以GIS和BIM深度集成應用技術為核心的城市地下管網信息管理模式探討

宋學峰

(北京市中宣市政工程有限公司，北京　100037)

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以GIS和BIM深度集成應用技術為核心的城市地下管網信息管理模式探討

宋學峰

(北京市中宣市政工程有限公司，北京100037)

不同的城市地下管網建設管理部門所采用的信息技術不盡相同，信息管理系統也屬于分布式管理系統。各分布式系統之間因應用技術和信息格式不統一而存在信息孤島現象。以GIS(地理信息系統)和BIM(建筑信息模型)的深度集成應用技術為核心的信息管理傳遞模式，將上述兩種技術從數據和系統層面實現集成應用，解決不同系統之間的數據信息格式的相互轉換問題，打破各系統、各部門之間的信息壁壘，實現數據交互與信息共享。基于該集成應用技術的信息管理模式是保障智慧城市地下管網科學、高效、安全運行的有效模式。

GIS； BIM； 深度集成； 智慧城市； 智慧管網； 信息管理模式

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.14

智慧城市建設是涉及基礎設施、經濟產業、社會民生、資源環境、公共安全等各領域的綜合性系統工程，科學發展智慧城市除了積極的政策環境、完善的法規環境外，用先進的創新技術來實現城市建設管理領域高度的信息共享必然會成為智慧城市建設強有力的驅動。城市地下管網等基礎設施的信息化管理是智慧城市建設管理的重要內容，對于任何城市，各類地下管線就是城市的地下生命線，承擔著能源、通信、防洪、安全等諸多重要的城市功能和使命。

1　我國智慧城市地下管網建設管理背景

我國城市地下管線包括供水、排水、燃氣、熱力、電力、通訊、廣電、工業等8類20多種管線以及綜合管廊，其建設和管理涉及多個政府職能和權屬部門。在城市地下管線規劃、設計、建設、運維等不同階段，由于各地下管線的權屬單位不同，各管理部門所采用的分布式信息管理系統的核心技術不同而造成各部門之間信息壁壘現象嚴重，出現信息管理不到位、信息溝通不流暢、數據更新不及時等多方面的問題。由此造成城市地下管線交錯重疊、雜亂無章，挖斷、泄漏、占壓等安全問題時有發生，“馬路拉鏈”現象更是層出不窮，這些都嚴重威脅了城市居民的生命財產安全和城市公共安全，嚴重影響了城市運行秩序。管線問題如圖1所示。

圖1　城市地下管線問題示意圖

2　城市地下管網建設管理亟待破解的難題

目前我國在城市地下管網建設管理中存在的問題有：信息技術的日新月異導致的國家信息化建設方面的制度、標準和規范的滯后和不完善； 政府職能部門和權屬管理部門之間的條塊分割嚴重，協調難度大； 城市各分布式管理系統獨立運行，數據資源分散，多部門協同管理困難； 各分布式系統缺乏統一和系統性，各系統之間的信息類型差異造成信息在系統間業務流轉時難以共享，系統間業務集成應用困難，無法完全實現城市信息的高度共享，難以為政府綜合決策提供完善的一站式在線信息綜合服務。

為解決城市地下管網管理的問題，按照國務院要求，大多數城市于2015年底完成了城市地下管線普查工作。但普查之后的信息管理工作還任重道遠，不但需要按照統一的標準建立綜合信息管理系統和各專業管線信息管理系統來實現信息的實時交換、共建共享和動態更新，更需要將這些信息融合到數字城市與智慧城市建設中去。這就需要發改、規劃、建設、管理、安全以及市政、電力、通訊、廣電、工業等管線主管部門和權屬部門的各分布式管理系統之間實現信息格式的統一和互聯。

3　以GIS和BIM深度集成應用技術為核心的信息管理

針對以上難題，國家需要及時建立智慧城市建設體系信息化管理的統一標準體系來促進相關制度、標準和規范的完善； 需要分析整合城市各管理領域的核心系統及其各項信息特征，通過業務集成的方式將各部門間的管理協同起來，將分散的數據資源集成起來。針對目前各分布式系統之間的信息類型差異所造成信息交換難題，只有加強技術創新驅動，不斷開發集成應用技術，構建面向應用、用戶和產業升級的城市智能化的支撐環境，才能整合跨行業和跨部門的多源異構數據，促進信息資源的深度共享，實現廣泛的業務協同。而GIS和BIM的深度集成應用技術必然會成為解決城市建設管理領域不同部門之間數據信息交換共享的核心技術之一。

3.1GIS和BIM的技術優勢對比

通過調查，目前國內城市建設管理相關領域的信息系統大多是以GIS為核心技術的管理系統，GIS作為一種特定的空間管理信息系統，應用比較成熟。GIS在地理信息管理、環境信息管理、規劃信息管理、社會信息管理等諸多方面均有所應用，已廣泛用來解決資源清查與管理、城市規劃與管理、環境監測與評價、災害預警與損失評估、政務管理宏觀決策、測繪地圖制圖、交通工程規劃設計與管理等不同領域的多種問題。

BIM是具有詳細建筑功能和特性的三維信息模型，目前BIM已廣泛應用于城市建筑微環境規劃分析、建筑全專業三維設計、日照采光分析、噪音分析、CFD分析、能耗分析、結構受力分析、空間優化、施工管理、資產管理、空間管理、運維管理、應急管理等諸多方面，貫穿工程項目建設全生命期內的規劃、設計、招投標、施工、運維的各個階段，尤其是BIM模型在項目竣工交付后的幾十年甚至上百年的設施運行維護管理中的價值越來越受到重視。由于BIM模型包含了建筑物本身及其內部的詳細參數信息，在表現復雜的建筑物及其所屬機電等配套系統方面有著非常大的信息優勢。

由此可見，GIS數據在城市建設領域主要表現道路、建筑、水域、植被等外部空間設施的幾何和環境描述信息，是主要解決城市建設宏觀領域各種問題的信息應用技術； 而BIM模型在表現復雜的建筑設施本身及其所屬機電等配套系統等方面有著非常大的信息優勢，是解決城市建設微觀領域各種問題的信息應用技術。

3.2 GIS與BIM的深度集成研究

3.2.1GIS與BIM深度集成研究的迫切性

目前我國城市建設領域的城市政務管理、規劃管理、土地管理、管網管理等系統大多為數字化管理系統或基于GIS技術、3DGIS應用技術開發的管理系統，部分系統在一定程度上實現了三維可視化并解決了整個城市或區域宏觀管理的需求，但在對城市地上地下建筑設施的微觀管理領域因其信息數據大量缺失而顯得不足； 目前國內城市建設管理、施工管理及運維等領域開發了大量的基于BIM技術的信息管理系統，和基于GIS技術的管理系統形成快速并列發展態勢。由于GIS技術和BIM技術的管理系統所屬的數據信息交換格式并不相同，所有對兩個技術進行深度集成應用研究使其發揮更大的價值顯得尤為迫切。

3.2.2GIS與BIM深度集成應用價值

改變我國目前地下管網的管理現狀，消除信息壁壘，需建立各系統之間數據信息的交換和傳遞機制，實現項目從規劃建設到運行維護整個生命期內實時的信息共享。針對目前國內城市建設領域各分布式系統現狀，統一規劃，統一技術、統一信息格式可以保證各方數據交換過程中的準確性、安全性和高效性，為統一的標準管理奠定基礎。GIS技術和BIM技術集成應用創新，驅動了信息管理系統之間數據交換和傳遞的發展與創新，為統一管理標準，實現項目全生命周期應用價值最大化奠定了基礎。

圖2　GIS和BIM集成研究思路示意圖

開展GIS與BIM的深度集成應用技術研究，整合建筑基礎設施外部地理環境信息與建筑基礎設施自身屬性信息于一體，將城市基礎設施建設管理領域的宏觀管理與微觀管理相結合，是智慧城市地下管網建設管理精細化的必然要求。深度集成技術的應用比其單一技術應用在模型質量、分析精度、管理效率、成本控制、安全管理等各個方面均有較大提升，應用領域和空間也有較大的拓展。目前，GIS與BIM深度集成應用研究還屬于前沿課題，在不同的國家和組織間就不同的集成應用深度和應用方式的研究均有所開展，其中有的部分實現了應用層面的集成，但在系統和數據層面進行深度集成的研究成果還為數不多，國內清華大學在該技術的深度集成技術研究方面取得了一定的進展并進行了實踐應用。

3.2.3GIS與BIM深度集成研究思路

GIS和BIM深度集成應用研究重點是解決兩種技術不同數據格式之間的單向或雙向轉換問題，進而實現兩種技術在數據層面和系統層面的集成，達到深度應用集成的目的。BIM技術的主要通用數據格式為IFC標準格式，GIS技術的通用數據格式為GML或CityGML格式。這些數據格式在語義信息的豐富程度、幾何表達方式上均有所側重和不同。IFC具有多種幾何表達方式和豐富的構造語義信息； 而CityGML強調多尺度的空間對象表達及其幾何拓撲和語義信息。將IFC和CityGML通過轉換工具進行轉換并定義其相互轉換過程中的幾何信息過濾方法及其語義映射規則，可保證在數據轉換過程中有價值信息的無損傳遞，為IFC模型和CityGML模型的相互自動轉換奠定基礎。集成研究思路示意圖如圖2所示。

4　管網信息傳遞模式

以GIS和BIM的深度集成應用為核心，建立城市管網建設管理各部門之間的信息傳遞模式如圖3所示。

圖3　GIS和BIM集成應用技術為核心的數據信息傳遞模式

4.1集成應用使宏、微觀管理部門實現價值互補

由圖4可見，目前GIS技術應用范圍主要涉及政府政務管理、規劃管理、管網管理及測繪單位等宏觀管理部門，GIS應用系統在集成了BIM技術應用后，可使宏觀管理與微觀管理有效地結合，實現各部門對建設相關信息的動態化管理，提升部門信息化和精細化管理水平； BIM技術應用范圍主要涉及項目建設設計、施工以及運維等相關單位的微觀管理，BIM技術集成GIS技術后，則可提高長線工程和大規模區域性工程的設計、施工等建設管理能力、資產管理能力以及運維管理能力。

4.2實現管網各部門的信息交換和動態更新

工程項目的BIM模型從初步設計到施工圖設計、施工建造及運營維護，各個階段的信息不斷完善并無損傳遞，BIM與GIS的深度集成可使BIM模型中的信息在規劃階段、建設管理階段以及運維管理階段均可向宏觀管理各部門進行傳遞，這就大大提高了基于GIS技術的城市規劃與管理、建設管理、環境監測與評價、災害預警與損失評估、政府政務信息等應用和分析的精細化程度。微觀管理領域的設計、施工及運行維護管理運用集成技術可以提升空間信息豐富程度和相應管理信息的拓展，保證了與各部門之間信息傳遞效率。

集成技術應用實現了各分布式系統的信息交換格式的相互轉換和統一，打通了個分布式系統之間的信息通道，各系統間有規則連接保證了數據的共享與傳遞，保證了信息管理的準確性、完整性和時效性，尤其是實現了竣工交付階段或管網運行維護部門的管線更新數據信息向管理部門的實時更新與傳遞，良好的解決了地下管線的動態實時更新問題，實現動態管理。

5　需要進一步解決的問題及建議

城市政務、發改、規劃、建設、管理、安全以及市政、電力、通訊、廣電、工業等政府部門、建設主管部門和權屬部門不同的業務職責和管理范圍決定了各部門對數據和信息的類型、精度和數據范圍需求的不同。因此，有必要在充分調查與協調的基礎上對各部門數據需求按精度、類型、范圍、權限進行劃分與界定，建立信息細度劃分、責權劃分管理機制，制定相應的標準，打破信息壟斷，該開放的公開、該共享的共享、該專屬的保密； 同時，信息化有關部門須進一步縷清與明確各不同部門的管線及其數據信息的權屬和管理關系，在明確責、權、利的基礎上建立相應保障機制，促進各部門之間的協同工作，提高管理效率。

實現城市管網建設管理各相關單位之間的深度合作的關鍵是解決其各分布式管理系統之間異構數據信息之間的相互轉換和共享，以GIS和BIM集成應用為核心的信息管理模式只是為解決該問題提供了技術保證。只有以技術創新驅動管理的創新，，以及在不同的系統應用和管理工作中尋找GIS和BIM深度集成應用所發揮的價值點，實現各部門間的信息共享和應用價值提升，才能跨越條塊分割，打破信息壁壘，消除信息孤島，實現信息資源的深度共享和廣泛的業務協同，才能真正體現智慧城市智慧管網建設管理的核心價值。

[1]智慧城市標準化總體組.《中國智慧城市標準化白皮書(2014)》.

[2]住房城鄉建設部信息中心.《中國建筑施工行業信息化發展報告(2015)：BIM深度應用與發展》.

[3]馬智亮.BIM新技術深度應用案例的啟示[J].建筑， 2015(17).

[4]張建平，余芳強，趙文忠 等.BIM技術在邢汾高速公路工程建設中的研究和應用[J].施工技術， 2014(18)： 92-96.

[5]湯圣君，朱慶，趙君嶠.BIM與GIS數據集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操作技術[C]//bim技術在設計、施工及房地產企業協同工作中的應用國際技術交流會.

Discussion on Information Management Mode of Urban Underground Pipe Network based on GIS and BIM Deep Integrated Application Technology

Song Xuefeng

(BeijingZhongxuanMunicipalEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100037，China)

Different management departments of urban underground pipe network construction use different information technologies, and information management systems also belong to the distributed management systems. The information island phenomenon is not uniform between the distributed systems because of the application technology and the information format. The information management transmission mode with deep application integration technology of GIS (Geographic Information System) and BIM (building information model) as its core realizes integrated application of the above two techniques from data and system, solves the problem between different systems of data format conversion, breaks the barriers of information among various systems and various departments, and thus realizes data exchange and information sharing. Information management mode based on the integrated application technology is an effective model to ensure the scientific, efficient and safe operation of underground pipe network in smart city.

GIS; BIM; Deep Integration; Smart City; Intelligent Network; Information Management Mode

宋學峰(1974-)，男，碩士，高級工程師，北京市中宣市政工程有限公司總工程師。主要研究方向：市政工程施工和BIM技術應用。

TU17

A

1674-7461(2016)04-0080-05