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筆者此前首次接觸BIM這個概念是17年在北京干地鐵施工時一次培訓(xùn)上，當(dāng)時在通州北京城建的哥們就賣力的給大家普及了BIM技術(shù)。本系列將詳細對比BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)的特點，探討B(tài)IM與GIS之間的融合方式，并探索BIM數(shù)據(jù)在GIS系統(tǒng)中的應(yīng)用場景，包括基于空間分析的沖突檢測、可視化展示和智能決策等，尋找在實踐中實現(xiàn)協(xié)同效益的最佳途徑，歡迎各位批評指正。
0 引言
近年來為了對建筑物內(nèi)容進行精細表達，多采用BIM技術(shù)對建筑物內(nèi)容進行三維建模，基于傳統(tǒng)的建筑施工技術(shù)，BIM技術(shù)整合了從*規(guī)劃、可行性分析、決策、設(shè)計、施工到竣工驗收的建設(shè)項目信息，而且涵蓋該建筑模型未來的運行和維護，有效提高了項目的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。
然而，BIM技術(shù)往往受限于建筑內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和項目信息的表達，在地理條件相關(guān)的分析上存在一定缺陷，使建筑分析難以結(jié)合周邊環(huán)境。在這種背景下，地理信息系統(tǒng)（GIS）做了很好的補充，其可以海量地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)收集、存儲、可視化、分析等方式，充分發(fā)揮空間分析功能，支持宏觀的地理場景展示與分析。因此探索BIM與GIS技術(shù)集成具有重要意義，將三維BIM模型信息集成到GIS平臺中，既解決了BIM模型宏觀分析的短板，又豐富了GIS平臺的建筑信息。
1 BIM概述
BIM是Building Information Modeling（建筑信息模型）的縮寫，源于美國Georgia Tech College建筑與計算機專業(yè)的Chuck Eastman提出的建筑描述系統(tǒng)：建筑信息模型把一個工程項目涉及各領(lǐng)域的信息都整合到同一個建筑模型中，包含了不同專業(yè)的所有信息、功能要求和性能分析，也即BIM是一套過程，而不僅僅是一個模型。而隨著時代的發(fā)展，BIM的含義也越來越豐富，國際智慧建造組織對BIM技術(shù)的定義主要包含以下三個層次：
第一個層次是建筑信息模型（Building Information Model），即搭建一個數(shù)字化表達的、符合項目工程的物理和功能特性的建筑信息模型，項目的所有參與者可以用該建筑模型來共享項目全過程的資源信息。
第二個層次是建筑信息模型應(yīng)用（Building Information Modeling），即在項目的全生命周期中，包括設(shè)計、施工、運維等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，運用建筑信息模型在不同技術(shù)平臺之間交互、傳遞項目信息，允許項目的所有相關(guān)方同時調(diào)取使用。
第三個層次是建筑信息管理（Building Information Management），即通過共享豐富準(zhǔn)確的建筑信息模型信息來組織、控制整個項目生命周期的業(yè)務(wù)流程，其產(chǎn)生的效益包括早期多方案比較、設(shè)計效率高、可視化交流、多專業(yè)協(xié)同、施工過程控制、竣工數(shù)據(jù)記錄等，為各階段的判斷決策予以可靠的信息支撐。
現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在國內(nèi)仍處于起步期，受數(shù)字化政策的影響，很多工程建設(shè)項目中已經(jīng)要求使用BIM模型，BIM建模也成為實景三維、數(shù)字孿生城市、智慧城市建設(shè)過程中不可或缺的一部分。但BIM技術(shù)如何在智慧城市建設(shè)中提升運行效率、發(fā)揮建筑全生命周期的價值，仍然是一個值得探索的問題。
2 BIM基本特征
2.1 BIM建模軟件
目前常用BIM建筑物建模軟件為3ds Max、Revit、Sketch Up、Auto CAD等，不同建模軟件各有優(yōu)缺點。
不同BIM軟件間主要應(yīng)用方向也不同，如下圖所示：
對不同建模軟件來說，一般都有自己的BIM文件格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及加載方式，且各家的側(cè)重點也有所不同，互不相通。
相較于其他BIM建模軟件，Revit在應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。首先在建模方面，Revit擁有強大的互操作性和易上手性，具備較強的參數(shù)化設(shè)計能力，通過修改建筑構(gòu)件的尺寸參數(shù)實現(xiàn)模型的靈活修改。此外，以建筑組件為基本建模單元，Revit提供了豐富的構(gòu)件（或族）種類，可以按照現(xiàn)實流程進行建筑模型設(shè)計，并對設(shè)計結(jié)果進行優(yōu)化以得出最佳方案，從而提高項目下展效率。其次，Revit考慮了構(gòu)件之間的組合關(guān)系，并結(jié)合實際施工情況，判斷用戶對構(gòu)件位置和相關(guān)參數(shù)的合理性，并提醒警告用戶，并給出調(diào)整與優(yōu)化建議。此外，Revit可與Autodesk系列其他軟件進行數(shù)據(jù)交換和建筑信息分析，支持建筑性能預(yù)測功能，并允許導(dǎo)出BIM模型中的建筑構(gòu)件尺寸和體積數(shù)據(jù)，提供工程算量支持。最后，Revit擁有豐富的族庫，廣泛應(yīng)用于二次開發(fā)領(lǐng)域，以其為核心的系列軟件能夠在建筑設(shè)計、工程建設(shè)以及設(shè)備制造等多個細分領(lǐng)域提供完整的BIM解決方案。因此，Revit已成為建筑信息模型行業(yè)目前應(yīng)用最廣泛的BIM軟件。
BIM是以建筑物設(shè)計中的建筑、結(jié)構(gòu)、水電、材料、管線等各專業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的建筑物全生命周期綜合信息模型，在建模過程中可以使設(shè)計人員共享建筑物的各種數(shù)據(jù)，具有可視化、符號化、參數(shù)化、集成化和模擬性、優(yōu)化性特點。
2.2.1 可視化
BIM模型最具有吸引力的特點之一就是其強大的可視化能力。通過BIM模型，我們可以在計算機上輕松實現(xiàn)對建筑物各個方面的三維立體呈現(xiàn)，包括建筑物的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、裝飾和設(shè)備等各個方面。這使得設(shè)計人員可以在較短時間內(nèi)獲得更直觀、更具體的建筑物呈現(xiàn)，能夠大大促進設(shè)計方案的完善和優(yōu)化，而且貫穿建筑的全生命周期。
2.2.2 符號化
BIM模型的另一個重要特點即是其通過圖形符號表示建筑物各個部分的能力。在BIM模型中，每個建筑元素都被賦予了特定的標(biāo)識符，從而使得它們與其他建筑設(shè)施之間存在著明確的關(guān)系。這些標(biāo)識符可以幫助設(shè)計人員快速識別建筑物的不同部分，并通過自動編號和標(biāo)注等技術(shù)實現(xiàn)對建筑物各個部分的一站式管理。
2.2.3 參數(shù)化
BIM模型的另一個重要特點即是其強大的參數(shù)化能力。設(shè)計人員可以通過BIM模型對建筑物各個參數(shù)進行設(shè)置和修改，從而實現(xiàn)對建筑物各個部分的自由控制和調(diào)整。這種自由性不僅有助于優(yōu)化設(shè)計方案，同時也為建筑物后期管理提供更多便利。
2.2.4 完整性
IM模型涵蓋從設(shè)計施工到后期運營的全生命周期，包含建筑工程全部的幾何語義信息和屬性信息，有利于各類專業(yè)人員在工程的各個階段查尋、更改項目信息，及時調(diào)
2.2.5 集成化特點
建筑信息模型是對建筑的全生命周期的信息所進行的模型化表達，這需要在項目進行的過程中通過信息采集從而動態(tài)化構(gòu)建，因此全生命周期化的BIM需要對項目相關(guān)信息的動態(tài)化集成。BIM模型不僅可以容納各種建筑設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)和信息，還可以在BIM模型中進行各種建筑物設(shè)計和施工過程的仿真和模擬。這使得設(shè)計人員可以通過BIM模型對建筑物的材料、結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備等進行綜合性評估和優(yōu)化。
2.2.6 優(yōu)化性
BIM可以在工程各階段提供優(yōu)化方案，例如設(shè)計方案優(yōu)化、施工方案優(yōu)化等，有利于優(yōu)化建設(shè)工期、節(jié)約建設(shè)成本。此外，BIM可模擬各類實驗，如日照分析、緊急避險模擬、陰影分析等。
2.3 BIM數(shù)據(jù)分級
根據(jù)GBT 51301-2018《 建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑信息模型所包含的模型單元應(yīng)分級建立，可嵌套設(shè)置，分級標(biāo)準(zhǔn)如下表規(guī)定：
建筑信息模型包含的最小模型單元應(yīng)由模型精細度等級衡量，模型精細度基本等級劃分應(yīng)符合下表的規(guī)定。根據(jù)工程項目的應(yīng)用需求，可在基本等級之間擴充模型精細度等級。
2.4 BIM建模精度
目前國內(nèi)建筑行業(yè)BIM建模深度標(biāo)準(zhǔn)，大部分參照BIM LOD深度標(biāo)準(zhǔn)。
2008年，美國建筑師協(xié)會AIA（AmericanInstituteofArchitects）為了促進BIM技術(shù)在各行各業(yè)的規(guī)范使用，在E202TM-2008建筑信息模型協(xié)議文件中提出了LOD模型的概念。為了幫助進一步標(biāo)準(zhǔn)化和一致使用LOD概念，并提高其作為協(xié)作基礎(chǔ)的實用性，AIA根據(jù)確定模型階段輸出結(jié)果、分配建模任務(wù)這兩個途徑定義LOD模型：
2.4.1 確定模型階段輸出結(jié)果
根據(jù)模型在不同設(shè)計階段的發(fā)展過程中，不同的模型構(gòu)建單元會以不同的速度完成精細建模，實現(xiàn)低層LOD模型向高層LOD模型的提升。大多數(shù)單元構(gòu)件在施工圖設(shè)計階段就完成三維建模，在后續(xù)階段中并不需要對該單元構(gòu)件進行重新建模，因此其將保持施工圖設(shè)計階段的三維模型。有些模型，例如墻板，在概念化設(shè)計階段就已經(jīng)定義其參數(shù)，則在LOD模型不斷精細的過程中將保持模型參數(shù)的不變性。
2.4.2 分配建模任務(wù)
在整個建筑項目過程中，需要對涉及各領(lǐng)域單位進行建模任務(wù)分配。BIM模型除了三維表現(xiàn)之外，還需要包含大量語義信息，為了給未來可能會插入等級預(yù)留空間，根據(jù)建筑項目的全生命周期的整體過程將LOD模型劃分為LOD100—LOD500五個等級。LOD模型分為概念設(shè)計階段、方案設(shè)計階段、施工設(shè)計階段、加工階段到竣工階段五個階段，用來描述建筑項目整個建模過程。具體的模型的細致程度定義如下：
（1）100- Conceptual 概念化
（2）200- Approximate geometry 近似構(gòu)件（方案及擴初）
（3）300-Precise geometry 精確構(gòu)件（施工圖及深化施工圖）
（4）400- Fabrication 加工
（5）500-As-built 竣工
2.5 BIM數(shù)據(jù)分類
BIM數(shù)據(jù)的分類又很多方式，本次僅羅列幾種常見的分類方法。
（1）BIM模型若按照實施階段的不同，可劃分為概念階段模型、設(shè)計階段模型（建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、機電模型等）、施工階段模型、運維護階段模型四個類型。
（2）BIM模型還可以分為三大類，包括結(jié)構(gòu)、工藝和生命周期BIM模型。其中：
1）結(jié)構(gòu)BIM模型：用于建立三維幾何模型，并將其與物理特性、材料性能及功能行為相關(guān)聯(lián)的數(shù)字化形式；
2）工藝BIM模型：用于表達建筑或工程項目的流程及所需要的信息，包含施工過程中人員、材料、財力、時間及風(fēng)險；
3）生命周期BIM模型：由于既定標(biāo)準(zhǔn)地保存對象數(shù)量、能耗、安裝正常使用時間以及復(fù)雜度信息，因此圈定需要考慮生命周期性因子影響。
（4）BIM模型若根據(jù)專業(yè)分類，可分為：建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、電氣模型、暖通模型和給排水模型。
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2.6 BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
建筑信息模型（BIM）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是指規(guī)范化BIM數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容、交換和共享的 標(biāo)準(zhǔn)化體系。
在國內(nèi)，BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的研究始于2007年， 2011年住建部發(fā)布《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，第一次將BIM納入信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)內(nèi)容，2013年推出《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，2016年發(fā)布《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，BIM成為“十三五”建筑業(yè)重點推廣的五大信息技術(shù)之首;進入2017年，國家和地方加大BIM政策與標(biāo)準(zhǔn)落地，《建筑業(yè)十項新技術(shù)2017》將BIM列為信息技術(shù)之首。
隨著BIM在中國建筑行業(yè)的應(yīng)用逐漸普及，對BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的研究也越來越重要。我國BIM市場雖然發(fā)展很快，但仍處于探索、較低水平階段，因此應(yīng)用情況較混亂，沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范，BIM標(biāo)準(zhǔn)的建立已成為我國BIM應(yīng)用發(fā)展面臨的迫切問題。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2012年決定制定一系列關(guān)于BIM的國家標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的編制標(biāo)志著我國BIM技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑹状螌崿F(xiàn)“車同軌、書同文”，對推動我國BIM技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用和行業(yè)科技進步縣有重要意義。本次對于BIM標(biāo)準(zhǔn)的論述可參考《BIM大爆炸》書中的第3章第4小結(jié)中的解析。
第一個是《建筑工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，這個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)號GB/T51212—2016，2018年1月1日開始實施。它對BIM在工程項目全生命周期的各個階段都做出了統(tǒng)一規(guī)定，包括模型結(jié)構(gòu)與擴展要求、數(shù)據(jù)交換及共享要求、模型應(yīng)用要求、項目或企業(yè)具體應(yīng)用要求等。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是BIM應(yīng)用的基本核心準(zhǔn)則，作為我國BIM應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究和編制的依據(jù)，其他標(biāo)準(zhǔn)都需要遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的要求和原則。
第二個是《建筑工程設(shè)計信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，對應(yīng)著國際標(biāo)準(zhǔn)體系的第一類——分類編碼標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞是“分類和編碼”。
第三個是《建筑工程信息模型存儲標(biāo)準(zhǔn)》，它對應(yīng)著國際標(biāo)準(zhǔn)體系的第二類——數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)主要參考的是IFC標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞是“存儲”。
接下來要說的這一類標(biāo)準(zhǔn)說的是實際設(shè)計和施工中數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與使用，屬于執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。《建筑工程設(shè)計信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)》，關(guān)鍵詞“設(shè)計”。主要對項目規(guī)劃、設(shè)計階段中BIM模型的命名規(guī)則、模型精細度、交付物等做了詳細的要求。《制造工業(yè)工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，關(guān)鍵詞“制造工業(yè)”。這是一本專門面向制造業(yè)工廠和設(shè)施的BIM執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容包括這一領(lǐng)域的BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、模型命名規(guī)則、數(shù)據(jù)該怎么交換、各階段單元模型的拆分規(guī)則、模型的簡化方法、項目該怎么交付，還有模型精細度要求等。《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，關(guān)鍵詞“施工”。這個標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)號GB/T 51235—2017，自2018年1月1日起實施。這個標(biāo)準(zhǔn)面向施工和監(jiān)理，規(guī)定其在施工過程中該如何使用BIM模型中的信息，以及如何向他人交付施工模型信息，這包括深化設(shè)計、施工模擬、預(yù)加工、進度管理、成本管理等方面。
在國家級BIM標(biāo)準(zhǔn)不斷推進的同時，各地也針對BIM技術(shù)應(yīng)用出臺了部分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、準(zhǔn)則，共同構(gòu)成了完整的中國BIM標(biāo)準(zhǔn)序列，但國家層面的BIM標(biāo)準(zhǔn)無疑具有統(tǒng)領(lǐng)性地位，具有更高的效力和指導(dǎo)性。
例如，北京市在2019年發(fā)布了《北京市BIM技術(shù)應(yīng)用規(guī)范》，明確了BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化 格式和交換方式，并對BIM數(shù)據(jù)的質(zhì)量、安全和保密等方面做出了詳細規(guī)定，促進了 BIM在北京市建筑行業(yè)的應(yīng)用和推廣。又如2021年12月16日中國雄安集團有限公司正式發(fā)布《中國雄安集團建設(shè)項目BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一了雄安集團所承擔(dān)新區(qū)項目的BIM3、BIM4、BIM5各階段數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)、交付物及交付形式等相關(guān)內(nèi)容，明確了文件命名、編碼顏色、信息細度、BIM應(yīng)用等具體要求，有效保障建設(shè)項目信息數(shù)據(jù)無縫接入CIM平臺并更好賦能新區(qū)數(shù)字城市建設(shè)及運營；涵蓋房建、市政、交通、園林、水利等多專業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)。
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國際上已經(jīng)有多個BIM標(biāo)準(zhǔn)，如IFC（Industry Foundation Classes）、COBie（Construction Operations Building information exchange）和BIM Collaboration Format （BCF）等，這些標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)促進了BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性。歐盟委員會在2016年頒布了《歐洲BIM標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》，提出了歐盟 BIM標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向和目標(biāo)。美國建筑業(yè)也在積極推動BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。例如美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）發(fā)布了《BIM標(biāo)準(zhǔn)化框架》（BIM Standardization Framework），該框架提供了一個通用的方法論，幫助建筑業(yè)界在不同的領(lǐng)域和不同的應(yīng)用場景中實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。
下一章講述 BIM技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用（二）數(shù)據(jù)格式
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