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當今世界智慧城市技術發展新模式BIM+CIM+GIS探讨

發布時間:2017-10-20 14:39來源:上海智能建築建設協會閱讀數:0

當今世界智慧城市技術發展新模式BIM+CIM+GIS探讨

Discussion on BIM + CIM + GIS of the New Pattern of Smart City Technology Development in Present World

南京工業大學建築智能化研究所  陸偉良

南京陸偉良現代建築智能化顧問事務所  杜昱

江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司  楊軍志  邱漢傑

深圳市特區建設發展集團有限公司  徐龍

 

【摘要】本文首先闡述建築信息模型(BIM)概念及其發展,其次介紹城市信息模型(CIM)和地理信息系統(GIS)的概念以及如何将BIM提升為CIM,最後提出了三者相結合構成了當今世界智慧城市(SC)建設新模式供大家共享。

【關鍵詞】 SC; BIM;CIM;GIS;

【Abstract】 In this paper, the concept and development trends of BIM for building information model is expounded. Secondly, the concept of CIM and GIS, and how to promote BIM to CIM are introduced. Thirdly, their combination is made up of the construction new model of intelligent city in today's world.

【Key words】 BIM; CIM; GIS; intelligent city;

 

0 引言

當今世界智慧城市蓬勃發展,新技術層出不窮,技術發展模式也在不斷創新。我們在跟蹤世界智慧城市技術發展中發現以下特點,即智慧城市核心技術由三部分組成:BIM+CIM+GIS,用示意方程式表示為SC→BIM+CIM+GIS。現寫出來與大家共享,錯誤之處還請大家批評指正。

 

1  BIM的定義

BIM即“建築信息模型”(Building Information Modeling)BIM 是以三維數字技術為基礎,集成了建築工程項目各種相關信息的工程數據模型,是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達。一個完善的信息模型,能夠連接建築項目生命期不同階段的數據、過程和資源,是對工程對象的完整描述,可被建設項目各參與方普遍使用。

狹義的BIM是将BIM理解成像CAD一樣是繪圖及設計的一種手段,這隻是BIM最初級的應用,狹義BIM對應的BIM軟件工具僅指AUTODESK等推出的相應設計軟件。

廣義的BIM是為實現建築數字化、設計建造可視化及運營智能化等目标而産生的一系列工具、過程與方法的集合,是建築科學與IT實踐的交融結合,也是建築業變革的唯一方向。

2  BIM技術國内外應用現狀

2.1  國外現狀

1)美國

美國大多建築項目已經開始應用BIM,BIM的應用點也種類繁多,而且存在各種BIM協會,也出台了各種BIM标準。根據McGraw Hill的調研,2012年工程建設行業采用BIM的比例從2007年的28%增長至2009年的49%,直至2012年的71%。其中74%的承包商已經在實施BIM了,超過了建築師(70%)及機電工程師(67%)應用BIM的比例,BIM的價值在不斷被認可。

2)英國

英國是目前全球BIM應用增長最快的地區之一。2013年3月,英國推出了PAS 1192-2标準。這項标準作為英國政府建設策略的一部分,專門以加強工程交付管理及财務管理為目标,其主要目的是為了在總體上減少公共部門建設近20~30%的費用支出。

2015NBS(National Building Specification)的調查報告更明确指出,英國政府對營建産業的目标,預計于2025年前達成:降低33%的營建初期成本與生命周期間的維護成本;興建與更新工程中減少50%的工期;降低50%的溫室氣體排放量;降低50%建材進出口的貿易障礙。

英國BIM發展的優勢在于:

首先是政府的政策支持。政府要求強制使用BIM的文件得到了英國建築業BIM标準委員會(AEC(UK)BIM Standard Committee)的支持。目前,标準委員會還在制定适用于ArchiACD、Vectorworks的類似BIM标準,以及已有标準的更新版本。這些标準的制定都是為英國的AEC企業從CAD過渡到BIM提供切實可行的方案和程序,例如,該如何命名模型、如何命名對象、單個組件的建模、與其他應用程序或專業的數據交換等等。特定産品的标準是為了在特定BIM産品應用中解釋和擴展通用标準中一些概念。标準委員會成員編寫了這些标準,這些成員來自于日常使用BIM工作的建築行業專業人員,所以這些服務不隻停留在理論上,更能應用于BIM的實際實施。

其次是民間活動繁多。英國在推動BIM上除了政府政策支持外,許多官方組織或民間團體也舉辦各種BIM相關活動來推動BIM的發展。這些活動主要可以分為大型技術研讨會及展覽、小型技術研讨會、政府BIM标準及政策推廣、BIM基本概念推廣、私人公司舉辦的BIM活動等等。

第三是設計公司的自身優勢。英國的設計公司在BIM實施方面已經相當領先了,因為倫敦是衆多全球領先設計企業的總部,如Fosterand Partners、ZahaHadid Architects、BDP和Arup Sports,也是很多領先設計企業的歐洲總部,如HOK、SOM和Gensler。

第四是對BIM教育的重視。英國業界對于BIM人才相當重視,通常會在新人開始工作時給予軟體教育培訓,然而BIM的知識不隻是軟體學習,因此他們希望大學生能在畢業時即具備基本BIM知識與能力。

3)北歐國家

包括挪威、丹麥、瑞典和芬蘭,是一些主要的建築業信息技術的軟件廠商所在地,如Tekla和Solibri,而且對發源于鄰近匈牙利的ArchiCAD的應用率也很高。這些國家是全球最先一批采用基于模型設計的國家,也在推動建築信息技術的互用性和開放标準,主要指IFC。

4)日本、新加坡、韓國

日本建築學會于2012年7月發布了日本BIM指南,從BIM團隊建設、BIM數據處理、BIM設計流程、應用BIM進行預算、模拟等方面為日本的設計院和施工企業應用BIM提供了指導。

2011年,新加坡建築管理署發布了新加坡BIM發展路線規劃,規劃明确推動整個建築業在2015年前廣泛使用BIM技術。

韓國在運用BIM技術上十分領先。多個政府部門都緻力制定BIM的标準,例如韓國公共采購服務中心和韓國國土交通海洋部。

2.2  國内現狀

在過去的20年中,計算機輔助繪圖CAD(Computer A ided Design)技術的普及推廣使建築師、工程師們從手工繪圖走向電子繪圖,這是工程設計領域第一次革命。CAD技術的發展和應用改變傳統的設計方法和生成模式,而且提高設計質量和設計效率。

BIM-建築信息模型,為工程設計領域帶來了第二次革命,是從二維圖紙到三維設計和建造的革命,也是一次真正的建設行業的革命,BIM将徹底改變建設工程的設計、建造和運維方式。

近來BIM在國内建築業形成一股熱潮,除了前期軟件廠商的大聲呼籲外,政府相關單位、各行業協會與專家、設計單位、施工企業、科研院校等也開始重視并推廣BIM。

 

2011年5月,住建部發布的《2011~2015建築業信息化發展綱要》中,明确指出:在施工階段開展BIM技術的研究與應用,推進BIM技術從設計階段向施工階段的應用延伸,降低信息傳遞過程中的衰減;研究基于BIM技術的4D項目管理信息系統在大型複雜工程施工過程中的應用,實現對建築工程有效的可視化管理等。

住建部2016年9月19号《2016-2020年建築業信息化發展綱要》提出,“十三五”時期全面提高建築業信息化水平。着力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、雲計算、物聯網等信息技術集成應用能力,促進建築業在數字化、網絡化、智能化發展方面取得突破,充分發揮信息化的引領和支撐作用,塑造建築業新業态。

目前國内成功運用BIM技術的經典案例有:上海中心大廈、上海迪士尼樂園、國家會展中心、亞洲最大生活垃圾發電廠、廣州周大福金融中心、深圳平安金融中心、天津117大廈、蘇州中南中心、珠海歌劇院、白玉蘭廣場、北京鳳凰傳媒中心。

 

3  CIM的定義

1)城市細胞數據庫

城市智慧模型CIM(City Intelligent Model)是最基礎的城市數據庫。

一棟建築可謂是城市的一個細胞,細胞裡面還有大量的數據和信息,對一個城市運維仍不可或缺,因此,一個靠激光掃描形成的3D輪廓城市建築模型就很有局限,數據量遠遠不夠。通過靠BIM數據庫來實現,數據細度細到建築内部的一個機電配件、一扇門。

從一個整體城市視圖,可以快速定位到一個園區、一棟建築,便可快速查找到一棟建築,獲取所有相關數據。

2)可計算

對城市級數據可計算,才能産生高價值應用。框定一個街區,有多少棟樓,多少建築面積,容積率多少,有多少人口,有多少家單位,擁有多少車輛等大量數據即可以計算出來。

3)定義城市和建築的空間數據

BIM+GIS,将城市的空間數據庫進行了準确的定義。人有二種狀态,一種是去一棟建築的路上,一種是在一棟建築裡。處第一種狀态時,GPS技術(GIS數據庫)将我們已經定位得很清楚,在第二種狀态(即在一棟建築裡),現有技術還無法定位,導緻許多重要應用無法實現。BIM作為室内定位的空間支撐數據庫,為解決這一問題不可或缺。城市GIS模型如圖1所示。

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圖1  城市GIS模型

 

4)所有城市應用數據庫可以與CIM相關聯

人口、教育、城管等所有數據與CIM相關聯,獲得了更高的城市運維效率,也實現了更低成本。現在的各領域數據庫由于與CIM數據庫沒有關聯,無法充分發揮其應用價值,許多重要應用無法實現。

5)城市可視化

可視化可以提升城市運維的效率和管理體驗。

實體建築和城市設施可視化僅是一個方面,所有物聯網過來的數據都是可視的,與CIM是對應的。

6)可感知

所有的物聯網數據與城市空間關聯,數據可視化,快速運維。數據發生在哪裡,一目了然。設定好數據控制參數值,自動提醒和報警,以防止嚴重問題的發生。

7)開放性

經過授權,可以讓相當部門和相關人員使用,産生社會和經濟價值。

8)安全性

安全性相當重要,對數據所有利用都需要監控,以免被惡意利用。

4  CIM的發展

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圖2  智慧城市模型

近來,國内很多專家學者在不同的場合提出了城市智慧模型CIM的概念,這是在智慧城市建設的實踐過程中,不斷摸索、不斷思考、不斷深化的基礎上,逐步提升的全新概念和研究成果。城市智慧模型(CIM)包含了:城市曆史發展和文化形成的智慧,解決城市生活宜居、便捷、安全的智慧,以及城市可持續發展與提升核心競争力的智慧。智慧城市模型如圖2所示。

CIM将數字工程技術的應用維度從單體工程尺度延展到真實的城市尺度和地球尺度,力求依托真實城市的數字鏡像,通過BIM模型的加載和城市三維掃描技術的整合,針對城市規劃、城市市政、城市交通和城市管理等應用層級實現城市動态的高仿真可視化管理。

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圖3  虛拟智慧城市模型

城市智慧模型(CIM)主要用于通過模拟仿真指導智慧城市的建設;同時可用于智慧城市建設成果的評估以及智慧城市的運行管理。虛拟智慧城市模型如圖3所示。

城市智慧模型的建立将繼承城市曆史發展和文化形成的智慧、解決城市生活宜居、便捷、安全的智慧、提升城市可持續發展與核心競争力的智慧。

我國城市管理正從單一管理向綜合治理轉變,迫切需要用科學的理念、方法和先進技術來建設和管理城市。黨的十八屆三種全會決議提出要改進社會治理方式,以網格化管理、社會化服務為方向,健全基層綜合服務管理平台。習總書記提出了深化拓展網格化管理為群衆提供精準有效的服務和管理,要運用大數據技術和網格管理技術确保城市安全和公共服務等要求。我國城市網格化管理從數字城管起步,其萬米單元網格管理法、城市部件管理法和監督、管理、執法分離的創新思想與城市管理實踐有機結合,更新了城市管理觀念,提升了城市管理效率和水平,經過多年持續推廣,已經取得了巨大的社會效益和經濟效益。

另外《國務院辦公廳關于加強地下管線建設管理的指導意見》有關部署,适應新型城鎮化和現代化城市建設的要求,把地下綜合管廊建設作為履行政府職能,完善城市基礎設施。總結國内外先進經驗和有效做法,全面推進地下綜合管廊建設。

政府應開始行動,大力建設CIM平台:

政府已在投巨資進行智慧城市的建設,如果先大力抓CIM的建設,投資收益将多倍增加。政府可以開始制定CIM建設的規劃和步驟,啟動的條件已基本具備。

 

BIM提升為CIM

城市規劃信息模型來源于BIM信息模型,是以三維空間模型為基礎,從控制性詳細規劃到修建性詳細規劃兩個層次建立基于同樣的數據結構并且包含了所有規劃信息的三維和多維模型。具體可以分為兩個層次的定義:控規信息模型和修規信息模型。控規信息模型主要是從地塊入手,以地塊為基本單位,建立包含該地塊所有規劃屬性的信息模型。修規信息模型主要以建築為基本單位,建立該建築單位所有信息的規劃信息模型。

如果我們的規劃管理工作原先落在單體,那麼未來的城市管理一定會落在單體之外的系統。城市是生命體,建築是細胞,從BIM到CIM,應該是一個從細胞到生命體之間的變化。

對于BIM的單個細胞、單體,不能解決我們城市問題,在原來的單體之間,那些聯絡網絡,是CIM要突破的重點,例如:交通流、水流、氣流、固廢物的排洩等等,這些流動在我們的規劃管理中間是很少涉及的,而這塊才是我們CIM的重點,看不見的無形的東西,是我們所需要關注的。

城市中還存在着信息傳遞的神經系統,不可見的人流、信息流、資金流等。整個城市的生命體每天都在更新,相比建築的穩定系統,城市每天都在變化。

現在我們的規劃管理,或許會出現一個突破性進展,那就是百姓參與服務設施管理,不僅僅是規劃局派人去審批,而是社區内每個老百姓都在管着我們的設施。我們國家的轉型期,讓城市走向多元共治。

城市從單體建築,走向全系統運行管理。所有的智能建造,意識,構建,全部整合起來,形成一個新體系。

從“以形定流”走向“以流定型”的群落規劃設計。

我們需要先知道各種的“城市流動”,根據流動,來确定空間的形,這是Smart的關鍵。

(1)把BIM作為CIM的細胞——将建築作為城市細胞。

(2)城市物質子系統建模——建立CIM的工作底闆,多種數據的導入。

(3)城市時空數據的接入例如世博會,模拟100多萬人在世博會,通過模拟,保證世博會的安全。

我們的空間信息多,但是時間信息少,目前我們在做上海出租車數據分析,通過長時間段的連續分析,可以更加詳細的了解城市人的活動狀況。

(4)城市突發事件預警包括自然災害,火災,犯罪等等,能夠及時啟動應急管理預案。

(5)城市藍圖模拟規劃專業的特征,是具有夢想。對藍圖的描繪,通過不同的情景方案,來應對城市彈性與不确定性。

6  GIS

地理信息系統(geographic information system GIS) 是近年發展起來的,已成為處理、分析和可視化空間資料必不可少的工具。

(1)概念

目前,關于地理信息系統的概念存在多種定義。美國聯邦地理資料委員會(FGDC) 所給的定義為“用于輸入、存儲、維護、管理、檢索、分析、綜合和輸出地理信息或以位置為基礎的信息的計算機系統。

(2)組成和特點

GIS 有主要由數據輸入、數據單元轉換(包括數據查詢和數據分析) 以及數據輸出3 個部分組成。GIS 數據由與地理空間位置相關聯的、以地理坐标為定位的多源數據組成,可分為空間數據與屬性數據。來自傳統地圖的數據通常作為一種數據輸入的來源。輸入的數據包括點數據、線特征以及空間多邊形信息(例如土坑位置、道路網或森林面積等)。也有其它的信息來源,例如來自全球定位系統的監測信息、航空圖片、衛星圖片或其它圖片。輸入的數據通常也有一種栅格或矢量格式。所有的數據必須轉換成數字化形式後才能利用GIS 軟件進行分析。GIS 的主要優勢來自于數據單元轉換和分析的可能。數據單元轉換和分析包括輸入資料中數據層坐标系統的轉換、栅格數據向矢量數據轉換、數據提取和疊加、數據管理以及其它内容。最新的數字地圖或模拟地圖,結合GIS 數據庫中的數據,用GIS 的制圖顯示系統将空間數據或屬性數據以及相應的分析結果直觀地以專題地圖或各種圖表的形式顯示出來,得到輸出結果。

強大的空間數據管理能力和分析、顯示功能是GIS 的顯著特點。傳統上,流行病學專家一直采用地圖去分析位置、環境和疾病之間的關系,因為GIS 的空間分析和顯示功能,GIS特别适用于研究位置、環境和疾病之間的關系。GIS 區别于一般信息系統的關鍵在于其處理空間相關數據的能力。在制圖(mapping) 方法方面, GIS 有很大的靈活性,而傳統的制圖方法産生銳利的邊界,因而忽略了連續性的自然特色。GIS用于疾病制圖處理的優勢在于疾病地圖産生及其變化方面的簡單化以及在确定一個實際單位方面更為廣泛的變化,與面向顯示的計算機輔助制圖(CAM) 相比,GIS 不僅具有一般的圖形顯示空間數據的能力,而且具有對圖形的分析能力。

7  智慧城市發展新模式:BIM+CIM+GIS

BIM、CIM、GIS三者結合将成為智慧城市建設新模式。

GIS與BIM的集成:實現了GIS應用領域的拓展與延伸和提升BIM應用價值,同時
采用GIS與BIM集成技術,實現了城市徹底地“數字化”,在徹底數字化基礎上引入城市智慧模型,構建一個虛拟的智慧城市,必将成為智慧城市建設的模式和路徑。

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圖4  智慧城市新模式架構

 

智慧城市建設的CGB(BIM+CIM+GIS)模式:采用3DGIS+BIM與CIM創建一個虛拟的智慧城市,各種符合智慧城市建設的規劃、城市智慧應用解決方案都可以首先在虛拟的智慧城市中得到模拟仿真和分析驗證,并且從中獲取“城市曆史發展和文化形成的智慧,解決城市生活宜居、便捷、安全的智慧,以及城市可持續發展與提升核心競争力的智慧”,用于指導智慧城市建設;同時,基于虛拟的智慧城市進行建設成果評估;在智慧城市運行階段,通過物聯網、移動互聯網與實體城市關聯,實現智慧城市的運行管理。我們有理由相信融合了3DGIS+BIM與CIM的智慧城市建設CGB模式,有助于指導智慧城市建設、評估智慧城市建設成果和運行管理智慧城市。如圖4所示。

基于CIM(城市信息模型)的智慧城市平台以準确的城市三維空間關系為基礎建立城市鏡像,基于基礎信息延伸并建立子系統,同時整合已經存在但遊離孤立的子系統,形成一個循環的交互平台。子系統基于母系統信息建立,其信息并能返回并完善母系統,是一個不斷自我更新的整合平台,能夠在集成平台上綜合處理複雜的城市問題。如圖5所示。

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圖5  智慧城市新模式模型

 

8  參考文獻

[1]. 楊寶明. 從BIM到CIM,上海魯班軟件有限公司,2015.

[2]  藍色星球應用,3D GIS地理信息系統平台,2015.

[3]  吳志強. 從BIM到CIM,同濟大學,2015.

[4] 上海工程勘察設計有限公司. 智慧城市規劃—從BIM到CIM,2015

[5] 張鄰.基于可視化特征提取的數字化城市BIM信息調度模型,2016

[6] 陸偉良,楊軍志,張宜,王鐵,杜昱,徐龍. 數據中心建設BIM應用導論,東南大學出版社,2016

 


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