做到真正的城市智能化。

本文主要研究建筑物和周边环境的搭配效果是否能协调工作,如日照分析、通视分析、建筑物方案对比分析等;以及利用BIM的可视化、协调性、模拟性和优化性建立建筑物BIM可视化信息的三维GIS系统。在对建筑物进行管理的同时,还可利用计算机对空间建筑物进行测量。

2.1三维测量

三维测量主要是指量测空间距离、住宅间距、地块面积、建筑面积以及填挖方计算等。三维测量就是为这些面积、间距的设计提供合理的数据。在建筑物很密集、超高建筑很多的情况下,测量的难度会加大,而在GIS与BIM集成的三维空间地理信息系统中,三维测量可以很好地解决这个问题。在进行距离量测时,只需单击要测量线段的两个端点,三维实景窗口中就会显示出距离;在进行高度量测时,单击两个点就可知道该两点之间的高度;在进行角度量测时连续点击三个点,就可求出以第二个点为顶点的角度值;在进行面积量测时,连续单击测量区域的各个顶点,就可以求得该区域的面积。演示结果如图2所示。

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2.2日照分析

日照对于建筑物室内的采光、取暖以及视觉都有比较大的影响,日照分析主要是为了满足建筑容积、建筑间距等对指标的需求,防止遮挡光或者光污染等问题。日照分析主要包括4个方面:遮挡分析、单点分析、窗洞分析以及日照仿真分析。在日照分析中需要研究不同季节日照情况对建筑物的高度、体积等的影响,并且计算出建筑物的日照时间、阴影面积等数据,然后通过三维模型展示现实光影效果。在基于GIS与BIM的三维空间地理信息系统中,利用BIM的模拟性,先模拟设计出的建筑物模型,再模拟不能在真实世界中的操作,如日照分析。使用该系统对某点进行日照分析时,必须要知道太阳相对于该点的位置,太阳高度角和方位角是表征太阳位置的参数,对应的计算公式为:

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式中,β为太阳高度角;α为太阳方位角;A=π/180为由弧度制向角度制转换的乘数因子;δ、t分别表示地表点的纬度和时角。太阳位置的准确度直接影响日照分析效果。

 

日照分析涉及到时间、地域、建筑造型等多种因素,要将这些相互影响的因素综合起来进行人工计算分析是非常困难的,但是如果通过城市数字三维模型将这些因素以一种形象化的方式表现出来就变得简单很多,要分析规定时间点各栋建筑之间的遮挡与被遮挡情况,即遮挡分析,可以根据建筑物阴影分析来获取建筑物的遮挡情况。可根据日照分析结果来判断建筑物之间的距离是否合理,为建筑物规划设计提供依据。当一个建筑物被另外一个建筑物遮挡时,被遮挡的部分比未遮挡部分接受日照少,如图3所示。

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2.3通视分析

城市内的通视分析主要是为了对建筑物的高度进行控制,是城市空间结构研究的基本问题,科学合理的建筑物通视分析让城市中一些重要的景点和景观周围的建筑都具有适当的尺度,从而保护了景点或景观的视觉效果。通视分析是以某一点为观察点,研究某一区域的通视情况。通视分析的基本内容有3个,一是两点之间的可视性分析;二是可视域分析,即给定一个观察点,基于一定的相对高度,分析给定范围内观察点所能通视覆盖的区域;三是多点通视面积的交集计算,由被覆盖的可视面积反求待定位置与高度。

本文采用的通视性算法是基于大地坐标的通视性检查算法,是现有通视性检查算法的一种改进。该算法通过求取视线和地形点在地球表面投影交点的经纬度坐标,用线性差值计算两连线在该经纬度的高程来进行通视性判定,不需要将球面上的大地坐标转换为平面直角坐标,而且能够考虑到地球曲率对通视性的影响。在分析时,要计算视线在检查点处的高程。设视线上的视点为A,目标点为B,视线在球面上的投影与A点和B点连线在球面上投影的交点为T,T为检查点,TAB为T在视线上对应的点,(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(xAB,yAB,zAB)为A、B、TAB的地心惯性坐标,TAB点的高程为h,计算公式如式(3):

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式中,a=(y2-y1)x1-(x2-x1)y1;b=(y2-y1)coslatLcoslonL;c=(x2-x1)coslatLsinlonL;R为地球半径;L为经度。当h小于检查点T的实际高度时,则判定不能通视;若h大于检查点T的实际高度时,则在下一检查点继续进行计算判断,依次求出检查点可以看见的所有点。

图4是利用城市三维模型对检查点进行通视分析的结果展示,其中红色区域代表的是该检查点的可见区域,黄色区域代表的是不可见区域,说明视野前的建筑物比检查点高,遮挡检查点的视线。

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2.4建筑设计方案对比分析

城市的建筑师们都希望自己的方案能够顺利通过实施,但是在实际操作过程中,有很多地方需要反复修改,最初设计的方案和中标的方案往往大径相庭。所以好的设计方案都是要经过多方位、多角度、多层次的分析对比,对总体规划、建设方造型要求、投资规模、建筑节能等多方面进行深入的分析,所以在设计时不要局限于一套设计方案,多个方案会有更强的竞争力与说服力。所以通过多方案对比来找出最佳方案显得尤为重要。以往,设计师们都是在二维图纸上展现自己的设计方案,由于二维平面的局限性,建筑物空间信息不能够得到很好的表达,建筑物的材质、立体结构以及与周边环境的相互关系也得不到充分的体现。在GIS系统中利用BIM进行方案设计能更加生动形象地展现建筑物各方面的信息,可在建筑物建造前对各种问题进行协调,通过几套设计方案的比较得出最优方案。BIM模型提供了建筑物的准确信息,还提供了建筑物变化后的情况,并且可以对设计上的一些需求进行模拟,检验设计的合理性。如图5所示,系统将几套不同的方案展示在不同窗口中进行比较,分析后可以看出,窗口三的设计方案明显比窗口四更加合理,因为窗口四中的高层建筑对其后方的低层建筑有严重的遮挡。

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3 实验分析

本文建立的模型是以长江水利委员会为中心的区域,周围分别是解放大道、黄浦路、永清路、建设大道、武汉大道,地势比较平坦,高度差在4m内,区域面积大约0.7km2,主要地物有办公大楼、中小学、酒店、花园以及服务类的普通店面。利用上述方法建立实验区内的建筑物三维模型,在基于GIS与BIM集成的城市建筑物管理系统中对建筑物进行三维测量、日照分析、通视分析以及建筑设计方案对比分析。三维测量模块可以快速获取距离、角度以及面积等测量值,日照分析模块能够形象地显示建筑物受日照的情况,通视分析模块能够快速、准确地进行建筑物的可视性分析,建筑设计方案对比分析模块使建筑规划结果更具有说服力。以上结果验证了BIM与GIS的集成应用到城市建筑规划中的可行性、科学性以及正确性,GIS与BIM在管理建筑物上的这种功能互补性将会使越来越多的城市规划者关注这种方式的巨大潜力。

4 结语

在GIS系统中应用BIM对建筑物进行分析,不仅有助于科学合理地进行城市规划,还可以对建筑设计提供技术上的帮助和支持。本文展示的只是GIS与BIM集成应用的一部分,希望在今后的工作中能开展更加全面的研究。

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