空间信息技术在建筑信息一体化中的应用

王晓轩 卢集富 林锦眉

（广东工业大学华立学院， 广东 广州 511325）

0 引言

随着空间信息技术的发展和应用，建筑物信息模型（Building Information System，BIM）和地理信息系统（GIS）在不同领域中均可为用户提供三维模型表述[1]。然而两种信息技术在处理对象的尺度上存在较大不同，GIS 所针对的建筑物模型是以地物模型的基底参数为基础，对模型进行虚拟建构和重现，对于建筑物本身的构件和内部的图元管理并不涉及[2，3]，BIM 侧重于对建筑物单体信息的管理与应用，涉及到大范围的空间管理时无法发挥有效的功能。本文尝试将两种空间信息技术进行优势互补，在微观图元信息层面使用BIM技术参与构建，建模参数通过校园实际测绘所得，将尺寸详情在建模软件Revit族环境中进行建模编辑，建立参数化的校园建筑物及地物三维模型，然后利用 GIS软件中的地形工具，将上述校园三维模型与校园环境进行融合，创建建筑物与场地三维一体化的场景模型。在已有的研究中，李德超从数据组织、应用模型等方面探讨了BIM 技术在数字城市三维建模中的应用，并分析了 BIM与GIS在应用中的区别[4]；汤圣君等进行了BIM 与 GIS 数据集成在建筑几何语义信息互操作技术方面的研究[5]；薛梅设计了建筑构件信息模型BCM，该模型参考了IFC标准，并考虑了数字城市应用的特点，并提出了一种三维数字城市与建筑信息模型集成的解决路径[6]。本研究将进一步论证两种空间技术的优势互补在应用中的技术实现。

1 数据准备

本文实验数据是校园测量数据，包括测量图件、坐标、尺寸文档等数据，在Revit 软件环境中，通过建立项目，设定场地等建立模型场地基础，然后导入底图，进行基础建模。建立建筑模型过程制作繁琐，工作量大，是用时较长的基础性工作[7，8]，由于校园中的建筑造型较为复杂，因此对于建筑物的部分构件进行了单独的族制作。创建族的方式分为新建族和內建模型两种。

新建族方式以校园建筑物中的窗为例，窗为校园建筑物外立面中重要的图元，在建模前的外业测绘中，对于窗的细节尺寸进行了测绘，结合窗的材质和外观，选定了对应的材质库，获得了窗的基础参数。在内业建模中，首先选择适合的族样板文件，定义相应的子类别以控制绘图对象的可见性，然后在平面或立面视图中创建参照平面，给参照平面添加尺寸标注，以尺寸标准标签化的方式来去约束模型的参数，在设定时要分别创建类型或实例参数，接下来使用创建命令完成图形的绘制并锁定在参照平面，最后通过定义不同的参数值检验参数能否准确驱动模型。检测无误之后，保存新创建的族，将其加载到项目文件中进行使用测试。

內建模型是在项目内部中特有的或专用的构件，例如校园中的一些台阶、坡道或者景观，无需在其他项目中利用，即采用在项目中內建模型的方式。以校园中的无障碍坡道为例，以外业实测的数据尺寸进行模型创建，方式过程与新建族的过程类似，通过定义边界的方式绘制草图，由软件根据创建命令生成模型，栏杆部分通过具体参数进行详细定义其位置和组合方式。

2 建筑图元建模

2.1 定义标高和轴网

标高是三维建筑模型创建中重要的参照，控制高度信息，标高可根据项目要求创建楼层平面视图。在Revit中定义标高，需要在立面视图或剖面视图中，使用建筑选项卡中的基准面板里的标高命令直接绘制，或者使用复制、阵列等命令创建，标高作为系统族，可以根据需要修改其实例或类型参数。

轴网可在平面视图中进行绘制，作为平面绘图时的定位参考，轴网是垂直于平面视图的一个工作平面，其也是系统族，可对其编号、符号样式等进行修改定义，在任一平面视图中创建的轴网会显示在所有标高，若要在不同的标高定义不同的轴网，需要对轴网进行2D参数的切换，在相应的楼层修改完成之后，可设定影响范围，将其应用到其他标高。在建模前，应先定义标高，再绘制轴网。

2.2 主体图元的创建

本实验中的主图图元包括墙体、柱、梁、楼板等。本次建模实例中，前期的外业测绘收集了关于内外墙体的构造、外观、材质等多类数据和参数，并采集了其外观图片，制作了参数和素材库。单体建筑建模时先绘制外墙，在平面视图中，参照轴网进行拾取或者绘制，内墙的参数较为简单，使用族样板中的类型进行参数修改，并设置其外观参数即可。柱和梁的添加同样以实测参数为基础，创建了结构柱和梁系统，在剖面中使用填充的方式进行标识。楼板的绘制同样在楼层平面视图，在实例参数中定义楼板的标高和偏移值，在类型参数中定义其具体的构造及材质信息，绘制时通过草图定义其边界，也可通过拾取墙体的方式，在楼板创建之后，与墙体保持关联。

2.3 幕墙、屋顶的建模

校园中的综合楼、图书馆等建筑外立面有大量的幕墙构件，在Revit中幕墙包含幕墙、外部玻璃、店面三种类型，构件包括幕墙网格、竖梃和幕墙嵌板组成。

幕墙绘制时与墙体类似，其实例属性中的设置也与墙体类似，对于其竖梃和幕墙嵌板，则由外业调查不同建筑物的实测数据进行设置，包括竖梃的组合连接方式及转角部分的设置，以及玻璃嵌板的具体类型。在造型方面，可使用编辑轮廓命令，对综合楼部分有特殊造型的幕墙进行形状编辑。

屋顶是建筑的重要组成部分。本实验中校园建筑物多为迹线屋顶，宿舍楼为平屋顶。在Revit的建筑选项卡屋顶工具中提供了迹线、拉伸、面屋顶三种创建方式以及屋顶的连接和修改工具。本实验中的建筑物屋顶建模时，尺寸参数根据外业测绘及无人机航拍图得到的数据进行了参数估算，外观和材质方面根据其实景进行了模拟。

图1 校园建筑物建模（教学楼）Fig.1 Modeling of school building

通过上述主体图元的创建，完成校园主要建筑物的模型信息化。如图1所示.校园中建筑模型完成后，可将其导入 ArcScence中，ArcScene 是 ArcGIS Desktop中专门用于显示三维数据的独立程序，可以浏览三维数据、创建表面、进行表面分析、三维飞行模拟。在融合前，需进行数据的转换，使用了IFC（Industry Foundation Classes）的标准格式[9，10]。首先将Revit中的项目文件数据以IFC 格式存储，再利用Arcscene 中的数据互操作工具，将IFC 文件导入Arcscene 中。数据转换并导入后，在 GIS软件中可以查看到有效转换的建筑物信息，这些信息使得三维模型的参数不仅包含地物的基底、位置，还包括了内部的建筑构件详细的信息，将GIS对于空间的管理从外部延伸到了内部，丰富了整个场景的信息。

3.2 建筑模型与场景景观融合

ArcScene中的场景可以导出二维图片或三维VRML 文件，这些文件可在普通浏览器中安装插件进行发布和浏览，在其图层中添加的建筑模型，既可以展示场景环境也可以展示建筑物内容的画面和参数，根据模型的尺寸和空间位置，利用3D编辑器中的缩放、旋转等命令对环境的位置进行调整，使得模型与场景环境相融合匹配，实现一体化的展示。如图2 所示。

图2 BIM 模型与GIS场景 融合Fig.2 BIM model and GIS fusion

4 结论与展望

本实验基于校园实测数据，首先在Revit软件中进行了建筑物的基础建模，然后尝试通过IFC进行数据的转换，并将其导入了GIS平台，达到了模型信息在两种尺度上的融合，完成了实验目标。

通过单体建筑与场地信息的融合，进一步完善了三维模型一体化的思路和方法，未来该方法可尝试应用于多种场合，例如小区域的精细规划、古建筑的建模与保护、工程及房地产运维的智能化等。本项目下一步将尝试进行建筑物内部如室内空间的快速建模信息化，以及地下管网智能化管理的优化研究。