基于BIM和GIS的智慧城市探索

陳雷鳴

(北京比目魚工程咨詢有限公司,北京 100102)

基于BIM和GIS的智慧城市探索

陳雷鳴

(北京比目魚工程咨詢有限公司,北京 100102)

2008年11月，在紐約召開的外國關系理事會上，IBM提出了“智慧地球”這一理念，逐漸為大家所熟知。2010年，IBM正式提出了“智慧的城市”愿景，希望為世界和中國的城市發(fā)展貢獻自己的力量。自此，“智慧城市”逐漸在國內落地生根，并在政府和各方機構的支持下如火如荼地進行?；贐IM和GIS技術的發(fā)展，為智慧城市建設奠定了堅實的基礎。文中就BIM、GIS和智慧城市的概念做簡要介紹，詳細闡述了在BIM和GIS結合構建的智慧城市中智能交通、城市管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃三個領域的發(fā)展、愿景以及能帶給我們的切身利益。通過快速建模技術，結合智慧城市APP的開發(fā)，我們將在移動終端(手機、iPad等設備)上參與到智慧城市建設當中去，并親身享受智慧城市帶給我們的智能生活，它離我們將不再遙遠。

BIM； GIS； 智慧城市； 建筑； 信息

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.06.17

1 概述

1962年，GIS—地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System或 Geo-Information system)出現(xiàn)在科學技術的歷史長河中，又稱空間信息系統(tǒng)。它是在計算機硬件和軟件系統(tǒng)支持下，基于對實際的地理情況的信息采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述所建立的空間信息系統(tǒng)，GIS已經(jīng)很好的融入到我們的生活中，如GIS導航系統(tǒng)給我們的出行帶來了極大的便利、GIS場地模擬幫助我們對建設場地有了整體的把握[1]。

BIM誕生于1975年，其全拼為Building Information Modeling，行業(yè)內一般將其譯為建筑信息模型。相較于傳統(tǒng)設計工具和工作方法BIM具有以下五個特點：可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性[2]。BIM可以在項目設計階段建立全專業(yè)模型，可用于優(yōu)化設計、指導施工、運營維護等方面； BIM還能對一個已存在的設施項目通過數(shù)字表達其物理和功能特性； 為該設施的全部生命周期的運行保駕護航； 不同利益相關方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以實現(xiàn)支持和反映其各自職責的協(xié)同作業(yè)，決策者也可依據(jù)這些信息作出最優(yōu)決策。

我對智慧城市的簡單理解就是運用信息管理和通信技術等手段感測、分析、整合城市運行核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，通過軟、硬件設備用于實現(xiàn)城市智慧式管理和運行，進而為城市中的人創(chuàng)造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續(xù)發(fā)展。在國際范圍內，各國的專家學者對智慧城市多持有樂觀態(tài)度，大力倡導建設?；贐IM和GIS結合的智能城市將是一個成熟技術的融合，它還包含精準的城市三維建模，發(fā)達的城市傳感網(wǎng)絡，實時的城市人流監(jiān)控，使城市中的人們的生活更加智能和便捷。

圖1 基于BIM和GIS結合的智能城市

圖2 交通系統(tǒng)模型

在21世紀，GIS和BIM的結合越來越緊密，而他們更成為智慧城市的發(fā)展的助推劑。伴隨著BIM技術的發(fā)展，使我們掌握了對各類設施、構筑物實現(xiàn)數(shù)字化的技術方法和途徑。通過分析研究GIS和BIM各自的發(fā)展歷程使我們清晰的意識到：地理信息系統(tǒng)(GIS)離開了建筑信息模型(BIM)，止步于建筑之外； 建筑信息模型(BIM)離開了地理信息系統(tǒng)(GIS)，成為“空中樓閣”[3]。GIS的出現(xiàn)為城市的數(shù)字化發(fā)展奠定了基礎，BIM的出現(xiàn)附著了城市建筑物的整體信息，而GIS平臺在其強大功能的支撐下可以毫無限制的打開瀏覽BIM模型，兩者的結合創(chuàng)建了一個附著了大量城市信息的虛擬城市模型，而這正是智慧城市的基礎，對實現(xiàn)智慧城市建設發(fā)揮了不可替代的作用。從衛(wèi)星遙感到地理信息，接著又從數(shù)字城市到智慧城市，隨著科學技術的進步，我們的城市將越來越智能[4]。

2 快速建模技術的發(fā)展

2016年8月6日，基于BIM城市建筑大規(guī)?？焖俳＜夹g研討會在北京比目魚工程咨詢有限公司的大廳內隆重舉行，業(yè)內十幾家知名軟件公司均前來參加會議并對自己公司最新開發(fā)的快速建模軟件技術做了詳細介紹，其中以Bentley實景建模解決方案、達索軟件、海頤威BIMBOX、橄欖山BIM快速建模軟件尤為讓人眼前一亮。

目前快速建模軟件已經(jīng)達到通過相機、三維掃描、航拍等影像設備所采集的信息導入到軟件中即可在短時間內實現(xiàn)快速建模，且模型質量也有一定的保障。現(xiàn)在部分軟件已能實現(xiàn)模型與模型的合成，可支持不同格式的模型在同一軟件內編輯。針對城市建模，建模量非常大，僅依靠人工則費時費力，這些軟件技術的發(fā)展使城市整體建模成為可能。借助軟件技術我們可以在統(tǒng)一建模標準的前提下采取分塊建模的形式，最后對模型進行整合，將每一區(qū)域、不同專業(yè)的模型合成整個的城市模型[5]。

以往智慧城市離我們很遙遠，總感覺似是而非、不得要領，城市模型的建立及使用將打破這一現(xiàn)狀，讓智慧城市在我們眼前逐漸明朗起來。

3 交通領域的革新

3.1 交通建設

運用GIS和BIM，我們可以建立一個區(qū)域完整的交通系統(tǒng)模型，模型中附著道路的詳細信息，如：設計單位、施工單位、建設時間、通車時間、使用年限、道路現(xiàn)狀、建造材料、斷面形式、服務車型、與哪些道路相連接等。當?shù)缆烦霈F(xiàn)損壞時，我們可以快速從模型中找出這條路的信息，聯(lián)系施工單位、材料供應商、相連通的道路，以便合理疏導交通流、盡快修好損壞路段，恢復交通。

在規(guī)劃設計交通時，可以給設計好的道路建立模型，置入現(xiàn)狀交通系統(tǒng)模型中，模擬車流、客流情景，檢測道路設計的合理性，根據(jù)模擬的結果優(yōu)化道路設計。目前BIM技術在交通領域中已有廣泛應用，尤其是在軌道交通和橋梁方面，從設計到投入使用，BIM貫穿項目的全生命周期，已取得良好的成效[6]。

在交通系統(tǒng)模型中載入傳感信息技術，能有效掌握實時交通信息，合理調配交通資源，減少資源浪費，實施綠波交通，提高道路通行能力，緩解道路擁堵的狀況，從而提高交通運輸效率。偶有交通事故發(fā)生時，可以快速定位事故發(fā)生地點，緊急調度最近的執(zhí)勤車輛和醫(yī)療救援以最快的速度抵達現(xiàn)場展開救援，減輕事故造成的人身傷害與財產(chǎn)損失。

3.2 三維導航

社會在發(fā)展，時代在進步，人們思維水平在提高，與此同時建筑業(yè)也在發(fā)生著日新月異的變化，隨著建筑設計和施工技術的發(fā)展，建筑造型各異、體量越來越大，建筑內部結構越來越復雜，人們的活動不是在室內就是在室外，在高層建筑、室內面積大的建筑中，特別是標識不夠清晰明確的情況下，人們也比較容易迷失方向，尤其是在商場、活動中心、醫(yī)院等地方，就算方向感很好的人想一下子搞清楚東南西北也是很不容易的，因此人們對于室內導航的需求不亞于室外導航，然而現(xiàn)在為數(shù)不多的室內導航圖也只是二維電子圖，甚至只是示意圖，用起來同樣不是很方便，而BIM與GIS結合，剛好能解決這個問題。成熟的三維GIS平臺，已經(jīng)支持物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的接入，結合BIM建筑模型特點，可以輕松做到模擬真實情景定位，應用方面當然也很廣，比如博物館里尋找展廳、商場里尋找店面、醫(yī)院里尋找科室、學校里尋找教室等。

我們預期的完整的導航系統(tǒng)應該是這樣的：當人們通過地圖和室外導航到達某一目標建筑物后，點擊該建筑物即可進入室內導航，然后在室內導航的指引下到達設定的目的地。室內導航的定位范圍可以運用科學技術精確到五米、三米、甚至是一米的范圍內，使用者能夠直接找到所要找的房間，甚至是從哪個門進入都有明確的顯示。實現(xiàn)這一愿景則需要地圖模型與建筑物模型之間的轉換有良好的銜接，就好比網(wǎng)絡搜索引擎，可以通過網(wǎng)址導航進入所需要的網(wǎng)址一樣。而地圖模型由GIS完成，建筑物模型由BIM完成。

圖3 三維導航系統(tǒng)

3.3 智能出行

圖4 智能出行

政府和軟件開發(fā)公司可以匯集交通系統(tǒng)模型、三維導航、遙感技術，整合多方信息開發(fā)出輔助出行的移動終端APP，人們可以通過手機應用獲取實時的交通情況，查詢交通的預測信息，合理安排出行時間、出行方式、出行路線，使出行更加舒適便捷。同時，通過信息整合為公共交通以及城市基礎建設提供決策支持。

在未來，除了智能交通的發(fā)展，我們將有可能達到所有公共服務信息的共享，運用公共服務建筑的BIM模型信息，我們將有望實現(xiàn)文體、教育、醫(yī)療衛(wèi)生等服務模式的創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)智慧城市的全方位運行。

3.4 協(xié)同設計

城市的道路交通設計通常是與需要敷設在其下面的市政工程管線設計同時進行的，項目參與方和涉及專業(yè)眾多，設計師辦公地點不集中，常有溝通效率低，圖紙更新不及時等問題。通過BIM軟件，設計師可統(tǒng)一將模型上傳協(xié)同平臺，相互交流配合，提交變更模型，保證模型的統(tǒng)一性；業(yè)主也可通過平臺進行監(jiān)控瀏覽、批注變更或發(fā)布任務等。各個參與方可隨時隨地通過PC和移動端查看圖紙和模型，減少數(shù)據(jù)損失、降低溝通成本。同時，也可提高公眾參與度，即使非專業(yè)人士也能看懂直觀、形象的模型，給出合理的建議[7]。

4 城市管理的飛躍

城市管理是一項非常復雜的工作，涉及的內容繁多，部門牽連甚廣，而目前城市管理的現(xiàn)狀多為各個部門獨立運行，信息溝通不暢，當部門間需要協(xié)調時傳統(tǒng)的工作方式需要消耗大量的人力物力。各個部門的信息孤島現(xiàn)象比較嚴重，相互之前的資源欠缺整合和協(xié)作。在我們生活的區(qū)域經(jīng)常會看到一條永遠也修不好的路，因為剛鋪好的路面沒過多久，通信公司要維修設施需要開挖路面，而幾天后電力公司又在這地方開展維修工作。這正是由于信息溝通不暢而導致的資源浪費。

而在GIS和BIM結合建立的全專業(yè)智慧城市模型中，各部門負責本部門所涉及的模型，并與其它部門的模型相關聯(lián)，同時建立一個信息交流平臺，當某一部門需要對城市中的某一地點的設施、構筑物等進行完善或改動時，提前一段時間將信息發(fā)送至信息交流平臺，并提醒相關部門查看，當不同部門之間有工作可以協(xié)同進行時，則進行合作，這將大大減少人力物力的浪費，縮短工作時間，盡快恢復城市的正常運行。通過GIS和BIM建立城市地上(場地、建筑、道路、公用設施等)和地下(建筑、交通、管線等)的全專業(yè)模型，當某一處出現(xiàn)故障時，我們可以基于模型快速定位，查找產(chǎn)生故障的原因及其可能帶來的影響，及時解決問題，避免帶來更大的損失[8]。

目前，這一目標已在局部地區(qū)得到初步實現(xiàn)。2012年，IBM 為巴西的里約市政府打造了智慧城市運營中心，將里約30 多個城市管理部門數(shù)據(jù)統(tǒng)一到城市運營管理系統(tǒng)。在運營中心的大屏幕上，顯示了里約熱內盧城市動態(tài)監(jiān)控視頻，包括各個地鐵站、主要路口的交通狀況，通過復雜的天氣預測系統(tǒng)預報出來的城市未來幾天的降雨情況，交通事故處理狀況，停電處理狀況，以及其他城市問題處理及其進展等狀態(tài)。

為了滿足現(xiàn)狀城市管理的復雜需求同時考慮到未來智慧城市發(fā)展的前景，需要各部門負責人理順各部門的數(shù)據(jù)信息，并在市一級層面對信息資源進行統(tǒng)一管理，進行信息整合，采取關聯(lián)分析、聚類分析、系列模式分析等實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)挖掘和應用，為管理者和決策者提供科學決策的信息和依據(jù)。特別是傳感技術和分析技術的發(fā)展，城市管理者能夠隨時對城市的健康狀況進行體檢，找到潛在風險，提前采取應對措施，幫助城市管理者擺脫“救火隊員”的困境，做到未雨綢繆，有備無患[9]。

圖5 全專業(yè)智能化城市模型

5 城鄉(xiāng)規(guī)劃的優(yōu)化

目前城鄉(xiāng)規(guī)劃工作還處于CAD、湘源控規(guī)等二維軟件操作的狀態(tài)，城市是一個有機整體，僅依靠平面規(guī)劃容易造成對城市空間結構層次把握不全面、新規(guī)劃區(qū)域與周圍環(huán)境不協(xié)調、不能全面考慮規(guī)劃區(qū)域可能的人流與交通等問題，最終不合理的規(guī)劃不僅未能給居民的生活環(huán)境帶來改善、不能促進城市的良好發(fā)展，還消耗了人力、資金投入。當我們基于GIS和BIM建立起城市的全專業(yè)模型后，提高設計成果的可用性，減少紙張的使用量，所有修改可以采用云同步并自動記錄版本信息； 最重要的是對城市的各方面有一個整體的把握，如建筑使用年限、城市天際線、城市風環(huán)境、日照環(huán)境、交通環(huán)境等，當我們對一個地塊作出規(guī)劃時，在規(guī)劃方案設計階段，可以將方案嵌入依據(jù)城市模型中做詳細的分析論證，檢驗其是否能滿足規(guī)劃要求，針對不合理的地方進行優(yōu)化設計[10]。目前Bentley的快速建模技術在城市大規(guī)?？焖俳７矫嫣幱陬I先地位。把規(guī)劃中的建筑嵌入現(xiàn)有城市模型中，利用日照分析軟件分析建筑的日照環(huán)境，檢驗建筑高度是否影響周圍建筑的采光等，與此類似的可以檢驗規(guī)劃的每一部分是否合理，并出報告，給規(guī)劃師以參考，調整規(guī)劃方案，讓我們生活的城市穩(wěn)定持續(xù)成長。

城市由建筑、交通、基礎設施等組成，我們可以分部分來做，當城市的每個部分都越來越智能、越來越便利時，其構成的城市將越來越智慧，人們的生活將越來越好。

6 結語

科學技術的發(fā)展都以我們更便捷更美好的生活為直接或間接的目的，智慧城市的建設更是如此，基于GIS和BIM建立的智慧城市模型，同時結合可以在移動終端設備上使用的APP，方便每一個居民通過其提供的城市設計公眾參與的信息入口加入到城市建設的行列，享受智慧城市給我們帶來的舒適生活[11]。當然，智慧城市的建設是宏大的，且永無止境，實現(xiàn)這一愿景需要我們不懈堅持、共同努力，相信在不久的將來，我們都將受惠于智慧城市。

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[2]寧振偉， 朱慶，夏玉平.數(shù)字城市三維建模技術與實踐[M].北京：測繪出版社， 2013.

[3]徐青. 地形三維可視化技術[M].北京：測繪出版社， 2000.

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[9]顧朝林， 段學軍，于濤方，等.論“數(shù)字城市”及其三維再現(xiàn)關鍵技術[J].地理研究， 2002, 21(1): 14-24.

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[11]崔婧. 云端服務支撐智慧青島[J].中國經(jīng)濟和信息化， 2013， (13).

Exploration of Smart City based on BIM and GIS

Chen Leiming

(BeijingBIMFishEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Beijing100102,China)

November 2008，held in New York Foreign Relations Council，IBM proposed the wisdom of the earth，this concept，and gradually known to everyone.In 2010，IBM officially put forward the Wisdom of the City vision，hoping to contribute to the development of the world and China′s urban power.Since then，the Smart City gradually in the domestic air plant in the government and other organizations，and under the support of like a raging fire.Based on the development of BIM and GIS technology，it has laid a solid foundation for the smart city construction.In this paper，the concept of BIM，GIS and the wisdom of the city briefly，described in detail in the BIM and GIS combined with the construction of the wisdom of the city intelligent traffic management，urban planning，city development，three field of vision and can bring our vital interests.The fast modeling technology，combined with the development of the wisdom of the city of APP，we will be in the mobile terminal(mobile phone，iPad and other equipment)on to participate in the construction of smart city，and enjoy the wisdom of the city to bring intelligence of our life，it will not be far away from us.

GIS；BIM；Smart City；Architecture；Information

陳雷鳴(1995-)，女，工程師，主要研究方向：BIM技術在城市規(guī)劃中的應用。

TU17;TP311

A

1674-7461(2016)06-0091-05