建筑信息模型+地理信息系统技术在智慧校园中的应用研究
发布时间：2019-11-13
摘 要：我国的高校信息化建设虽然已经走过了近30年，但是其中仍然存在着许多问题，比如数据信息丢失、管理二维化、静态化等。而由建筑信息模型化(BIM)技术和地理信息系统(GIS)的深度 结合形成的智慧校园管理平台，将能在智慧校园的全寿命周期内，起到信息共享、三维动态管理的作用，极大的提高了智慧校园在规划、建造、管理、灾害预警、人流疏散、基础设施重建等问题上的智能程度。基于此，以西南石油大学(成都校区)为例，用文献分析法、问卷调查法等方法，重点分析了基于BIM+GIS技术的管理平台在校园智慧管理中的作用。
关键词：BIM GIS 智慧校园 管理平台
一、引 言
我国高校信息化经过了近30年的发展，校园的信息化建设经历了以单机信息系统为特征的单一数据库阶段、以网络建设为重点的校园局域网络建设阶段、以电子校务系统建设与集成为中心的数字化校园建设阶段。今年来，随着信息化建设的逐渐推进，智慧校园的发展也受到了各个学校的重视。
2012年，黄荣怀等[1] 提出了智慧校园的基本定义，智慧校园(Smart Campus)是指，以大数据、云计算、物联网等先进的信息技术为基础，以各种应用服务系统为载体，联合先进的教育理念，构建出集教学、科研、管理和生活为一体的智能化和智慧化校园环境。
2014年，王燕[2] 指出，智慧校园建设和发展中的瓶颈主要是学校原有的构架，而建立统一管理平台可以解决这一问题。也就是说，结合元计算和物联网的平台，最主要的优势在于可以实现比数字化校园更高程度的智能化，打破原有学校管理构架的瓶颈，满足学校教职工师生对管理、教学等多方面的需求。她同时指出智慧校园的关键技术是：云计算、物联网、大数据、移动互联网、社交网络服务。
2015年，吴旻瑜、刘欢、任友群[3] 指出，现阶段应该以数据技术为核心，形成智慧校园建设的新阶段。其主要目 的 是 实 现 从 IT(Information Technology) 到 DT(Data Technology)的快速跨越，这不仅是技术层面的跨越更是思想层面的跨越，最终形成以云网端为核心的智慧校园技术新形态。
2016 年，蒋东兴[4] 认为，建设智慧校园是一个长期的、不断演进的过程，需要建立智慧校园成熟度模型，以便于观测智慧校园的建设过程，并评价其发展水平。
同年，立陶宛的 Cepurnaite, Jovita[5] 在研究中指出，建筑扫描技术和建筑信息模型化(BIM)技术的结合，是三维可视化技术和建筑工业化、流程化的结合，并经过实践证明了该举措可以在建筑物施工和翻新的过程中，更大程度的节约工期、提高施工效率、减少能源的损耗。
2017年，徐卫星、周悦[6] 指出，BIM技术从工程项目初步设计到施工图设计、施工建造，以及运营维护整个全寿命周期中，都能实现模型信息的不断完善并无损传递，故而BIM和地理信息系统(GIS)的深度结合，可以使 BIM 模型中的信息数据在全寿命周期中实现微观和宏观上的全面整合共享，大大提高了基于GIS技术的城市管网的规划管理、检测与评价、灾害预警和损失评估等方面的智慧化程度。熊桂开、朱丽丽、薛梅[7] ，在重庆市港城工业园区城市路网优化设计中，通过多源数据获取集成，运用GIS+BIM技术的深度结合模型，提高了山地城市路网设计的科学性和合理性，构建了以道路等构筑物的三维信息模型，实现了优化后的路网与周边的地形地貌、城市发展的完美融合，节省工程投资3.46亿元。
同年，姜晓梅[8] 也在论文中指出，现有的智慧校园信息系统存在着信息过载的缺陷，并且缺失了针对每个师生个体情况的针对性，所以应该针对每个师生的情况，通过大数据分析后，制定智慧校园个性化推送系统。
2018年，刘邦奇[9] 指出，智慧校园的核心技术策略应从网络融合、数据融合、平台融合、业务融合、服务融合等 5 个方面进行深度融合，实现智慧校园的创新发展。李有增[10] 提出了要打造“6A6C”智慧校园的概念，“6A” 指的是任何人可以在任何时间、任何地点通过任何通讯设备均能享受到学校的课程和服务;而“6C”则是指从学习、管理、创新、服务、安全、后勤等6个方面提出的6个目标。并且得出了智慧校园的建设，不仅仅是校园信息化建设的一个进阶，更应该是在全国高校“双一流”建设浪潮的大背景下的，涉及高校教学、管理、服务模式大变革的这一结论。
基于以上背景，可以看出现行的智慧校园以大数据、云计算为核心，基于物联网、BIM等技术，主要面向全体师生互动，其内容涉及教育、管理、后勤、安全、创新等多方面内容。数字校园是智慧校园发展的基础，通过对校园各类信息的数字化，形成虚拟校园信息系统，将信息导入到智慧管理平台后，结合智能感应器，数字校园和智慧应用相互影响，最终形成整个智慧校园系统。
但现行的智慧校园技术，对校园的空间形态和使用情况只是粗略的进行了数字化，只在"大体上"了解校园信息，拘于二维和静态的层面;而忽视了校园本身是一个不断发展变化的有机整体，其本身就具有动态的三维属性。
BIM、GIS技术的出现，为校园智慧化提供了一个更优的解决方案。将BIM+GIS模型相结合，输入不同的信息数据后，形成智慧校园管理平台，结合物联网、大数据、虚拟现实等技术，将能实现校园管理从静态到动态、从二维平面到三维空间、从粗略把控到精细化掌握的飞跃改变，这是一种全新的设计思路和超前的管理目光在校园管理中的运用。本文将以西南石油大学为例，验证这一平台使用的具体效果情况。
二、BIM+GIS智慧校园管理平台建立
为了构建BIM+GIS平台，首先要做的就是分别建立 BIM和GIS模型，这两者所需要的软件并不相同，可以先在不同的软件中建立模型，再通过第三方软件将模型提取其两者的优势之处，BIM模型的微观精细信息技术和 GIS模型的宏观领域的信息技术，将两者结合起来，可以有效的进行地上到地下，宏观到微观的信息共享，进行综合化管理。BIM+GIS的模型建立流程，如图1所示。
图1中其他信息指的是，智慧校园的管理平台涉及多个领域、多个服务对象，是一个多维度、动态的信息综合管理系统，需要将多方面的信息输入到模型中，以形成智慧校园管理平台，为平台发展和管理提供有效的信息数据，最终形成的BIM+GIS智慧校园管理平台包含的内容是多方面的，主要包括：学校的自然环境信息、地上建筑物信息、地下建筑物信息、地下管网信息、人流量信息、车流量信息等。
1. 工程概况
西南石油大学(成都校区)，位于成都市新都区新都大道8号，总面积2000余亩，一期工程(总面积850亩)，主要建筑物有：图书馆(总建筑面积29410m2 )、思学楼、博学楼、国家重点实验室、食堂、体育场、学生宿舍及教职工宿舍;二期工程(1200 亩)，主要建筑物有：艺术大楼、明志楼(总建筑面积30800m2 )，明理楼、明辨楼、明德楼、本科实验楼、二期食堂、网羽中心、二期图书馆、体育场、学生宿舍及教工宿舍等。
2. GIS模型建立
GIS 模型的建立流程如图 2 所示。首先，利用大疆无人机(Phantom 4 Pro)和手持式扫描仪等仪器，结合地面站，通过无人机航拍影像(正射影像)、倾斜摄影等方式进行近地面遥感数据采集。
因西南石油大学(成都校区)面积过大，建筑物之间高低差过大，在120米航高对整个校区进行较大范围数据采集后，针对重点、难点区域降低航高、分区域飞行的方式进行了更高精度、更高分辨率的二次数据采集。数据采集完成后，利用地面站软件为任务中的每张照片匹配相应的坐标，将航拍任务中采集到的所有照片直接导出，使用自动化三维实景建模软件 ContextCapture(原 Smart3D)进行照片的正射处理、三维模型的自动重建，再利用第三方软件(Geomagic Studio)进行模型的修饰。最后将所得的所有三维模型成果瓦片导入ArcGIS 进 行 拼 接 ，最 终 得 到 所 需 DOM(Digital Orthophoto Map)、DSM(Digital Surface Model)等成果产品。
3. BIM模型建立
根据学校中建筑物的传统建筑图纸，利用revit2017 软件，构建建筑物的整体BIM模型。绘制过程中，将建筑物的详细信息导入到建筑物中，如构建所用的具体材料，具体的施工单位等具体的信息数据。其中，BIM模型的建立的流程图，如图3所示。[11]
通过第三方软件3D MAX，将每一栋建筑物的精细化模型加载到GIS模型中去，一对一无缝替换GIS模型中的建筑物扫描模型，这样最终形成的模型中，就不仅有非常全面广阔的GIS地理信息系统，还具有详细可靠的BIM建筑物信息。例如，将相关设备、设施的名称、制造商、厂商电话、安装时间、成本、设备负责人及联系方式、房间信息与模型进行关联。在建筑项目运营过程中可随时进行查询，待其发生故障或损坏时能够快速获取相关信息，如图4所示。
最后，再将搜集到的其他相关信息，如：人流量、车流量、物联网数据等信息，导入到模型中去，就得到了 BIM+GIS智慧校园模型，如图5所示。
4. BIM和GIS相互整合，构建管理平台
基于已经完成的地上地下、内外兼具的GIS模型和 BIM 模型，利用 3DMax2018 软件，选定定位点，将得到的 BIM 和形成的 GIS 整体模型中的建筑物模型一对一无缝对接。选择 3DMax2018 软件的原因，一是因为其良好的数据兼容性，它可以直接使用 revit 软件形成的 RFA格式文件进行导入编辑，二是因为其对大范围建筑群编辑所拥有的良好的流畅性，这是revit2017软件所不具备的。
将BIM+GIS模型建立好后，各部门就可以分别将其他数据导入到模型中形成智慧校园管理平台，例如图6 所示：设备信息、人流量信息、车流量信息、气温信息、课程安排信息等。各类信息导入完成后，平台建立完成，各部门反过来可以使用平台上的信息进行运维管理。
三、BIM+GIS智慧校园管理平台应用
为了验证BIM+GIS智慧校园管理平台应用结果，本文选择西南石油大学(成都校区)明志楼能耗控制作为模板进行分析。明志楼位置为成都市，利用成都气象站编号502035信息，知教学楼一年中室外温度最高温度为 38摄氏度，最低为-2摄氏度，建筑面积为14366 m²，外墙面积为7537 m²，外窗比例为0.23;经过资料查询，成都用电成本与燃料成本分别为0.86元/度，1.89元/m³。
1. 空调系统优化
经后勤处提供的明志楼全年耗电量数据分析后可得，如图7所示，明志楼全年耗电量为4155.88 KW/h，其中HVAC占总耗电量的78%，照明占耗电量的10%，其他设备占 12%，仅空调系统一年的耗电量就有 3234.922 KW/h，每年因为产生的碳排放量为1577吨，对环境造成了极大的破坏。为了解决这一问题，学校决定对明志楼空调系统进行改进。
在围护构造以及其他建筑图元性能参数不变的情况下，采用不同的空调系统对明志楼进行能耗模拟分析比较;以12 SEER/7.7 HSPF分体式/整体式热泵为基准分别比较二管制风机盘管系统，冷水机组5.96 COP，锅炉效率84.5;二管制风机盘管系统，冷水机组5.96 COP，锅炉效率84.5;中央VAV，电阻加热，冷水机组5.96 COP;中央VAV，HW加热，冷水机组5.96 COP，锅炉效率84.5 (默认值)。其中，比较结果见图8，可以明显的看出中央 VAV，电阻加热系统的能耗和碳排放量较之其他3种最低，故选择第3个方案作为空调系统的优化方案，在平台中空调系统优化成果，如图9所示。
2. 优化结果
经过BIM+GIS管理平台优化设计以后的中央空调系统，较之以前的单体分箱式空调系统，能耗降低了 12.59%，碳排放量降低了12.69%，如此，根据《四川省发展和改革委员会关于降低四川电网目录销售电价合理调整电价结构有关事项的通知》(川发改价格〔2017〕379 号)计算可得，重新设计后的空调系统一年节约电量 408.116KW/h，节约资金38243.26元。
四、结 语
智慧校园平台的具体实践作用并不局限于本文中所示的例子，经过在西南石油大学的实践，它还适用于如下的情况：
(1)通过人流量疏散管理系统，结合教务处学生数量等数据，合理规划学校课程安排，使上课教室的安排能更有利于突发情况下的疏散。
(2)通过对明志楼模型的光照分析，结合光敏电阻的使用，合理控制教室、办公室照明电量，一年节约耗电量32919.18 KW/h，节约资金17667.91元。
(3)经过车流量分析、问卷调查等方案后，计算出停车场空余车位和空余时间段[12] ，引导车辆正确停车。并且利用模型数据交叉分析，对新能源停车位布设方案进行优化，为学校节约资金28.35万元。
现阶段的智慧校园虽然有了一定的发展，但仍然存在着许多的不足，智慧校园的发展不是一蹴而就的，需要系统性的、因地制宜的全面动态规划发展。基于 BIM+GIS技术的智慧校园管理平台灵活的构建方式，可以适用大多数情况下智慧校园发展情况。
平台中信息的录入和使用涵盖于智慧校园的全寿命周期，学校管理部门、设计师、政府管理部门，都可以利用这一大范围、高精度的、多信息一体化的平台，对整个校园进行动态的、高精度、可视化的的管理。
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