基于BIM和GIS的智慧城市在軌道交通應(yīng)用的思考

1.引言

美國IBM公司在2008年提出智慧城市的概念，旨在注重信息資源的整合、共享、繼承和服務(wù)，強(qiáng)調(diào)城市管理方面的統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)。智慧城市的建設(shè)在城市的可持續(xù)發(fā)展、高新信息技術(shù)的應(yīng)用以及對城市綜合競爭力的提升等方面具有重要意義。作為衡量一個城市發(fā)展水平的重要指標(biāo)，城市公共交通中軌道交通已逐步成為城市交通乃至整個城市系統(tǒng)中不可或缺的一部分，對政治經(jīng)濟(jì)、文化事業(yè)、科學(xué)技術(shù)等方面產(chǎn)生極大的影響，同時軌道交通的信息化、智能化建設(shè)也是智慧城市建設(shè)的一個重要方面。

截至目前，南寧、南平、上海、成都、西安等19座城市發(fā)改委共發(fā)布了28個城市軌道交通項目可研報告批復(fù)，全國城市軌道交通在建里程數(shù)已達(dá)4070多公里，各地還將繼續(xù)大刀擴(kuò)斧地開展軌道交通的建設(shè)。在軌道交通給人們帶來巨大交通便捷的同時，它的設(shè)計、建造和后期運(yùn)營維護(hù)也存在各種問題。一方面，施工工藝復(fù)雜、建設(shè)成本大、建設(shè)期增長、項目參與人員眾多導(dǎo)致項目管理工作難以一一落實；另一方面，由于信息缺失、信息集成化程度低，各方參與者溝通協(xié)調(diào)困難已經(jīng)成為項目管理者的一大難題。這些問題不僅降低軌道交通在城市管理與運(yùn)行的效率，也無法實現(xiàn)智慧城市美好的愿景。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出現(xiàn)，給軌道交通的管理帶來新的契機(jī)，它將信息化技術(shù)引入了軌道交通全生命周期的管理，結(jié)合軌道施工管理模式，有效地提升管理效率。而地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）能夠?qū)崿F(xiàn)對整個地球表層空間中的地理實體（包括軌道交通站點(diǎn)）進(jìn)行采集、存儲、管理、分析以及顯示，實現(xiàn)軌道交通建設(shè)項目資料與模型數(shù)據(jù)的整合，打破軌道建設(shè)“信息孤島”。因此，本文依托典型的軌道交通工程項目，建立基于BIM和GIS技術(shù)的軌道交通協(xié)同施工管理平臺，通過BIM模型和工程信息涵蓋項目的全生命周期信息，為建設(shè)單位、監(jiān)理單位等項目參與單位提供一個統(tǒng)一的信息平臺，推動軌道交通建設(shè)向綠色、低碳、和諧和可持續(xù)發(fā)展等方向發(fā)展，提供軌道交通在智慧城市建設(shè)中的新方向。

2.基于BIM和GIS的智慧城市建設(shè)要點(diǎn)

快速城市化進(jìn)程將給城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和發(fā)展帶來諸多問題，容易導(dǎo)致城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展失調(diào)、環(huán)境建設(shè)失衡、社會管理失穩(wěn)，城市運(yùn)行失序。智慧城市的發(fā)展是需要充分利用新一代的信息技術(shù)，并通過以人為本的可持續(xù)創(chuàng)新實現(xiàn)，在解決城市建設(shè)和管理過程中的各種問題起到舉足輕重的作用。針對目前各建設(shè)項目單位信息類型差異所造成的信息交換難題，只有加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動，不斷應(yīng)用信息集成技術(shù)，構(gòu)建面向城市智能化的支撐環(huán)境，才能整合跨行業(yè)、跨部門的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，促進(jìn)信息資源的深度共享，實現(xiàn)最終的智慧城市建設(shè)。GIS和BIM技術(shù)的集成應(yīng)用必然會成為解決城市建設(shè)管理領(lǐng)域不同部門之間數(shù)據(jù)信息交換共享的核心技術(shù)之一。

BIM技術(shù)不是簡單的將各種建筑信息進(jìn)行集成展示，而是具有詳細(xì)建筑功能和特性的三維信息模型，是一種數(shù)字信息應(yīng)用于設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化方法，應(yīng)用BIM技術(shù)可以提高建筑從規(guī)劃、設(shè)計、招投標(biāo)、施工到運(yùn)維整個生命周期內(nèi)管理效率，大量減少風(fēng)險，降低項目成本。BIM技術(shù)將設(shè)計二維平面圖紙，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S可視化多維數(shù)據(jù)庫，為圖紙的建筑設(shè)計、拓展應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在表現(xiàn)復(fù)雜的建筑物及其所屬管網(wǎng)、電力等配套系統(tǒng)方面具有巨大的信息優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于城市建筑微觀環(huán)境規(guī)劃分析、建筑全專業(yè)三維設(shè)計、日照采光分析、噪音分析、CFD分析、空間優(yōu)化、施工管理、資產(chǎn)管理、空間管理、運(yùn)維管理、應(yīng)急管理等諸多方面。通過BIM技術(shù)建設(shè)城市基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)整個城市建筑的關(guān)聯(lián)以及信息互通，對智慧城市中智能建筑的建設(shè)應(yīng)用起到舉足輕重的作用。

地理空間數(shù)據(jù)是城市信息資源的重要組成部分，是集成整合城市其他業(yè)務(wù)信息資源的重要基礎(chǔ)。地理信息系統(tǒng)自上世紀(jì)六十年代提出，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于資源調(diào)查、環(huán)境評估、國土管理、城市規(guī)劃、水利水電、公共設(shè)施管理、商業(yè)金融、軍事公安等幾乎所有的領(lǐng)域，能夠為各行業(yè)管理部門提供相應(yīng)的工程設(shè)計、規(guī)劃、管理和決策等服務(wù)。

目前國內(nèi)城市建設(shè)管理、施工管理及運(yùn)維等領(lǐng)域開發(fā)了大量GIS和BIM管理信息系統(tǒng)，由于GIS技術(shù)和BIM技術(shù)的管理系統(tǒng)所屬的數(shù)據(jù)信息交換格式并不相同，并且各管理部門對系統(tǒng)需求側(cè)重不同，往往導(dǎo)致多個系統(tǒng)并存的狀況。針對城市建設(shè)中多系統(tǒng)并存，信息交流存在壁壘等問題，需要建立各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息的交換和傳遞機(jī)制，實現(xiàn)項目建設(shè)的信息共享。BIM和GIS技術(shù)集成應(yīng)用創(chuàng)新，能夠驅(qū)動信息管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一管理。

現(xiàn)有的GIS應(yīng)用系統(tǒng)主要在政府政務(wù)管理、規(guī)劃管理、測繪單位等管理部門使用，無法實現(xiàn)BIM系統(tǒng)對項目建設(shè)前期、施工過程、運(yùn)營維護(hù)等信息化和精細(xì)化管理。因此，開展BIM和GIS技術(shù)融合的應(yīng)用技術(shù)研究，整合建筑外部地理環(huán)境信息與建筑自身屬性信息于一體，將城市建設(shè)的規(guī)劃、管理、空間分析等相結(jié)合，是智慧城市發(fā)展的必然要求。

3.基于智慧城市的軌道交通建設(shè)管理應(yīng)用

智慧城市對城市發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在城市管理、發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)、引發(fā)科技潮流和創(chuàng)建美好生活。面向智慧城市的軌道交通建設(shè)的目標(biāo)是與智慧城市管理系統(tǒng)進(jìn)行整體集成，將項目的開工、測量、施工過程、竣工驗收、檔案管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，規(guī)范軌道交通的規(guī)劃、建設(shè)和管理，以此建立全面的軌道交通系統(tǒng)。為了適應(yīng)軌道交通建設(shè)在智慧城市中的發(fā)展需要，充分利用BIM技術(shù)在構(gòu)建建筑模型幾何信息準(zhǔn)確、屬性信息豐富以及易于管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合GIS在空間分析、統(tǒng)籌管控和場景展示等優(yōu)勢，不僅要建立完備的軌道交通三維模型，滿足大規(guī)模的場景展示，還應(yīng)實現(xiàn)軌道交通的各種分析應(yīng)用，實現(xiàn)智慧式的管理和運(yùn)行。

3.1 軌道交通建設(shè)協(xié)同管理

基于B/S架構(gòu)的軌道交通管理系統(tǒng)是在BIM技術(shù)和4D施工管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立的（圖1），系統(tǒng)以GIS平臺為部分組成模塊，能夠承載BIM模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像與航拍正射影像數(shù)據(jù)。同時通過建立清晰的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，實現(xiàn)了基于BIM的項目管理協(xié)同，最終形成了業(yè)務(wù)管理、過程控制和項目決策三個不同維度的項目管理體系。管理平臺將規(guī)劃許可、施工復(fù)驗、跟蹤測量、竣工驗收以及檔案管理等環(huán)節(jié)銜接在一起，實現(xiàn)規(guī)劃、測量、檔案等多部門的統(tǒng)一管理，減少各部門之間溝通協(xié)調(diào)的信息損失；并且實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程和管理，實時掌握項目的進(jìn)度。

3.2 軌道交通場地場景建立

使用施工設(shè)計圖提前規(guī)劃無人機(jī)的航拍路線，運(yùn)用當(dāng)前國際測繪遙感領(lǐng)域中新興發(fā)展的傾斜攝影技術(shù)實現(xiàn)軌道交通線路上的地表建筑物建模，實現(xiàn)與設(shè)計圖紙的聯(lián)動查看（圖2）。利用GIS技術(shù)對整體的施工環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，將影像數(shù)據(jù)與DEM和DOM數(shù)據(jù)疊加，不僅能實現(xiàn)建設(shè)場地周圍環(huán)境的瀏覽，生成與實地一致且具有起伏的地表模型，還能構(gòu)建軌道交通線路周圍建筑的模型（圖3）。通過軌道交通場地的場景建立，疊加交通軌道站點(diǎn)規(guī)劃用地紅線，實現(xiàn)沉浸式三維場景瀏覽。對軌道交通場地的場景構(gòu)建，有利于規(guī)劃設(shè)計單位對規(guī)劃方案與實地進(jìn)行對比，對規(guī)劃方案的設(shè)計與修改提供真實可靠的輔助；軌道交通場地周圍環(huán)境三維場景的建立，生動展示場地的規(guī)劃情況，輔助施工單位前期規(guī)劃，有助于非專業(yè)人士直觀地了解規(guī)劃情況。

3.3 軌道交通預(yù)制PC構(gòu)件設(shè)計及管理

圖1 協(xié)同施工平臺首頁

圖2 無人機(jī)影像與設(shè)計圖紙聯(lián)動查看

圖3 軌道交通場景建立

圖4 PC構(gòu)件管理

圖5 軌道交通建設(shè)項目虛擬建造

圖6 BIM模型編輯

利用BIM技術(shù)貫穿PC構(gòu)件從設(shè)計加工、出廠、進(jìn)場、安裝、質(zhì)檢到驗收的全過程，實現(xiàn)對橋梁、互通立交等PC構(gòu)件的高效管理，如圖4所示。運(yùn)用BIM技術(shù)對生產(chǎn)的PC構(gòu)件訂單進(jìn)行管理，對PC構(gòu)件的材料、高度、寬度、體積等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，可以自動生成訂單列表。訂單列表內(nèi)容通過項目管理平臺批量打印PC構(gòu)件的二維碼，二維碼中詳細(xì)包含構(gòu)件的各種屬性信息，減少傳統(tǒng)手段中Excel表格的制定，減輕管理人員對于文件的管理存放。

BIM平臺對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，檢測PC預(yù)制構(gòu)件的信息，及時對精度不達(dá)標(biāo)的構(gòu)件進(jìn)行預(yù)警，通過地圖展示反饋其堆放位置。構(gòu)件質(zhì)量控制完成后，現(xiàn)場項目部通過BIM平臺把項目現(xiàn)場待安裝PC構(gòu)件需求反饋給信息控制系統(tǒng)，構(gòu)件生產(chǎn)人員掃描二維碼自動生成構(gòu)件生產(chǎn)流程步驟，及時做好項目采料，安排生產(chǎn)計劃、成品堆放等準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)時完成直接送達(dá)項目現(xiàn)場的任務(wù)?，F(xiàn)場工作人員通過掃描二維碼查看PC構(gòu)件的具體信息，信息控制系統(tǒng)會記錄每一塊預(yù)支構(gòu)件的運(yùn)輸情況，將下一節(jié)拍的作業(yè)數(shù)據(jù)返回至倉庫和生產(chǎn)組。

在項目建設(shè)中，將PC構(gòu)件安裝在正確位置后，PC構(gòu)件信息自動錄入BIM管理平臺，包括PC構(gòu)件的計劃、安裝時間，確定責(zé)任人、責(zé)任單位，構(gòu)件屬性等相關(guān)信息。在BIM管理平臺能夠及時查看PC構(gòu)件在建設(shè)項目工程的具體安裝位置，實時查看構(gòu)件的詳細(xì)信息，達(dá)到構(gòu)件粒度級別的精細(xì)化管理，實現(xiàn)PC構(gòu)件的全生命周期管理。

3.4 軌道交通建設(shè)項目虛擬建造及進(jìn)度動態(tài)管理

通過BIM技術(shù)，可以實現(xiàn)施工場地軌道交通建筑模型、施工車輛、施工區(qū)域內(nèi)其他建筑的模型建立，完成了與軌道交通建設(shè)項目BIM模型的數(shù)據(jù)深化工作。將BIM模型與周圍建筑進(jìn)行比較，可以有效幫助掌握施工現(xiàn)場與周邊建筑的情況（圖5）。輔助無人機(jī)拍攝的傾斜攝影影像，采用多視圖三維重建技術(shù)對傾斜攝影數(shù)據(jù)與正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，生成真實坐標(biāo)下的軌道周邊三維場地環(huán)境模型，運(yùn)用GIS技術(shù)提前設(shè)置相關(guān)場地影響區(qū)域，提前對實地建筑三維模型進(jìn)行可視化與編輯，實時呈現(xiàn)項目建造完成的效果（圖6），同時也有利于施工方案部署的優(yōu)化。通過數(shù)據(jù)校核發(fā)現(xiàn)設(shè)計前期的“錯、漏、碰、缺”等問題，避免后期出現(xiàn)施工返工和施工變更等情況。

傳統(tǒng)的施工進(jìn)度管理方法，是通過建設(shè)單位定期上報的甘特圖和網(wǎng)絡(luò)圖來實現(xiàn)，表達(dá)方式不夠直觀和靈活。BIM模型和系統(tǒng)施工管理平臺的建立，使得傳統(tǒng)的二維進(jìn)度形象表達(dá)向三維可視化轉(zhuǎn)變。3D模型相對于2D具有更直觀，更易于管理者和建設(shè)單位獲取和理解建筑信息的特點(diǎn)，將3D建筑模型與時間維度集成實現(xiàn)4D可視化與模擬技術(shù)是BIM技術(shù)在進(jìn)度管理中應(yīng)用的最為重要方面。

在不增加施工單位上報進(jìn)度工作量的前提下，協(xié)同施工管理系統(tǒng)較好地融合上報數(shù)據(jù)同BIM模型的雙向關(guān)聯(lián)，通過Web端上報進(jìn)度參數(shù)數(shù)據(jù)，最終在服務(wù)器端自動實現(xiàn)上報進(jìn)度的三維動態(tài)模擬。同時也可以任意選擇時間段，來查看施工程度和內(nèi)容，對施工滯后、施工提前、正在施工三種狀態(tài)通過不同的顏色進(jìn)行表達(dá)，真正實現(xiàn)了項目從維護(hù)拆除到主體結(jié)構(gòu)封頂?shù)?D進(jìn)度模擬，輔助建設(shè)單位科學(xué)管理項目各項進(jìn)度，如圖7所示。

3.5 軌道交通施工方案管理

軌道交通的BIM技術(shù)工作，涉及設(shè)計總包、各標(biāo)段的工點(diǎn)設(shè)計單位、施工單位、運(yùn)營單位等，需要各方進(jìn)行互相配合，通力合作，才能夠順利實施項目的設(shè)計方案。在項目的施工方案制定與實施過程中，溝通和協(xié)調(diào)的工作量大，各部門的方案立足于本領(lǐng)域，跨專業(yè)或跨部門間施工方案往往需要共同建立相應(yīng)的溝通和協(xié)調(diào)的流程，保障方案設(shè)計的合理性與可實施性。

基于軌道交通施工方案管理需要設(shè)計一個基于多部門統(tǒng)一的施工方案管理平臺，利用BIM模型能夠展示方案設(shè)計各個階段項目建造的效果，輔助方案的制定，并且通過不同施工方案的比較，根據(jù)不同需求選擇最優(yōu)方案；各部門通過平臺能夠?qū)崟r查看方案的效果，提高方案的傳遞效率，及時對施工方案提出建議及審批，提高各部門的工作效率。所有施工方案將進(jìn)入電子數(shù)據(jù)庫中，便于資料存檔和后期運(yùn)維管理，為未來進(jìn)行翻新、改造、擴(kuò)建過程提供有效的歷史信息。

BIM協(xié)同平臺同時可根據(jù)自己的需求為項目配置流程，并定制相應(yīng)的工程資料規(guī)范，實現(xiàn)實時上報，平臺自動記錄上報時間，系統(tǒng)實現(xiàn)及時收發(fā)上下級通知，以便于及時查看流程表單。例如設(shè)計聯(lián)系單、施工聯(lián)系單等方案，根據(jù)不同權(quán)限查看的流程單與流程消息不同，實時掌控項目情況，流程流轉(zhuǎn)更快捷，如圖8所示。

4.結(jié)束語

建設(shè)智慧城市、智慧軌道還存在許多急需解決的問題。BIM技術(shù)在軌道交通管理的應(yīng)用尚不成熟，需要軌道建設(shè)項目的各參與單位和人員有一個較長的熟悉和適應(yīng)過程。政府各部門和建設(shè)主管部門由于不同的業(yè)務(wù)職責(zé)和管理范圍決定了各部門對數(shù)據(jù)和信息的類型、精度和數(shù)據(jù)范圍需求的不同，因此需要建立信息細(xì)度的劃分和相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

BIM技術(shù)的出現(xiàn)，使得管理工作重心更為明確，而不再是把大量精力放在計劃進(jìn)度和實際進(jìn)度的調(diào)整上，管理的重心開始偏向施工進(jìn)度的控制、進(jìn)度偏差原因分析、調(diào)控手段等。本研究結(jié)合軌道交通站點(diǎn)施工項目的特點(diǎn)，結(jié)合寧波軌道交通3號線一期明樓站的施工管理實踐，結(jié)合軌道交通BIM模型，實現(xiàn)軌道交通建設(shè)項目的精細(xì)化施工管理；借助GIS技術(shù)，將航拍的正射影像、三維地質(zhì)模型、管線模型等加入管理系統(tǒng)中，為系統(tǒng)提供地理環(huán)境分析、空間地理信息支持和大場景渲染。真正實現(xiàn)工程標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的管理，解決信息定向集成、分發(fā)及可視化的問題，使管理效率大大提高。

自“十三五”后，根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，我國政府聚焦結(jié)構(gòu)升級，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)項目建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)，智慧城市軌道交通的建設(shè)，可以加快城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，推動創(chuàng)新型城市建設(shè)。城市軌道交通作為智慧城市建設(shè)中城市核心的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，利用BIM和GIS技術(shù)實現(xiàn)軌道交通的信息化、數(shù)字化以及智能化建設(shè)符合中央關(guān)于新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的精神，符合建設(shè)綠色生態(tài)城市的需要，具有廣闊的發(fā)展前景。

圖7 施工進(jìn)度動態(tài)模擬

圖8 軌道交通施工方案管理