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BIM与GIS整合有助智慧城市资讯化管理

2018-12-6 08:29| 查看: 551| 评论: 0

       城市的迅速扩张与人口增长所造成的冲击,是当今世界关注的关键议题。为了使城市保有竞争力,联合国提出「永续城市」发展目标,而智慧城市的发展也引领城市为人们提供更高品质的生活。随着资讯技术的快速发展,对城市进行资讯化管理并提供数位服务也变得非常必要。而建筑资讯塑模(Building Information Modeling,简称BIM)与地理资讯系统(Geographic Information System,简称GIS)技术的有效应用,即可成为智慧城市资讯化管理各种不同应用(如数据整合、数量分析、空间管理等)强而有力的支援。 
        ​BIM技术指的是在营建(包括如建筑物、桥梁、道路、隧道等)生命周期中,创建与维护营建设施产品数位资讯,以利其工程应用的技术。BIM模型中通常包含了营建标的在全生命周期的工程应用中所需要的数位元件及其工程属性资讯,这些元件多以参数化的形式定义,对元件的描述也可以根据需求而做得十分细致。建筑工程的全生命周期涉及到的各参与方,都可利用BIM技术进行协同作业,提高沟通协调的效率,来缩短工期,减少因错误所造成的返工与损失。GIS技术则是用来采集、存储、管理、分析和呈现地理空间资讯的系统,对整个地球空间上的资讯进行宏观的分析与管理,具有极强的空间综合分析能力,常被用来协助工程规划设计,还有城市中与地理空间有关的各类管理分析。
         然而,BIM与GIS技术的发展原本是两条平行线,两者关注的空间尺度不同,资讯的表达与储存格式也很不同。但近年来由于智慧城市的议题越来越受重视,此两种不同尺度的资讯整合需求也与日俱增,因此有越来越多研究探讨BIM和GIS的整合应用。本文针对目前智慧城市中BIM和GIS的整合应用进行回顾,重点分析其整合过程中的应用对象、应用阶段、整合平台及整合方式。

        整合方式有三种  可应用于建筑物及市政建设
         整合对象是指利用BIM和GIS整合平台来进行研究的某一设施,比如一幢建筑物;应用阶段是指BIM和GIS进行整合时所处的阶段,在规划设计、营建、运营维护或是拆除阶段;整合方式则分为三种不同的情况:将BIM数据提取出来整合到GIS平台,将GIS数据提取出来整合到BIM平台,或是将BIM数据和GIS数据提取之后一起整合到第三种平台之上;整合平台通常是一种软体系统或是网路平台,可将两者进行整合应用。
         就应用对象而言,大多数的研究选择建筑物作为研究对象,也有部分研究选择使用基础设施和市政建设。就应用阶段而言,超过半数的整合应用是在运营维护管理阶段,也有少数应用在规划设计阶段和营建阶段,应用在拆除阶段的只有一例。就整合方式而言,主流方向是从BIM系统中提取数据到GIS或是从BIM和GIS系统中分别提取数据到第三方系统,只有极少数是从GIS中提取数据到BIM系统中,也有部分文献没有提及他们具体上是如何进行整合。就整合平台而言,最常被选择使用的是Esri公司的ArcGIS系列、Autodesk公司的Revit、还有研究者自行开发的系统平台。研究者也有些使用Google Earth、Infraworks、Autodesk 360系列、Civil 3D、LandXplorer CityGML Viewer、QGIS和VISSIM,也有不少研究者并未在文献中写明自己使用的是何种整合平台。 规划设计、维护管理提供工程全生命周期应用
         BIM与GIS的整合可应用于智慧城市资讯化管理的很多面向,同时在工程的全生命周期中皆有应用机会。在建筑物的规划设计阶段,BIM和GIS的整合通常被用来做建筑物的选址、能源设计、交通规划、结构设计、室内声学设计、气候条件评估、建筑物设计审查和性能评估。BIM和GIS的整合不仅用在建筑物的新建工程,也用在对旧建筑物的整修翻新工程。
         在新建工程方面,BIM和GIS的整合应用通常用来协助供应链管理和时程管理。在翻新工程方面,BIM和GIS的整合对准备工作和工程决策有很大的帮助。在建筑物的全生命周期中,BIM和GIS的整合最多应用在运营维护管理阶段,包括古迹维护、灾害应变和风险管理、能源管理、空间导航和设施管理等。在大型项目的拆除中,BIM和GIS的整合可以同时提供BIM模型中的材料资讯以及GIS的地理空间分析能力,借此来辅助废弃品的数量估算、分类、装载及运输。对于公共基础设施工程,BIM和GIS的整合通常应用在土方工程模拟、进度管理、施工设备管理、动线评估和设施管理方面。整合了BIM的GIS应用可以支援更大比例尺的区域,比如对一个包含建筑物、路网和地下实体的市区进行综合分析。BIM和GIS的整合在市政建设方面主要应用在专案管理、能源管理、设施管理和紧急反应方面。

          两者数据整合主流转换格式介绍
         为了实现BIM与GIS数据的整合,很多专家学者将重点聚焦在BIM及GIS两个领域的标准格式上:工业基础分类(Industry Foundation Classes,简称IFC)和地理标记语言(City Geography Markup Language,简称CityGML),进行数据整合的研究。目前主流的转换格式主要有以下几种方式:
         1.提出一种使用IFC模型生成CityGML的框架,用以描述转换时映射的基本构想。但目前没有具体的转换映射方法,仅能利用该框架构想的规则算法单向地由IFC模型转换至CityGML模型。
         2.设计一种中间模型,将IFC与CityGML模型都合并到一个中间模型中,将两种格式模型中的实体定义扩展到中间模型内。但这种中间模型虽然可以包含IFC模型丰富的语义资讯,很多资讯却不能转换为CityGML格式定义的模型,同时这种中间模型没有对应元件间的映射关系。El-Mekawy等人就设计了一种基于统一建筑模型(Unified Building Model,简称UBM)的转换方法,将UBM作为两种格式转换的中间模型。
         3.将IFC模型按照不同的模型细节程度(Level of Details,简称LOD)层级转换为CityGML模型,目前主要的研究集中在LOD1-LOD3层级的模型,而其中LOD1、LOD2层级的CityGML模型中包含的对象很少,且转换的过程中易丢失很多资讯,因而转换的应用价值不大;而对于LOD3层级的CityGML模型,现有的转换方法为基于语义和几何的映射方法,需要对IFC模型进行大量的几何运算,过程复杂且耗时长久,转换时除了经常会出现错误外,资讯丢失的情况也很严重。

          目前仍在理论探索阶段未来可结合其他技术发展
         本文针对透过BIM和GIS整合来支援智慧城市的管理及应用相关文献进行回顾,总结分析各整合过程中的应用对象、应用阶段、整合方式以及整合平台,并对目前主流的转换方式,以及整合后对智慧城市所进行的应用做了整理。目前在BIM与GIS整合应用的方面,无论是对于工程专案的管理还是城市公共基础设施的研究,还处于理论探索的阶段,具体上也尚未有实际广泛深层的应用。未来BIM与GIS的整合应用应该结合两种技术自身的特点,针对具体的实际应用需求,尤其是对于非几何资讯的转换需求,进行目的性较强的转换研究。此外,BIM与GIS的整合应用中,可以结合其他技术(如物联网、大数据等),来增强智慧城市管理的时效性与资料准确性。

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