基于BIM和GIS的智慧城市探索

陈雷鸣

(北京比目鱼工程咨询有限公司,北京 100102)

基于BIM和GIS的智慧城市探索

陈雷鸣

(北京比目鱼工程咨询有限公司,北京 100102)

2008年11月，在纽约召开的外国关系理事会上，IBM提出了“智慧地球”这一理念，逐渐为大家所熟知。2010年，IBM正式提出了“智慧的城市”愿景，希望为世界和中国的城市发展贡献自己的力量。自此，“智慧城市”逐渐在国内落地生根，并在政府和各方机构的支持下如火如荼地进行。基于BIM和GIS技术的发展，为智慧城市建设奠定了坚实的基础。文中就BIM、GIS和智慧城市的概念做简要介绍，详细阐述了在BIM和GIS结合构建的智慧城市中智能交通、城市管理、城乡规划三个领域的发展、愿景以及能带给我们的切身利益。通过快速建模技术，结合智慧城市APP的开发，我们将在移动终端(手机、iPad等设备)上参与到智慧城市建设当中去，并亲身享受智慧城市带给我们的智能生活，它离我们将不再遥远。

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—地理信息系统(Geographic Information System或 Geo-Information system)出现在科学技术的历史长河中，又称空间信息系统。它是在计算机硬件和软件系统支持下，基于对实际的地理情况的信息采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述所建立的空间信息系统，GIS已经很好的融入到我们的生活中，如GIS导航系统给我们的出行带来了极大的便利、GIS场地模拟帮助我们对建设场地有了整体的把握[1]。

BIM诞生于1975年，其全拼为Building Information Modeling，行业内一般将其译为建筑信息模型。相较于传统设计工具和工作方法BIM具有以下五个特点：可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性[2]。BIM可以在项目设计阶段建立全专业模型，可用于优化设计、指导施工、运营维护等方面； BIM还能对一个已存在的设施项目通过数字表达其物理和功能特性； 为该设施的全部生命周期的运行保驾护航； 不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以实现支持和反映其各自职责的协同作业，决策者也可依据这些信息作出最优决策。

我对智慧城市的简单理解就是运用信息管理和通信技术等手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，通过软、硬件设备用于实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续发展。在国际范围内，各国的专家学者对智慧城市多持有乐观态度，大力倡导建设。基于BIM和GIS结合的智能城市将是一个成熟技术的融合，它还包含精准的城市三维建模，发达的城市传感网络，实时的城市人流监控，使城市中的人们的生活更加智能和便捷。

图1 基于BIM和GIS结合的智能城市

图2 交通系统模型

在21世纪，GIS和BIM的结合越来越紧密，而他们更成为智慧城市的发展的助推剂。伴随着BIM技术的发展，使我们掌握了对各类设施、构筑物实现数字化的技术方法和途径。通过分析研究GIS和BIM各自的发展历程使我们清晰的意识到：地理信息系统(GIS)离开了建筑信息模型(BIM)，止步于建筑之外； 建筑信息模型(BIM)离开了地理信息系统(GIS)，成为“空中楼阁”[3]。GIS的出现为城市的数字化发展奠定了基础，BIM的出现附着了城市建筑物的整体信息，而GIS平台在其强大功能的支撑下可以毫无限制的打开浏览BIM模型，两者的结合创建了一个附着了大量城市信息的虚拟城市模型，而这正是智慧城市的基础，对实现智慧城市建设发挥了不可替代的作用。从卫星遥感到地理信息，接着又从数字城市到智慧城市，随着科学技术的进步，我们的城市将越来越智能[4]。

2 快速建模技术的发展

2016年8月6日，基于BIM城市建筑大规模快速建模技术研讨会在北京比目鱼工程咨询有限公司的大厅内隆重举行，业内十几家知名软件公司均前来参加会议并对自己公司最新开发的快速建模软件技术做了详细介绍，其中以Bentley实景建模解决方案、达索软件、海颐威BIMBOX、橄榄山BIM快速建模软件尤为让人眼前一亮。

目前快速建模软件已经达到通过相机、三维扫描、航拍等影像设备所采集的信息导入到软件中即可在短时间内实现快速建模，且模型质量也有一定的保障。现在部分软件已能实现模型与模型的合成，可支持不同格式的模型在同一软件内编辑。针对城市建模，建模量非常大，仅依靠人工则费时费力，这些软件技术的发展使城市整体建模成为可能。借助软件技术我们可以在统一建模标准的前提下采取分块建模的形式，最后对模型进行整合，将每一区域、不同专业的模型合成整个的城市模型[5]。

以往智慧城市离我们很遥远，总感觉似是而非、不得要领，城市模型的建立及使用将打破这一现状，让智慧城市在我们眼前逐渐明朗起来。

3 交通领域的革新

3.1 交通建设

运用GIS和BIM，我们可以建立一个区域完整的交通系统模型，模型中附着道路的详细信息，如：设计单位、施工单位、建设时间、通车时间、使用年限、道路现状、建造材料、断面形式、服务车型、与哪些道路相连接等。当道路出现损坏时，我们可以快速从模型中找出这条路的信息，联系施工单位、材料供应商、相连通的道路，以便合理疏导交通流、尽快修好损坏路段，恢复交通。

在规划设计交通时，可以给设计好的道路建立模型，置入现状交通系统模型中，模拟车流、客流情景，检测道路设计的合理性，根据模拟的结果优化道路设计。目前BIM技术在交通领域中已有广泛应用，尤其是在轨道交通和桥梁方面，从设计到投入使用，BIM贯穿项目的全生命周期，已取得良好的成效[6]。

在交通系统模型中载入传感信息技术，能有效掌握实时交通信息，合理调配交通资源，减少资源浪费，实施绿波交通，提高道路通行能力，缓解道路拥堵的状况，从而提高交通运输效率。偶有交通事故发生时，可以快速定位事故发生地点，紧急调度最近的执勤车辆和医疗救援以最快的速度抵达现场展开救援，减轻事故造成的人身伤害与财产损失。

3.2 三维导航

社会在发展，时代在进步，人们思维水平在提高，与此同时建筑业也在发生着日新月异的变化，随着建筑设计和施工技术的发展，建筑造型各异、体量越来越大，建筑内部结构越来越复杂，人们的活动不是在室内就是在室外，在高层建筑、室内面积大的建筑中，特别是标识不够清晰明确的情况下，人们也比较容易迷失方向，尤其是在商场、活动中心、医院等地方，就算方向感很好的人想一下子搞清楚东南西北也是很不容易的，因此人们对于室内导航的需求不亚于室外导航，然而现在为数不多的室内导航图也只是二维电子图，甚至只是示意图，用起来同样不是很方便，而BIM与GIS结合，刚好能解决这个问题。成熟的三维GIS平台，已经支持物联网数据的接入，结合BIM建筑模型特点，可以轻松做到模拟真实情景定位，应用方面当然也很广，比如博物馆里寻找展厅、商场里寻找店面、医院里寻找科室、学校里寻找教室等。

我们预期的完整的导航系统应该是这样的：当人们通过地图和室外导航到达某一目标建筑物后，点击该建筑物即可进入室内导航，然后在室内导航的指引下到达设定的目的地。室内导航的定位范围可以运用科学技术精确到五米、三米、甚至是一米的范围内，使用者能够直接找到所要找的房间，甚至是从哪个门进入都有明确的显示。实现这一愿景则需要地图模型与建筑物模型之间的转换有良好的衔接，就好比网络搜索引擎，可以通过网址导航进入所需要的网址一样。而地图模型由GIS完成，建筑物模型由BIM完成。

图3 三维导航系统

3.3 智能出行

图4 智能出行

政府和软件开发公司可以汇集交通系统模型、三维导航、遥感技术，整合多方信息开发出辅助出行的移动终端APP，人们可以通过手机应用获取实时的交通情况，查询交通的预测信息，合理安排出行时间、出行方式、出行路线，使出行更加舒适便捷。同时，通过信息整合为公共交通以及城市基础建设提供决策支持。

在未来，除了智能交通的发展，我们将有可能达到所有公共服务信息的共享，运用公共服务建筑的BIM模型信息，我们将有望实现文体、教育、医疗卫生等服务模式的创新发展，实现智慧城市的全方位运行。

3.4 协同设计

城市的道路交通设计通常是与需要敷设在其下面的市政工程管线设计同时进行的，项目参与方和涉及专业众多，设计师办公地点不集中，常有沟通效率低，图纸更新不及时等问题。通过BIM软件，设计师可统一将模型上传协同平台，相互交流配合，提交变更模型，保证模型的统一性；业主也可通过平台进行监控浏览、批注变更或发布任务等。各个参与方可随时随地通过PC和移动端查看图纸和模型，减少数据损失、降低沟通成本。同时，也可提高公众参与度，即使非专业人士也能看懂直观、形象的模型，给出合理的建议[7]。

4 城市管理的飞跃

城市管理是一项非常复杂的工作，涉及的内容繁多，部门牵连甚广，而目前城市管理的现状多为各个部门独立运行，信息沟通不畅，当部门间需要协调时传统的工作方式需要消耗大量的人力物力。各个部门的信息孤岛现象比较严重，相互之前的资源欠缺整合和协作。在我们生活的区域经常会看到一条永远也修不好的路，因为刚铺好的路面没过多久，通信公司要维修设施需要开挖路面，而几天后电力公司又在这地方开展维修工作。这正是由于信息沟通不畅而导致的资源浪费。

而在GIS和BIM结合建立的全专业智慧城市模型中，各部门负责本部门所涉及的模型，并与其它部门的模型相关联，同时建立一个信息交流平台，当某一部门需要对城市中的某一地点的设施、构筑物等进行完善或改动时，提前一段时间将信息发送至信息交流平台，并提醒相关部门查看，当不同部门之间有工作可以协同进行时，则进行合作，这将大大减少人力物力的浪费，缩短工作时间，尽快恢复城市的正常运行。通过GIS和BIM建立城市地上(场地、建筑、道路、公用设施等)和地下(建筑、交通、管线等)的全专业模型，当某一处出现故障时，我们可以基于模型快速定位，查找产生故障的原因及其可能带来的影响，及时解决问题，避免带来更大的损失[8]。

目前，这一目标已在局部地区得到初步实现。2012年，IBM 为巴西的里约市政府打造了智慧城市运营中心，将里约30 多个城市管理部门数据统一到城市运营管理系统。在运营中心的大屏幕上，显示了里约热内卢城市动态监控视频，包括各个地铁站、主要路口的交通状况，通过复杂的天气预测系统预报出来的城市未来几天的降雨情况，交通事故处理状况，停电处理状况，以及其他城市问题处理及其进展等状态。

为了满足现状城市管理的复杂需求同时考虑到未来智慧城市发展的前景，需要各部门负责人理顺各部门的数据信息，并在市一级层面对信息资源进行统一管理，进行信息整合，采取关联分析、聚类分析、系列模式分析等实现信息和数据挖掘和应用，为管理者和决策者提供科学决策的信息和依据。特别是传感技术和分析技术的发展，城市管理者能够随时对城市的健康状况进行体检，找到潜在风险，提前采取应对措施，帮助城市管理者摆脱“救火队员”的困境，做到未雨绸缪，有备无患[9]。

图5 全专业智能化城市模型

5 城乡规划的优化

目前城乡规划工作还处于CAD、湘源控规等二维软件操作的状态，城市是一个有机整体，仅依靠平面规划容易造成对城市空间结构层次把握不全面、新规划区域与周围环境不协调、不能全面考虑规划区域可能的人流与交通等问题，最终不合理的规划不仅未能给居民的生活环境带来改善、不能促进城市的良好发展，还消耗了人力、资金投入。当我们基于GIS和BIM建立起城市的全专业模型后，提高设计成果的可用性，减少纸张的使用量，所有修改可以采用云同步并自动记录版本信息； 最重要的是对城市的各方面有一个整体的把握，如建筑使用年限、城市天际线、城市风环境、日照环境、交通环境等，当我们对一个地块作出规划时，在规划方案设计阶段，可以将方案嵌入依据城市模型中做详细的分析论证，检验其是否能满足规划要求，针对不合理的地方进行优化设计[10]。目前Bentley的快速建模技术在城市大规模快速建模方面处于领先地位。把规划中的建筑嵌入现有城市模型中，利用日照分析软件分析建筑的日照环境，检验建筑高度是否影响周围建筑的采光等，与此类似的可以检验规划的每一部分是否合理，并出报告，给规划师以参考，调整规划方案，让我们生活的城市稳定持续成长。

城市由建筑、交通、基础设施等组成，我们可以分部分来做，当城市的每个部分都越来越智能、越来越便利时，其构成的城市将越来越智慧，人们的生活将越来越好。

6 结语

科学技术的发展都以我们更便捷更美好的生活为直接或间接的目的，智慧城市的建设更是如此，基于GIS和BIM建立的智慧城市模型，同时结合可以在移动终端设备上使用的APP，方便每一个居民通过其提供的城市设计公众参与的信息入口加入到城市建设的行列，享受智慧城市给我们带来的舒适生活[11]。当然，智慧城市的建设是宏大的，且永无止境，实现这一愿景需要我们不懈坚持、共同努力，相信在不久的将来，我们都将受惠于智慧城市。

[1]朱庆.3维GIS技术进展[J].地理信息世界， 2011, 9(2): 25-27.

[2]宁振伟， 朱庆，夏玉平.数字城市三维建模技术与实践[M].北京：测绘出版社， 2013.

[3]徐青. 地形三维可视化技术[M].北京：测绘出版社， 2000.

[4]李德仁， 龚健雅，邵振峰.从数字地球到智慧地球[J].武汉大学学报：信息科学版， 2010, 35(2): 127-132.

[5]张昆.基于BIM应用软件集成研究[J].土木建筑工程信息技术，2011,3(1)：31-36.

[6]卫校飞.智慧城市的支撑技术——建筑信息模型(BIM)[J].智能建筑与城市信息, 2013.

[7]张建平， 余芳强，李丁.面向建筑全生命期的集成BIM建模技术研究[J].土木建筑工程信息技术， 2012, 4(1): 6-14.

[8]张文彤等. 城市三维建模技术规范[M].中国建筑工业出版社， 2010.

[9]顾朝林， 段学军，于涛方，等.论“数字城市”及其三维再现关键技术[J].地理研究， 2002, 21(1): 14-24.

[10]王奕程. 智慧城市建设研究[D].安徽大学， 2014.

[11]崔婧. 云端服务支撑智慧青岛[J].中国经济和信息化， 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

陈雷鸣(1995-)，女，工程师，主要研究方向：BIM技术在城市规划中的应用。

TU17;TP311

A

1674-7461(2016)06-0091-05