基于BIM与GIS技术的悉尼旅游信息系统的构建

张志昊， 孙 瑞， 刘 宁

（1.石家庄市第24中学，河北 石家庄050051 2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

基于BIM与GIS技术的悉尼旅游信息系统的构建

张志昊1， 孙 瑞2， 刘 宁1

（1.石家庄市第24中学，河北 石家庄050051 2.石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

地理信息系统 （GIS）是空间信息管理与分析的重要手段，建筑信息模型 （BIM）集成了建筑工程各阶段的多种信息。如何将BIM与GIS相结合，实现建筑物微观单体与空间宏观信息的统一建模、信息共享与可视化表达已成为当前地理信息系统研究的重要方向。论文对如何利用BIM和GIS融合技术开发信息系统进行了阐述，探讨了BIM三维设计与GIS宏观管理一体化开发的技术与方法，在此基础上研发了悉尼旅游地理信息系统，实现了基于BIM与GIS技术的一体化集成管理及可视化。

GIS；BIM；模型构建；悉尼旅游信息；系统开发

建筑信息模型 （Building Information Modeling），简称BIM，即利用数字技术表达建设项目几何、物理和功能信息，并支持项目生命周期建设、运营、管理和决策的技术、方法或过程［1］。其技术核心是由计算机三维模型所形成的数据库，贯穿于决策、规划、设计、施工和运营等整个项目生命期的各个阶段。随着信息技术的发展，作为工程设计从二维到三维转变的BIM技术越来越成为各国研究与应用的重点。而作为信息科学前沿技术的三维地理信息技术 （3DGIS）在基于空间信息的管理与分析中占有十分重要的位置。如何将BIM技术与GIS技术进行结合，是目前迫切需要解决的问题。

对BIM的研究，在BIM的概念提出后大幅度增加。2004年美国编制了基于IFC的 《国家BIM标准》—NBIMS（National Building Information Model Standard）［2］。 NBIMS 是一个完整的BIM指导性和规范性的标准，它规定了基于IFC数据格式的建筑信息模型在不同行业之间信息交互的要求，实现信息化促进商业进程的目的。2009年7月，美国威斯康辛州成为第一个要求新建大型公共建筑项目使用BIM的州政府。2010年4月 《BIM项目实施计划指南》第二版在美国发布［3］。

近年来国内外的高校及研究机构，如清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国建筑科学研究院以及美国国家标准与技术研究所、德累斯顿技术大学、南洋理工大学、不列颠哥伦比亚大学等，都进行了基于IFC标准的结构分析信息模型、结构耐久性信息模型、建筑节能信息模型、施工信息模型、建筑成本信息模型、建筑物业管理信息模型等的研究［4-11］。这些研究主要集中在工程设计与分析、工程施工与项目管理、设施管理等领域。

在日本，BIM应用已扩展到全国范围并上升到政府推进层面，日本的国土交通省负责全国各级政府投资工程，在2010年3月国土交通省宣布在其管辖的建筑项目中推进BIM技术，并根据今后实施对象的设计业务具体推行BIM应用。韩国有多家政府机构致力于BIM应用标准的制订，其国土海洋部制定了BIM应用指南，指出2012年以后500亿韩元以上建筑全部使用BIM技术，并尽可能与GIS进行结合［12］。

澳大利亚在BIM方面的应用特别是BIM建筑模型构建及与3DGIS融合方面进行了许多卓有成效的研究。悉尼科技大学利用BIM技术进行了澳大利亚海港高速公路修建项目的设计工作，并将设计数据与GIS系统进行对接，完成了交通设计从二维到三维的转变，并通过数据挖掘与系列模型转化与构建技术，使用GIS进行数据的无缝衔接，实现了设计、施工与管理数据的共享，极大提高了施工的效率。北欧国家包括挪威、丹麦、瑞典和芬兰，是一些主要的建筑业信息技术的软件厂商所在地，如Tekla和Solibri，而且对发源于邻近匈牙利的ArchiCAD的应用率也很高［13］。这些国家是全球最先一批采用基于模型设计的国家，也在推动建筑信息技术的互用性和开放标准 （IFC）方面走到世界前列，IFC标准为BIM与GIS技术的结合提供了一个十分重要的接口。

在我国，2016年9月住房和城乡建设部发布《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》，对 “十三五”期间，建筑业信息化进程做出全盘规划［14］。2016年交通运输部印发的 “《交通运输重大技术方向和技术政策》的通知”中将BIM放在了首要位置［15］。

在GIS轻量化及与BIM融合技术方面，对于 BIM模型的轻量化，Weihong Li［16］等提出一种从大规模数据出发建立轻量化三维城市建筑的方法；Jingliang Peng［17］等用基于八叉树的渐进式无损编码方法来压缩三维模型网格；Dinesh Shikhare［18］等首先寻找可重用的三维单元，对类似的三维单元进行轻量化描述。

工程设计由二维向三维转变已是大势所趋，将BIM与GIS相结合，应用于工程设计、施工与管理，构建基于BIM与GIS融合技术的信息系统平台，充分利用BIM的三维设计功能与地理信息系统的管理与分析功能进行包括工程建设项目的全过程管理，解决设计、施工与管理不同阶段之间的数据共享与挖掘利用难题，具有十分重要的现实意义。

1 GIS中BIM模型的构建软件

1.1 建模软件

1.1.1 REVIT

REVIT是Autodesk公司出品的BIM软件，是为建筑信息模型 （BIM）打造的，可帮助建筑设计师设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑。Revit是我国建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一［19］。本文中的部分BIM模型建模选择的BIM软件是REVIT 2015。选择该款软件是因为它具有以下优点： （1）建模功能强大，能够设计和构建复杂的建筑物模型并附加属性信息； （2）采用Ribbon界面清晰明了； （3）支持二次开发； （4）做出来的效果非常逼真。REVIT的界面如图1所示。

图1 Revit软件主界面

1.1.2 CATIA

CATIA是法国达索公司开发的BIM软件。CATIA最早起源于航空工业，现如今广泛应用于制造业、航空航天、汽车制造及建筑工程等行业［20］。CATIA能够提供一整套的BIM解决方案。其主要的优点： （1）曲面建模强大； （2）自顶向下的建模模式，能够很好地支持LOD； （3）优秀的参数化建模； （4）良好的扩展性。用户可在CATIA中定义各种参数化设计模板和脚本，从而进行智能化设计。同时，CATIA提供多种二次开发方式。其界面如图2所示。

图2 CATIA软件主界面

2 BIM模型构建流程与优化

2.1 三维模型构建的流程

Revit的BIM模型构建是以构件族的形式进行的，构建步骤主要包括：族创建的构思、族创建初期设置、族集合形体的绘制和参数化设置、族的其他特性设置、创建类型目录、族文件的测试。

族创建的构思，必须清楚族的创建目标和实现手段。需要综合考虑族的插入点、族主体、族类型、族的详细程度、族的显示特性等因素。族创建初期设置，则首先需要定义子类别，选择族样板，定义插入样板的坐标，然后布局参照线或者参照平面，设置基本参数。最后添加将尺寸标注并与参数相关联。族的几何形体的绘制和参数化设置方面，首先在已经选好的族样板中定义族类型，按照布置的参照线或者参照平面绘制几何形体。然后将几何形体约束到参照平面，调整参数值和模型，并且判断族行为，然后进行族的其他特性设置，进一步细分设置族的子类别，并且设置可见性参数，如族的材质，族的信息参数，族的详细程度等参数。最后，进行创建类型目录和族文件的测试。将已经创建好的族创建类型目录，即通过Excle按照Revit族参数格式分别填写Revit中约束的参数，用以实现类型族的创建。族文件的测试，需要保存族文件，载入项目文件测试族行为，以确保族在项目中的正确应用。

2.2 三维模型的轻量化

建模完成后要对模型进行轻量化处理，不用的面全部删掉以减少模型中面和点的数量，提高场景运行速度。模型轻量化的注意事项如下：

（1）模型轻量化时，在维持模型显示效果的前提下，使用尽可能少的点、面和多边形。

（2）在建模过程中尽量不用布尔运算和切割等工具，减少面的数量和出错的可能性。

（3）建模时应该用实际大小建模，即导入场景中使模型的scale值为1。建模时数据的小数点前或后的位数不应太多，以提高运行速度。

（4）在将模型导出时，最好先将模型进行塌陷，并防止平移，旋转等操作时出现问题。

3 BIM模型的构建

3.1 Revit建模实例

论文以悉尼著名的Parramatta河上的Cove Bridge为例，如图3背景所示，建好的模型将导入到悉尼旅游地理信息系统中。

图3 悉尼Parramatta Cove Bridge大桥

选择和其类型一致的桥墩施工图进行建模，如图4所示。

图4 桥墩图尺寸示意图

启动Revit2015，新建一个族，选择概念体量模板如图5所示。

图5 概念体量模板示意图

根据图纸所示的尺寸，按照BIM建模步骤，点击创建形状，创建实心形状，生成双曲线桥墩和构成桥面的箱梁及整个桥梁的BIM模型。如图6、图7所示。

图6 桥墩BIM模型

图7 桥面箱梁BIM模型

3.2 模型导入

“悉尼市旅游地理信息系统”中的模型导入分为单体导入和批量导入两种导入方式。单体导入适合增添或更改建筑物模型，可以提前预览新增建筑之后的场景和分析该建筑物是否符合相关技术规范要求和规划要求。批量导入是一个区域成片建筑物的导入，可以浏览该区域的三维场景的进行三维分析。

（1）模型单体导入是在三维场景中导入单个模型，导入时要输入该地物的边界点坐标，以1∶1比例导入，导入后可以根据实测的矢量图进行微调。

（2）模型批量导入是要在ArcMap里制作一个图层，图层的属性表里包括了模型的名称、存放路径、中心点的坐标。

最终导入悉尼旅游地理信息系统中的Parramatta Cove Bridge大桥BIM模型如图8所示。

图8 悉尼Parramatta Cove Bridge大桥BIM模型

4.悉尼旅游地理信息系统的构建

4.1 系统功能

悉尼旅游地理信息系统主要是基于澳大利亚悉尼市自然地理数据、旅游信息、社会地理数据及相关基础属性数据构成，以悉尼市地图作为底图。在景点及学校的介绍方面，利用笔者在悉尼Ashfield Boy's High School学习一年，对悉尼市非常熟悉的有利条件，添加了许多不为国人所熟知而又非常美丽的景点信息。系统主要包括以下功能：

（1）工作空间管理模块：实现了工作空间的基础管理功能，分别包括打开工作空间、关闭工作空间、退出系统等功能。

（2）地图操作模块：包括了地图操作的基本功能，分别为：地图放大功能、缩小功能、漫游功能、自由放缩功能、全副显示功能等。

（3）信息查询模块：分为图查属性与属性查图两部分，可将悉尼市的著名景点、火车站、机场和大学等信息根据查询信息自动定位至地图上，并高亮显示，也可通过点击地图上的图标位置，通过调用SuperMap数据库，显示出建筑物的详细信息。本软件在右侧还设置了简便查询窗口，将各景点一一列出，并备以相应的图片展示，生动直观，可以为初到悉尼的国人和学生提供旅游、求学及出行帮助。

4.2 系统结构设计

首先获取了悉尼市的大范围高分辨率栅格图片，系统开发采用了超图公司的Supermap Object组件，包括工作空间管理功能、地图查询、操作操作等功能。实现了系统市旅游景点的查询，可在地图窗口手动选择某一地点，浏览该地点的属性信息，并以图片或模型进行展示。同时，实现了按信息查询地点，并可在地图中自动定位高亮显示。系统结构图如图9所示。

图9 系统结构图

4.3 系统应用功能

系统包括3个主菜单、4个功能选项卡。主要包括了工作空间管理、地图浏览、景点查询、旅游信息介绍、景点自动定位等功能。如图10～图12所示：

图10 系统登陆界面

图11 景点查询界面

图12 景点位置图

点击详细信息即可弹出信息浏览窗口，浏览该地点的详细信息，如图13所示。

图13 景点介绍

5 结语

悉尼市旅游地理信息系统数据主要是基于澳大利亚悉尼市自然地理数据、旅游信息、社会地理数据及相关基础属性数据构成，以悉尼市地图作为底图，同时对部分建筑物进行了BIM建模，成功将BIM模型导入到了GIS系统中，从而实现了系统对栅格图片、矢量数据和BIM模型的有效管理。系统的开发，可以为国人赴悉尼旅游提供较好的地理信息服务。

致谢

此论文在撰写过程中得到了石家庄铁道大学孙瑞学长在国内外现状资料查询及BIM构建方法上的帮助；在论文结构及内容编排上得到24中刘宁老师的大力支持；同时感谢带领我入门GIS领域的悉尼Ashfield Boy's High School和悉尼科技大学科学课指导老师的引导和帮助。

［1］百度百科.建筑信息模型 ［EB/OL］.http://baike.baidu.com/item/bim

［2］ TheNationalBuildingInformationModelingStandard （NBIMS）Committee （2007） ,The National Building Information Model Standard Part1:Overview Principles and Methodologies.

［3］ Computer Integrated Construction Research Group,Building Information Modeling Execution Planning Guide Version 2,2010.04.

［4］满庆鹏,孙成双.基于IFC标准的建筑施工信息模型 ［J］.土木工程学报,2011（44）:239-243.

［5］刘照球，李云贵，吕西林，等.基于IFC标准的结构动力分析信息扩展框架 ［J］.华南理工大学学报，2010，38（7）：122-127.

［6］刘文鹏，叶英华，刁波.基于IFC标准的结构耐久信息模型［J］.土木建筑工程信息技术，2010，2（2）：22-27.

［7］ Weise M， Katranuschkov P,Liebich T,et al.Structural analysis extension of the IFC modeling framework ［J］ .ITcon，2003 （8）： 181-189.

［8］曾统华.基于BIM技术的建筑节能设计软件研制及应用［D］.北京：清华大学，2012：5-10.

［9］ Wan C， Han P C， Tiong L K.Assessment of IFCS for structural analysis domain ［J］ .Information Technology in Construction， 2004 （9）： 75-95.

［10］满庆鹏，孙成双.基于IFC标准的建筑施工信息模型 ［J］.土木工程学报，2011，44（增刊）:239-243.

［11］张修德.基于BIM技术的建筑工程预算软件研制 ［D］.北京:清华大学，2011：8-9.

［12］张明.基于BIM的高速公路施工管理信息化研究 ［J］.2015 （4）： 190-194.

［13］徐世杰.基于BIM技术的项目建设管理应用研究 ［D］.杭州：浙江工业大学，2015：20-21.

［14］中华人民共和国住房和城乡建设部网站 ［EB/OL］.http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201609/t20160918_228929.html

［15］中华人民共和国中央人民政府网站 ［EB/OL］.http://www.gov.cn/xinwen/2016-02/23/content_5044995.html.

［16］ Weihong Li,George Wolberg,Siavash Zokai.Lightweight 3D Modeling of Urban Buildings From Range Data ［C］ .Proceedings of International Conference on 3D Imaging,Modeling,Processing,Visualization and Transmission.USA,2011:124-131.

［17］ Jingliang Peng,Chang-Su Kim,C C Jay Kuo.Technologies for 3D mesh compression:A survey ［J］ .Journal of Visual Communication and Image Representation （S1047-3203），2005， 16 （6）： 688-733.

［18］ Dinesh Shikhare,SushilBhakar,Sudhir P Mudur.Compression of Large 3D Engineering Models using Automatic Discovery of Repeating Geometric Features［C］//Proceedings of VMV′2001,Stuttgart,Germany,2001:233-240.

［19］Autodesk公司官网 ［EB/OL］.https://www.autodesk.com.cn/.

［20］达索公司官网 ［EB/OL］.https://www.3ds.com/zh/

The Tourism Information System Construction of Sydney Based on BIM&GIS

ZHANG Zhi-hao SUN RuiLIU Ning

Geographic Information System （GIS） is an important means for spatial information management and analysis.Building Information Modeling （BIM）integrates a variety of information on each construction stage.It has been the important direction of Geographic Information System research that combines BIM with GIS to reach the stage,which the building microscopic monomer and spatial macroscopic information is unified,shared and visualized.How to make use of the information system which combines BIM with GIS is described and the 3D design of BIM and the GIS integration development of macroscopic management are discussed,based on which the Sydney tourism information system is developed.The integration management and visualization which based on BIM and GIS are realized.

GIS,BIM,modeling,Sydney tourism information,system development

TU984；TU17

A

1008-3812（2017）04-010-05

2017-06-04

张志昊 （1999— ），男，宁夏隆德县人。研究方向：计算机与地理信息系统。