[營建知訊轉載]BIM與GIS整合應用 回顧與展望 張引玉、謝尚賢 (2018.6)

BIM與GIS整合  有助智慧城市資訊化管理

    城市的迅速擴張與人口增長所造成的衝擊，是當今世界關注的關鍵議題。為了使城市保有競爭力，聯合國提出「永續城市」發展目標，而智慧城市的發展也引領城市為人們提供更高品質的生活。隨著資訊技術的快速發展，對城市進行資訊化管理並提供數位服務也變得非常必要。而建築資訊塑模（Building Information Modeling, 簡稱BIM）與地理資訊系統（Geographic Information System, 簡稱GIS）技術的有效應用，即可成為智慧城市資訊化管理各種不同應用（如數據整合、數量分析、空間管理等）強而有力的支援[1]。

​BIM技術[2]指的是在營建（包括如建築物、橋梁、道路、隧道等）生命週期中，創建與維護營建設施產品數位資訊，以利其工程應用的技術。BIM模型中通常包含了營建標的在全生命週期的工程應用中所需要的數位元件及其工程屬性資訊，這些元件多以參數化的形式定義，對元件的描述也可以根據需求而做得十分細緻。建築工程的全生命週期涉及到的各參與方，都可利用BIM技術進行協同作業，提高溝通協調的效率，來縮短工期，減少因錯誤所造成的返工與損失。GIS技術[3]則是用來採集、存儲、管理、分析和呈現地理空間資訊的系統，對整個地球空間上的資訊進行宏觀的分析與管理，具有極強的空間綜合分析能力，常被用來協助工程規劃設計，還有城市中與地理空間有關的各類管理分析。

    然而，BIM與GIS技術的發展原本是兩條平行線，兩者關注的空間尺度不同，資訊的表達與儲存格式也很不同。但近年來由於智慧城市的議題越來越受重視，此兩種不同尺度的資訊整合需求也與日俱增，因此有越來越多研究探討BIM和GIS的整合應用。本文針對目前智慧城市中BIM和GIS的整合應用進行回顧，重點分析其整合過程中的應用對象、應用階段、整合平台及整合方式。
 
整合方式有三種  可應用於建築物及市政建設

    整合對象是指利用BIM和GIS整合平台來進行研究的某一設施，比如一幢建築物；應用階段是指BIM和GIS進行整合時所處的階段，在規劃設計、營建、運營維護或是拆除階段；整合方式則分為三種不同的情況：將BIM數據提取出來整合到GIS平台，將GIS數據提取出來整合到BIM平台，或是將BIM數據和GIS數據提取之後一起整合到第三種平台之上；整合平台通常是一種軟體系統或是網路平台，可將兩者進行整合應用。圖一展示了截至2017年已發表之相關文獻的分析結果，從中可以看出目前BIM和GIS整合的主要研究方向[4]。

圖一  截至2017年已發表之BIM與GIS整合應用相關文獻的分析結果[4]

    就應用對象而言，大多數的研究選擇建築物作為研究對象，也有部分研究選擇使用基礎設施和市政建設。就應用階段而言，超過半數的整合應用是在運營維護管理階段，也有少數應用在規劃設計階段和營建階段，應用在拆除階段的只有一例。就整合方式而言，主流方向是從BIM系統中提取數據到GIS或是從BIM和GIS系統中分別提取數據到第三方系統，只有極少數是從GIS中提取數據到BIM系統中，也有部分文獻沒有提及他們具體上是如何進行整合。就整合平台而言，最常被選擇使用的是Esri公司的ArcGIS系列、Autodesk公司的Revit、還有研究者自行開發的系統平台。研究者也有些使用Google Earth、Infraworks、Autodesk 360系列、Civil 3D、LandXplorer CityGML Viewer、QGIS和VISSIM，也有不少研究者並未在文獻中寫明自己使用的是何種整合平台[4]。
 
規劃設計、維護管理  提供工程全生命週期應用

    BIM與GIS的整合可應用於智慧城市資訊化管理的很多面向，同時在工程的全生命週期中皆有應用機會。在建築物的規劃設計階段，BIM和GIS的整合通常被用來做建築物的選址、能源設計、交通規劃、結構設計、室內聲學設計、氣候條件評估、建築物設計審查和性能評估。BIM和GIS的整合不僅用在建築物的新建工程，也用在對舊建築物的整修翻新工程。
    在新建工程方面，BIM和GIS的整合應用通常用來協助供應鏈管理和時程管理。在翻新工程方面，BIM和GIS的整合對準備工作和工程決策有很大的幫助。在建築物的全生命週期中，BIM和GIS的整合最多應用在運營維護管理階段，包括古蹟維護、災害應變和風險管理、能源管理、空間導航和設施管理等。在大型項目的拆除中，BIM和GIS的整合可以同時提供BIM模型中的材料資訊以及GIS的地理空間分析能力，藉此來輔助廢棄品的數量估算、分類、裝載及運輸。對於公共基礎設施工程，BIM和GIS的整合通常應用在土方工程模擬、進度管理、施工設備管理、動線評估和設施管理方面。整合了BIM的GIS應用可以支援更大比例尺的區域，比如對一個包含建築物、路網和地下實體的市區進行綜合分析。BIM和GIS的整合在市政建設方面主要應用在專案管理、能源管理、設施管理和緊急反應方面。
 
兩者數據整合  主流轉換格式介紹

    為了實現BIM與GIS數據的整合，很多專家學者將重點聚焦在BIM及GIS兩個領域的標準格式上：工業基礎分類（Industry Foundation Classes，簡稱IFC）和地理標記語言（City Geography Markup Language，簡稱CityGML），進行數據整合的研究。目前主流的轉換格式主要有以下幾種方式[5]：
1.        提出一種使用IFC模型生成CityGML的框架，用以描述轉換時映射的基本構想。但目前沒有具體的轉換映射方法，僅能利用該框架構想的規則算法單向地由IFC模型轉換至CityGML模型[6]。
2.        設計一種中間模型，將IFC與CityGML模型都合併到一個中間模型中，將兩種格式模型中的實體定義擴展到中間模型內。但這種中間模型雖然可以包含IFC模型豐富的語義資訊，很多資訊卻不能轉換為CityGML格式定義的模型，同時這種中間模型沒有對應元件間的映射關係。El-Mekawy等人就設計了一種基於統一建築模型（Unified Building Model，簡稱UBM）的轉換方法，將UBM作為兩種格式轉換的中間模型 [7]。
3.        將IFC模型按照不同的模型細節程度（Level of Details，簡稱LOD）層級轉換為CityGML模型，目前主要的研究集中在LOD1-LOD3層級的模型，而其中LOD1、LOD2層級的CityGML模型中包含的對象很少，且轉換的過程中易丟失很多資訊，因而轉換的應用價值不大；而對於LOD3層級的CityGML模型，現有的轉換方法為基於語義和幾何的映射方法，需要對IFC模型進行大量的幾何運算，過程複雜且耗時長久，轉換時除了經常會出現錯誤外，資訊丟失的情況也很嚴重[8]。
 
目前仍在理論探索階段  未來可結合其他技術發展

    本文針對透過BIM和GIS整合來支援智慧城市的管理及應用相關文獻進行回顧，總結分析各整合過程中的應用對象、應用階段、整合方式以及整合平台，並對目前主流的轉換方式，以及整合後對智慧城市所進行的應用做了整理。目前在BIM與GIS整合應用的方面，無論是對於工程專案的管理還是城市公共基礎設施的研究，還處於理論探索的階段，具體上也尚未有實際廣泛深層的應用。未來BIM與GIS的整合應用應該結合兩種技術自身的特點，針對具體的實際應用需求，尤其是對於非幾何資訊的轉換需求，進行目的性較強的轉換研究。此外，BIM與GIS的整合應用中，可以結合其他技術（如物聯網、大數據等），來增強智慧城市管理的時效性與資料準確性。
 
 
參考文獻

1. Y. Song, X. Wang, Y. Tan, P. Wu, M. Sutrisna, J. C. P. Cheng and K. Hampson, 2017, Trends and Opportunities of BIM-GIS Integration in the Architecture, Engineering and Construction Industry: A Review from a Spatio-Temporal Statistical Perspective, journal of Geo-Information, 6(12), pp. 397-428.
2. 謝尚賢、郭榮欽、陳奐廷、蔡沅澔，2016，透過案例演練學習BIM：基礎篇，臺大出版中心。
3. 湯國安、趙牡丹、楊昕、周毅，2010，地理信息系統，科學出版社。
4. Z. Ma and Y. Ren, 2017, Integrated Application of BIM and GIS: An Overview, Proceedings of Creative Construction Conference 2017 (CCC 2017) at Primosten, Croatia, on 19-22 June 2017.
5. 李佩瑤，2017，從BIM實體模型自動提取多細節層次GIS表面模型的方法，西南交通大學碩士學位論文。
6. U. Isikdag and S. Zlatanova, 2009, A SWOT analysis on the implementation of BIM within geospatial environment, proceedings of Urban and Regional Data Management, CRC Press.
7. M. E1-Mekawy, A. Stman and K. Shahzad, 2011, Towards Interoperating CityGML and IFC Building Models: A Unified Model Based Approach, Proceedings of Advances in 3D Geo-Information Sciences, Springer, Berlin Heidelberg 2011, pp. 73-93.
8. C. Nagel and T.H. Kolbe, 2007, Conversion of IFC to CityGML, Meeting of the OGC 3DIM Working Group at OGC TC/PC Meeting 2007 at Paris, France, on 10 July 2007.

轉載自營建知訊425期頁61-66。