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2013年,中国建筑科学研究院部分专家学者在天津某项目实践中提出了UIM(Urban Information Model,城市信息模型)的概念。UIM是BIM从单一建筑到建筑群、再到城市的延伸。借助UIM,城市管理者能够以城市模型为载体,实现从微观到宏观的城市管理和建设规划。
UIM平台应具备六大特征
UIM强调城市所有信息的数字化,这其中包括城市地理数字信息、建筑工程数字信息、基础设施数字信息等,从而实现各种城市数据的深度整合和应用。
UIM的主要意义,是优化数字城市规划。数字城市规划的主要目标有三个:第一,分解、落实、微调控制性详细规划和城市设计中的关键性指标;第二,提出规划区出让土地的开发功能和应用需求;第三,提出核心区各类型地块的数字城市要求和各种指标。
UIM平台是一个三维基础地理信息平台,用户可以在平台上加载各种地理、地籍信息和业务属性信息。通过与各类空间数据库及数据生产平台的结合,UIM平台就可以作为测绘部门、国土部门等需要进行城市级基础数据维护和管理平台。因此,UIM平台应该具备以下特点:
第一,对城市地理数据的采集和对现有数据的利用能力。UIM平台首先要建立在完善的城市地理信息模型的基础上,具有准确、高效的城市地理信息测绘能力。同时,对于现有的大量测绘数据,如二维CAD电子图纸信息和测绘的点云数据信息,具有识别消化的能力,从而支持城市地理信息模型的高效建立。
第二,对城市内建筑和各项基础设施信息的采集和承载能力。以UIM为核心的数字城市数据维护平台与传统三维城市模型的最大不同就在于,其承载了丰富的建筑和基础设施的数字信息。所以,UIM平台必须具备BIM信息的处理能力,从而实现对城市内建筑和基础设施模型的采集和存储。
第三,对海量数据的存储能力。传统三维城市模型的数据量就已相当庞大,再加上各个建筑和基础设施的数字信息,UIM平台的数据量之大可想而知。这就要求平台必须具备对大数据的处理能力,支持云计算技术。
第四,对各类数据的整合、共享能力。UIM平台上的数据不仅量大,而且种类繁多。单是建筑数据包含结构、设备等信息,还要结合城市级别的地理信息、管线信息等。如果各类数据之间不能整合、共享,而是形成各种信息孤岛,海量数据的存储也就失去了意义。所以,平台建立的技术体系必须具备的各类数据的兼容和传递能力,从而实现数据的整合、共享。
第五,进一步开发应用的拓展能力。UIM平台主要用于支撑科学的城市规划、管理和运营,这就要求平台具备一定的开放性,已备后续各类应用的研发和应用。
第六,支持数字信息的可视化。作为一个最终服务于城市规划、建设和运营的信息化平台,对于UIM平台来说,数据的可视化和数据完整性、准确性同样重要。
自上而下 以点带面
在一定层面上,可以说UIM平台是将GIS技术和BIM技术的整合。在平台建设的技术路线上看,存在以GIS为核心的“自上而下”和以BIM为核心的“自下而上”两种技术路线。选择后者作为UIM平台建立的技术路线更为合适,因为UIM数据是以BIM信息为主导的。选择从BIM出发,自下而上、以点带面构建UIM平台的技术路线有利于平台便捷、完整地获取BIM的信息,并实现信息的整合。城市层面信息系统的建立和整合工作可以借鉴建筑单体信息系统建立和整合的模式,难度大大降低。反之,如果以GIS为主导, 将BIM信息载入GIS模型就会带来大量的工作。GIS平台对BIM信息的兼容能力也有限。
BIM平台建设的关键在于BIM核心建模软件的选择。目前常用的BIM核心建模软件包括Autodesk公司的Revit系列软件、Bentley公司的Bentley系列软件、Nemetschek Graphisoft公司的ArchiCAD软件和Gery Technology Dassault公司的CATIA软件四种。
其中,后两种软件在国内建筑设计领域不具备全专业协同的能力,而是在建筑专业各有所长,不适合作为UIM平台建立的基础。前两种软件,即Revit建筑、结构和机电系列软件和Bentley建筑、结构和设备系列软件都具有全专业的协同能力,可以构建信息完整的BIM数字模型。
然而扩展到整个城市领域,Bentley产品在工厂设计和基础设施领域均具有较大的优势。对于UIM平台的建立,Bentley产品在多领域和全协同方面具有明显优势。
相比其他BIM软件,Bentley系列软件优势在于功能涵盖了城市建设的各个领域,而且系列中不同软件的数据可以实现无缝对接。
Bentley系列软件涉及的领域包括测绘、建筑、道路交通、工厂设施和市政系统等。针对每一个领域,Bentley都有相应的设计和数据分析软件与之对应。不同类别的软件可以支持本领域内项目的三维设计、建模、可视化、文档制作和测绘工作。最为重要的是,各个针对不同类别的设计分析软件均可整合在Bentley公司的MicroStation平台之下。这就为各类不同类型的设计数据的共享、互通提供了支持。这种数据之间的共享、互通是UIM平台建立的必要条件,从而保证城市各个部分之间信息的通畅。
在对GIS信息的采集和实景建模方面,结合徕卡测量系统在其无人机和载人航空器的高端倾斜航拍技术使用Bentley实景建模软件Acute3D可以从航空摄影测量的影像中生成全三维实景网格。其测绘结果可以用于设计建模和施工环境建模,结合Bentley各类设计建模软件的BIM模型,就可以生成整个区域的数字城市信息模型。
在数据的存储和传递方面,Bentley的ProjectWise平台可以实现设计数据、施工数据到后期运行维护数据的无缝对接,从而保证UIM平台中的各类设计数据可以准确导入平台中。全新的PorojectWise Connect版还支持云计算技术,从而强化了数据的实时更新能力和大数据的处理能力。
可见,Bentley系列软件具有涵盖范围广、数据共享便利、大数据处理能力强等优势,基本满足了UIM平台建立的要。在此基础上,还要结合最新的测绘、云计算和物联网等技术,才能真正支持UIM平台的建立。
三步建立UIM平台
如果采用Bentley系列软件来构建UIM平台,需要通过3步来实现:
第一步,信息采集。利用倾斜摄影、无人机航拍、街拍和卫星遥感等技术手段,获取真实、准确的城市地上设施基础数据,利用实景建模软件Acute3D完成对城市地理信息的建模工作。利用微爆破、钻探、挖探和微波勘测等技术手段,就城市主要道路下管网和地理结构进行探测,完成城市地下情况勘测,利用Bentley相关市政管网软件建立城市地下管网设施模型。收集城市建设信息和民生信息,基于基础功能目标,分类、分级收集整理主要民生信息,如人口、气候、能源、能耗、医疗和交通等,加载于城市地理信息模型之上。此外,还要收集城市重要单体建筑或重大基础设施的数据,包括城市内建筑物的物理信息,如结构、电器、设备、材料、预算、建设程度、房屋质量、高度、建筑风貌、使用情况和租售情况等全部建筑物理信息。
第二步,模型建立。利用MicroStation平台下的各类设计软件完成城市地上、地下基础信息模型和整体城市数据模型的建立:对单体建筑物进行拆分,建立分类、分级规则;分级加载民生和建设信息,形成大数据城市模型;完成基础数据的收集、定位和策划后,根据这些基础信息,分阶段度、分深度建立信息模型。此阶段工作主要由规划建筑设计机构或专业数据模型公司着手,建立BIM单体建筑、建筑群UIM模型。由于城市涵盖庞大的地域面积,因此模型的建立必须分片区、分步骤、分阶段,按照具有代表性的构筑物、老旧城区市政基础设施管网→城市干道→核心片区→整个城市的顺序完成BIM模型构建。
第三步,信息链接。基于ProjectWise平台的信息共享和传送能力,坚持图形、数据分离的原则,研究和落实信息链接的规则,保证信息与实体模型一一对应。UIM模型的构建和前期的BIM模型搭建一样,要分片区、分步骤、分阶段进行,包含城市地形、城市建筑、城市交通、开放空间和地下管网等,完完全全反映出该城市的风貌。
UIM平台应具备六大特征
UIM强调城市所有信息的数字化,这其中包括城市地理数字信息、建筑工程数字信息、基础设施数字信息等,从而实现各种城市数据的深度整合和应用。
UIM的主要意义,是优化数字城市规划。数字城市规划的主要目标有三个:第一,分解、落实、微调控制性详细规划和城市设计中的关键性指标;第二,提出规划区出让土地的开发功能和应用需求;第三,提出核心区各类型地块的数字城市要求和各种指标。
UIM平台是一个三维基础地理信息平台,用户可以在平台上加载各种地理、地籍信息和业务属性信息。通过与各类空间数据库及数据生产平台的结合,UIM平台就可以作为测绘部门、国土部门等需要进行城市级基础数据维护和管理平台。因此,UIM平台应该具备以下特点:
第一,对城市地理数据的采集和对现有数据的利用能力。UIM平台首先要建立在完善的城市地理信息模型的基础上,具有准确、高效的城市地理信息测绘能力。同时,对于现有的大量测绘数据,如二维CAD电子图纸信息和测绘的点云数据信息,具有识别消化的能力,从而支持城市地理信息模型的高效建立。
第二,对城市内建筑和各项基础设施信息的采集和承载能力。以UIM为核心的数字城市数据维护平台与传统三维城市模型的最大不同就在于,其承载了丰富的建筑和基础设施的数字信息。所以,UIM平台必须具备BIM信息的处理能力,从而实现对城市内建筑和基础设施模型的采集和存储。
第三,对海量数据的存储能力。传统三维城市模型的数据量就已相当庞大,再加上各个建筑和基础设施的数字信息,UIM平台的数据量之大可想而知。这就要求平台必须具备对大数据的处理能力,支持云计算技术。
第四,对各类数据的整合、共享能力。UIM平台上的数据不仅量大,而且种类繁多。单是建筑数据包含结构、设备等信息,还要结合城市级别的地理信息、管线信息等。如果各类数据之间不能整合、共享,而是形成各种信息孤岛,海量数据的存储也就失去了意义。所以,平台建立的技术体系必须具备的各类数据的兼容和传递能力,从而实现数据的整合、共享。
第五,进一步开发应用的拓展能力。UIM平台主要用于支撑科学的城市规划、管理和运营,这就要求平台具备一定的开放性,已备后续各类应用的研发和应用。
第六,支持数字信息的可视化。作为一个最终服务于城市规划、建设和运营的信息化平台,对于UIM平台来说,数据的可视化和数据完整性、准确性同样重要。
自上而下 以点带面
在一定层面上,可以说UIM平台是将GIS技术和BIM技术的整合。在平台建设的技术路线上看,存在以GIS为核心的“自上而下”和以BIM为核心的“自下而上”两种技术路线。选择后者作为UIM平台建立的技术路线更为合适,因为UIM数据是以BIM信息为主导的。选择从BIM出发,自下而上、以点带面构建UIM平台的技术路线有利于平台便捷、完整地获取BIM的信息,并实现信息的整合。城市层面信息系统的建立和整合工作可以借鉴建筑单体信息系统建立和整合的模式,难度大大降低。反之,如果以GIS为主导, 将BIM信息载入GIS模型就会带来大量的工作。GIS平台对BIM信息的兼容能力也有限。
BIM平台建设的关键在于BIM核心建模软件的选择。目前常用的BIM核心建模软件包括Autodesk公司的Revit系列软件、Bentley公司的Bentley系列软件、Nemetschek Graphisoft公司的ArchiCAD软件和Gery Technology Dassault公司的CATIA软件四种。
其中,后两种软件在国内建筑设计领域不具备全专业协同的能力,而是在建筑专业各有所长,不适合作为UIM平台建立的基础。前两种软件,即Revit建筑、结构和机电系列软件和Bentley建筑、结构和设备系列软件都具有全专业的协同能力,可以构建信息完整的BIM数字模型。
然而扩展到整个城市领域,Bentley产品在工厂设计和基础设施领域均具有较大的优势。对于UIM平台的建立,Bentley产品在多领域和全协同方面具有明显优势。
相比其他BIM软件,Bentley系列软件优势在于功能涵盖了城市建设的各个领域,而且系列中不同软件的数据可以实现无缝对接。
Bentley系列软件涉及的领域包括测绘、建筑、道路交通、工厂设施和市政系统等。针对每一个领域,Bentley都有相应的设计和数据分析软件与之对应。不同类别的软件可以支持本领域内项目的三维设计、建模、可视化、文档制作和测绘工作。最为重要的是,各个针对不同类别的设计分析软件均可整合在Bentley公司的MicroStation平台之下。这就为各类不同类型的设计数据的共享、互通提供了支持。这种数据之间的共享、互通是UIM平台建立的必要条件,从而保证城市各个部分之间信息的通畅。
在对GIS信息的采集和实景建模方面,结合徕卡测量系统在其无人机和载人航空器的高端倾斜航拍技术使用Bentley实景建模软件Acute3D可以从航空摄影测量的影像中生成全三维实景网格。其测绘结果可以用于设计建模和施工环境建模,结合Bentley各类设计建模软件的BIM模型,就可以生成整个区域的数字城市信息模型。
在数据的存储和传递方面,Bentley的ProjectWise平台可以实现设计数据、施工数据到后期运行维护数据的无缝对接,从而保证UIM平台中的各类设计数据可以准确导入平台中。全新的PorojectWise Connect版还支持云计算技术,从而强化了数据的实时更新能力和大数据的处理能力。
可见,Bentley系列软件具有涵盖范围广、数据共享便利、大数据处理能力强等优势,基本满足了UIM平台建立的要。在此基础上,还要结合最新的测绘、云计算和物联网等技术,才能真正支持UIM平台的建立。
三步建立UIM平台
如果采用Bentley系列软件来构建UIM平台,需要通过3步来实现:
第一步,信息采集。利用倾斜摄影、无人机航拍、街拍和卫星遥感等技术手段,获取真实、准确的城市地上设施基础数据,利用实景建模软件Acute3D完成对城市地理信息的建模工作。利用微爆破、钻探、挖探和微波勘测等技术手段,就城市主要道路下管网和地理结构进行探测,完成城市地下情况勘测,利用Bentley相关市政管网软件建立城市地下管网设施模型。收集城市建设信息和民生信息,基于基础功能目标,分类、分级收集整理主要民生信息,如人口、气候、能源、能耗、医疗和交通等,加载于城市地理信息模型之上。此外,还要收集城市重要单体建筑或重大基础设施的数据,包括城市内建筑物的物理信息,如结构、电器、设备、材料、预算、建设程度、房屋质量、高度、建筑风貌、使用情况和租售情况等全部建筑物理信息。
第二步,模型建立。利用MicroStation平台下的各类设计软件完成城市地上、地下基础信息模型和整体城市数据模型的建立:对单体建筑物进行拆分,建立分类、分级规则;分级加载民生和建设信息,形成大数据城市模型;完成基础数据的收集、定位和策划后,根据这些基础信息,分阶段度、分深度建立信息模型。此阶段工作主要由规划建筑设计机构或专业数据模型公司着手,建立BIM单体建筑、建筑群UIM模型。由于城市涵盖庞大的地域面积,因此模型的建立必须分片区、分步骤、分阶段,按照具有代表性的构筑物、老旧城区市政基础设施管网→城市干道→核心片区→整个城市的顺序完成BIM模型构建。
第三步,信息链接。基于ProjectWise平台的信息共享和传送能力,坚持图形、数据分离的原则,研究和落实信息链接的规则,保证信息与实体模型一一对应。UIM模型的构建和前期的BIM模型搭建一样,要分片区、分步骤、分阶段进行,包含城市地形、城市建筑、城市交通、开放空间和地下管网等,完完全全反映出该城市的风貌。