3D GIS的应用新趋势：BIM

GIS领域着重巨观与地理空间资讯之相关应用，再加上3D塑模(3D Modeling)受限於无法取得建物内部的详细资讯，致使多数人对於现今3D GIS或3D塑模的认知多停留在用以查看立体地理资讯、呈现建物外观及其地理位置或结合虚拟实境技术进行特定空间的导览等狭隘的应用；AEC (Architecture 建筑、Engineering 工程设计、Construction 建造) 领域着重於建物内部详细资讯此类微观空间资讯之记录与管理，但无法透过网际网路交换与交互操作(Interoperate)建物资讯或外部环境资讯(如地形、邻近建物、管线设施等)，达到对外提供建物资讯或整合外部资讯以辅助建物规划设计所需等目的。
為使巨观空间资讯与微观空间资讯得以交互操作发挥加乘的效果，国际间致力於整合AEC领域与GIS领域巨观与微观地理空间资讯，国际标準组织OGC(Open Geospatial onsortium)并於2006年执行OWS-4(OGC Web Services-Phase 4)提出CGB(CAD-GIS-BIM)架构，并发展相关技术标準以达到整合巨观空间资讯与微观空间资讯进行交换与交互操作，提供城市数位化、建物评估选址、救灾等相关应用。
本文首先阐述3D GIS目前现况及其未来应用与发展方向，并说明AEC领域所提出的BIM相关观念，包括BIM的定义与源起、BIM与流程改造的关係、BIM带来的效益及BIM相关的资讯交换标準，提供初次接触BIM的人员概略性的认知与瞭解；并说明OGC為整合AEC领域与GIS领域所进行的CGB相关发展与技术及应用情境，说明CAD-GIS-BIM整合的实际运\作方式以及应用CGB的重要性与发展性，期使為国内在思索3D GIS未来的应用与发展趋势时，提供新的方向与契机。
前言
3D GIS一直以来致力於取得、保存、管理、分析及忠实呈现巨观的地理环境，并透过3D塑模(3D Modeling)的技术立体呈现概化的建物外观及建物地理位置，由於无法进一步取得建物内部的详细资讯(如室内格局、各种管线及设施配置与材质等)或建物其他相关资讯(如建置成本、承包商、设计变更等)，致使多数人对於现今3D GIS或3D塑模的认知多停留在用以查看立体地理资讯、呈现建物外观及其地理位置或结合虚拟实境技术进行特定空间的导览等狭隘的应用。
若将城市进行数位化，透过城市数位化的过程留存整个城市所有建物资讯(如室内格局、各种管线及设施配置与材质、施工歷程资讯等)、地理环境的资讯(如道路、地形、週边环境)及基础建设(如地下水管、污水、天然气、电力及电信系统)，只需要点选该栋建筑物或公共设施，即可查看所有跟该栋建筑物或公共设施的资料，此外，还可以数位化过程中所取得的各种资料為基础，交互操作各种资料进行分析与模拟，提供各级政府机关在进行都市更新、公共设施选址评估、救灾或施工等决策的参考依据。
试想，地方政府或营建单位进行新的公共建设评估时，可在数位城市裡直接加上该栋建筑物，模拟该栋建筑物完工后对週遭环境的影响；或者，当电力公司在施工变更管线前先在数位城市上变更设计，即可马上模拟出变更管线后配置；又或者，消防单位可依据建物週边环境、道路条件、内部配置、消防设备配置情况模拟演练各种救灾情境，并可在救灾当下依实际情况调整救灾资源的调度等应用。
上述建筑物或公共设施的各种资料来源需仰赖AEC领域的建筑师、设计师、採购人员、施工人员等专业人员依其所负责的工作项目建立自有专业之资讯，如工程图、採购细目等，传统做法是以电脑辅助绘图(CAD)记录建物的几何形状、空间关係、地理资讯等图形化资讯，其他如工作进度、外在环境条件、材质、费用等非图形化的资讯则另以其他资讯系统处理。BIM的出现不仅可整合上述建筑物的图形化及非图形化资料，提供虚拟实境模型，并纳入流程的观念，降低规划、设计、施工、营运\各阶段移转建物工程计画的资讯遗漏问题。
简而言之，CAD是用以绘製建物、BIM是用来整合及管理建物本身所有歷程资讯、GIS则是整合及管理建物外在环境资讯，OGC在2006年执行OWS-4时发展出CGB架构，用以整合AEC领域的微观资料(CAD/BIM资料)与GIS领域的巨观资料进行交换与交互操作，满足查询与分析巨观与微观地理空间资讯的功能，进一步实现城市数位化的各种需求与应用。后续分别探究BIM、CGB(CAD/GIS/BIM)及CGB如何应用於3D GIS领域。
BIM简介
一、何谓BIM
BIM的概念起源有两种说法，一是源自於Autodesk的3D、物件导向及AEC领域专属CAD的概念；二是源自於美国乔治亚理工学院的Eastman於1970年代末期提出的建物资讯模型(Building Information Model)，直到1987年Laiserin推广BIM的概念并以数位化的资讯格式交换与沟通建物建造过程的资讯，才逐渐让BIM受到重视并广為人知，依据Laiserin文献记载，BIM的第一个实作案例出现在1987年的Graphisoft\s ArchiCAD。
BIM同是建物资讯模型(Building Information Model)及建物资讯塑模(Building Information Modeling)的简称，建物资讯塑模意指建物整个生命週期期间(规划、设计、施工、营运\、改造阶段)產生及管理建物资讯模型的过程，而前述过程所產生的图形或非图形资料之集合，如几何形状、空间关係、建物元件的数量及内涵(如窗户、地板的材质、建筑工法、建商、建材供应商等)即被称為建物资讯模型。
OGC认為BIM涵盖下列特性(2009)：
不同的参与建物或设施营造相关人员(如建筑师、设计师、採购人员、施工人员)在建物或设施生命週期的不同阶段可取得其工作所需的BIM资讯或因其该阶段工作所產生的资讯新增、更新、修改BIM资讯。
BIM内含所有资讯都需具备交互操作(Interoperability)的特性，以满足在不同的应用系统间进行交换资讯的需求。
BIM资讯需基於公开标準，并透过双方协议认可的语言进行交互操作。
二、BIM与流程改造
BIM除了整合建物或设施相关的各项资讯，提供更好的资讯管理外，还隐含了建物或设施营造流程改造的概念，与BIM相关的流程改造可分為叁个部分：
(一) 个人工作流程
採行BIM為建筑师、工程师、承建商、分包商、营建人员、供应商等参与建物或设施营造相关人员带来个人工作流程的变化，如建筑师原本直接在纸图上绘製设计图及进行设计变更，採用BIM之后，需於BIM上进行建物的设计及设计变更工作，设计图变成BIM的產出而非主要工作标的。
(二) 团队施工流程
BIM為建物或设施营造的整体团队带来工作流程上的变化，以往设计团队将工作计画移转给施工团队时只依靠纸图及口述或其他分散不同应用系统的工程面或管理面资讯，容易造成资讯遗漏、资讯分散等现象，採用BIM后设计团队与施工团队的交接均透过BIM，各团队成员不仅可无纸化进行移转，省时省力，可提升设计团队与施工团队间的协调度，各团队更可於不同阶段自行建置或回馈专业资讯，降低设计团队与施工团队间资讯不衔接所造成的错误，此外当建物或设施完工后移交业主或使用者时，亦可完整移交建物所有资讯，当业主需查看建物某项设施，不需进行实地勘查，可从BIM找出该设施位置、材质及所有歷程资讯。
(叁) 建案生命週期
建物或设施的建案除建物或设施的施工之外，还涵盖规划、设计、施工、营运\等建物生命阶段以及工程技术、经济、法律等领域的资讯整合与管理，採用BIM除了建物设施在施工阶段的流程有所变更外，整个建案生命週期均有所变动。
BIM的导入非一蹴可及，初期建议将BIM视為辅助工具，导入重点放在利用BIM进行建物塑模、工作项目与建物资讯的记录、工作进度与设计变更的追踪，以提供建物完工营运\所需的BIM资讯為目的。待BIM导入成熟后，再以BIM做為整个建案生命週期各阶段工具的主要工具，所有建物的资讯的建立、取得及变更等均需透过BIM进行。
BIM效益
OGC认為BIM的资讯统整管理及流程改造两大特色可為AEC领域带来下列效益：
(一) 设计师及工程人员可以较低的成本与风险完成工作。
(二) 提昇资讯回馈与回应的速度。
(叁) 即时掌握建物或设施现况，弹性调整设计或施工进度等项目，以降低不必要的作业成本。
(四) 全面掌握建物或设施各种资讯，提昇决策品质。
(五) 降低销售费用、税务费用及管理费用等成本支出。
四、BIM资讯交换标準
国际间在BIM的资讯交换标準的发展包括IAI(The International Alliance for Interoperability) 发展之IFC(Industry Foundation Classes)、ISO(International Organization for Standardization) 发展之STEP(Standard for the Exchange of Product model data) 、NIST(National Institute of Building Sciences)发展之CIS/2(CIMstell Integration Standards Release2)等，其中以IAI所发展之IFC為目前最被广泛应用的BIM资讯交换标準。
IFC用来描述、交换及共享建物资讯的资料格式，目前最新版本為IFC2x4 Beta2，IFC以物件导向為基本概念，分為四个层级，由上而下依序為专业领域层(Domain Layer)、交互操作层(Interoperability Layer)、核心层(Core Layer)及资源层(Resource Layer)，整体的语义架构。
CGB(CAD/GIS/ BIM)
CAD/BIM与GIS间存在极大的差异，若从建物的角度来看，GIS涵盖建物外部的环境资讯，而CAD/BIM则是有关於建物本身及内部结构资讯；GIS展示的是巨观(小比例尺)空间资讯，而CAD/BIM则是显示微观(大比例尺)的空间资讯，最重要的是当GIS已发展许多网路标準支**换与交互操作GIS资讯时，CAD/BIM尚未有任何支援其透过网路交换与交互操作的相关标準。
OGC在OWS-4发展WFS-T(Transactional Web Feature Service )并提出CGB架构以消弭CAD/BIM与GIS间在交互操作性相关技术发展的差距，达成整合AEC领域与GIS领域的CAD、GIS、BIM叁种异质资料之目的。
一、WFS-T(Transactional Web Feature Service )
WMS(Web Map Service)、WFS(Web Feature Service)、WCS(Web Coverage Service)及WTS(Web Terrain Service)等以GML(Geography Markup Language)及CityGML (The City Geography Markup Language)做為GIS资料交换与交互操作的资料格式标準，其中CityGML提供了比较丰富的语义框架(semantic framework)记录、描述与呈现城市特徵(如道路等)及其关係，但无法记录、描述与呈现建物特徵及其命週期各阶段歷程资讯。反之，IFC提供描述、交换及共享建物资讯的语义架构，但无法透过网路服务的方式存取并进行资料交换与交互操作。
為此，OGC在执行OWS-4时，扩充既有的WFS发展出WFS-T(Transactional Web Feature Service )，支援CityGML与IFC两种资料交换格式记录、描述与呈现BIM资讯，3D GIS使用者可在GIS展示3D建物模型，并可检视分析建物的各种资讯；BIM软体亦可整合WFS所传递之CityGML或WMS所传递之影像，进行地理空间资讯的整合与设计。图3為BIM软体整合WFS-T的运作方。