基于BIM和GIS的智慧城市在軌道交通應用的思考

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，強調城市管理方面的統籌和協調。智慧城市的建設在城市的可持續發展、高新信息技術的應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展水平的重要指標，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中不可或缺的一部分，對政治經濟、文化事業、科學技術等方面產生極大的影響，同時軌道交通的信息化、智能化建設也是智慧城市建設的一個重要方面。

截至目前，南寧、南平、上海、成都、西安等19座城市發改委共發布了28個城市軌道交通項目可研報告批復，全國城市軌道交通在建里程數已達4070多公里，各地還將繼續大刀擴斧地開展軌道交通的建設。在軌道交通給人們帶來巨大交通便捷的同時，它的設計、建造和后期運營維護也存在各種問題。一方面，施工工藝復雜、建設成本大、建設期增長、項目參與人員眾多導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，各方參與者溝通協調困難已經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行的效率，也無法實現智慧城市美好的愿景。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出現，給軌道交通的管理帶來新的契機，它將信息化技術引入了軌道交通全生命周期的管理，結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（Geographic Information System，GIS）能夠實現對整個地球表層空間中的地理實體（包括軌道交通站點）進行采集、存儲、管理、分析以及顯示，實現軌道交通建設項目資料與模型數據的整合，打破軌道建設“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技術的軌道交通協同施工管理平臺，通過BIM模型和工程信息涵蓋項目的全生命周期信息，為建設單位、監理單位等項目參與單位提供一個統一的信息平臺，推動軌道交通建設向綠色、低碳、和諧和可持續發展等方向發展，提供軌道交通在智慧城市建設中的新方向。

2.基于BIM和GIS的智慧城市建設要點

快速城市化進程將給城市規劃、建設、運行和發展帶來諸多問題，容易導致城市經濟發展失調、環境建設失衡、社會管理失穩，城市運行失序。智慧城市的發展是需要充分利用新一代的信息技術，并通過以人為本的可持續創新實現，在解決城市建設和管理過程中的各種問題起到舉足輕重的作用。針對目前各建設項目單位信息類型差異所造成的信息交換難題，只有加強技術創新驅動，不斷應用信息集成技術，構建面向城市智能化的支撐環境，才能整合跨行業、跨部門的多源異構數據，促進信息資源的深度共享，實現最終的智慧城市建設。GIS和BIM技術的集成應用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。

BIM技術不是簡單的將各種建筑信息進行集成展示，而是具有詳細建筑功能和特性的三維信息模型，是一種數字信息應用于設計、建造、管理的數字化方法，應用BIM技術可以提高建筑從規劃、設計、招投標、施工到運維整個生命周期內管理效率，大量減少風險，降低項目成本。BIM技術將設計二維平面圖紙，轉變為三維可視化多維數據庫，為圖紙的建筑設計、拓展應用奠定了堅實的基礎。在表現復雜的建筑物及其所屬管網、電力等配套系統方面具有巨大的信息優勢，已廣泛應用于城市建筑微觀環境規劃分析、建筑全專業三維設計、日照采光分析、噪音分析、CFD分析、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。通過BIM技術建設城市基礎設施，能夠實現整個城市建筑的關聯以及信息互通，對智慧城市中智能建筑的建設應用起到舉足輕重的作用。

地理空間數據是城市信息資源的重要組成部分，是集成整合城市其他業務信息資源的重要基礎。地理信息系統自上世紀六十年代提出，經過數十年的發展，已經廣泛地應用于資源調查、環境評估、國土管理、城市規劃、水利水電、公共設施管理、商業金融、軍事公安等幾乎所有的領域，能夠為各行業管理部門提供相應的工程設計、規劃、管理和決策等服務。

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GIS和BIM管理信息系統，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，并且各管理部門對系統需求側重不同，往往導致多個系統并存的狀況。針對城市建設中多系統并存，信息交流存在壁壘等問題，需要建立各系統之間數據信息的交換和傳遞機制，實現項目建設的信息共享。BIM和GIS技術集成應用創新，能夠驅動信息管理系統之間數據交換，實現標準的統一管理。

現有的GIS應用系統主要在政府政務管理、規劃管理、測繪單位等管理部門使用，無法實現BIM系統對項目建設前期、施工過程、運營維護等信息化和精細化管理。因此，開展BIM和GIS技術融合的應用技術研究，整合建筑外部地理環境信息與建筑自身屬性信息于一體，將城市建設的規劃、管理、空間分析等相結合，是智慧城市發展的必然要求。

3.基于智慧城市的軌道交通建設管理應用

智慧城市對城市發展的影響主要體現在城市管理、發展新興產業、引發科技潮流和創建美好生活。面向智慧城市的軌道交通建設的目標是與智慧城市管理系統進行整體集成，將項目的開工、測量、施工過程、竣工驗收、檔案管理等環節進行統一調度和管理，規范軌道交通的規劃、建設和管理，以此建立全面的軌道交通系統。為了適應軌道交通建設在智慧城市中的發展需要，充分利用BIM技術在構建建筑模型幾何信息準確、屬性信息豐富以及易于管理和維護等優點，結合GIS在空間分析、統籌管控和場景展示等優勢，不僅要建立完備的軌道交通三維模型，滿足大規模的場景展示，還應實現軌道交通的各種分析應用，實現智慧式的管理和運行。

3.1 軌道交通建設協同管理

基于B/S架構的軌道交通管理系統是在BIM技術和4D施工管理系統的基礎上建立的（圖1），系統以GIS平臺為部分組成模塊，能夠承載BIM模型數據、傾斜攝影數據、數字高程數據、衛星影像與航拍正射影像數據。同時通過建立清晰的業務邏輯關系，實現了基于BIM的項目管理協同，最終形成了業務管理、過程控制和項目決策三個不同維度的項目管理體系。管理平臺將規劃許可、施工復驗、跟蹤測量、竣工驗收以及檔案管理等環節銜接在一起，實現規劃、測量、檔案等多部門的統一管理，減少各部門之間溝通協調的信息損失；并且實現了標準化的工作流程和管理，實時掌握項目的進度。

3.2 軌道交通場地場景建立

使用施工設計圖提前規劃無人機的航拍路線，運用當前國際測繪遙感領域中新興發展的傾斜攝影技術實現軌道交通線路上的地表建筑物建模，實現與設計圖紙的聯動查看（圖2）。利用GIS技術對整體的施工環境進行數據整合，將影像數據與DEM和DOM數據疊加，不僅能實現建設場地周圍環境的瀏覽，生成與實地一致且具有起伏的地表模型，還能構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，疊加交通軌道站點規劃用地紅線，實現沉浸式三維場景瀏覽。對軌道交通場地的場景構建，有利于規劃設計單位對規劃方案與實地進行對比，對規劃方案的設計與修改提供真實可靠的輔助；軌道交通場地周圍環境三維場景的建立，生動展示場地的規劃情況，輔助施工單位前期規劃，有助于非專業人士直觀地了解規劃情況。

3.3 軌道交通預制PC構件設計及管理

圖1 協同施工平臺首頁

圖2 無人機影像與設計圖紙聯動查看

圖3 軌道交通場景建立

圖4 PC構件管理

圖5 軌道交通建設項目虛擬建造

圖6 BIM模型編輯

利用BIM技術貫穿PC構件從設計加工、出廠、進場、安裝、質檢到驗收的全過程，實現對橋梁、互通立交等PC構件的高效管理，如圖4所示。運用BIM技術對生產的PC構件訂單進行管理，對PC構件的材料、高度、寬度、體積等參數進行設計，可以自動生成訂單列表。訂單列表內容通過項目管理平臺批量打印PC構件的二維碼，二維碼中詳細包含構件的各種屬性信息，減少傳統手段中Excel表格的制定，減輕管理人員對于文件的管理存放。

BIM平臺對海量數據進行管理，檢測PC預制構件的信息，及時對精度不達標的構件進行預警，通過地圖展示反饋其堆放位置。構件質量控制完成后，現場項目部通過BIM平臺把項目現場待安裝PC構件需求反饋給信息控制系統，構件生產人員掃描二維碼自動生成構件生產流程步驟，及時做好項目采料，安排生產計劃、成品堆放等準備工作，準時完成直接送達項目現場的任務。現場工作人員通過掃描二維碼查看PC構件的具體信息，信息控制系統會記錄每一塊預支構件的運輸情況，將下一節拍的作業數據返回至倉庫和生產組。

在項目建設中，將PC構件安裝在正確位置后，PC構件信息自動錄入BIM管理平臺，包括PC構件的計劃、安裝時間，確定責任人、責任單位，構件屬性等相關信息。在BIM管理平臺能夠及時查看PC構件在建設項目工程的具體安裝位置，實時查看構件的詳細信息，達到構件粒度級別的精細化管理，實現PC構件的全生命周期管理。

3.4 軌道交通建設項目虛擬建造及進度動態管理

通過BIM技術，可以實現施工場地軌道交通建筑模型、施工車輛、施工區域內其他建筑的模型建立，完成了與軌道交通建設項目BIM模型的數據深化工作。將BIM模型與周圍建筑進行比較，可以有效幫助掌握施工現場與周邊建筑的情況（圖5）。輔助無人機拍攝的傾斜攝影影像，采用多視圖三維重建技術對傾斜攝影數據與正射影像數據進行三維建模，生成真實坐標下的軌道周邊三維場地環境模型，運用GIS技術提前設置相關場地影響區域，提前對實地建筑三維模型進行可視化與編輯，實時呈現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化。通過數據校核發現設計前期的“錯、漏、碰、缺”等問題，避免后期出現施工返工和施工變更等情況。

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

在不增加施工單位上報進度工作量的前提下，協同施工管理系統較好地融合上報數據同BIM模型的雙向關聯，通過Web端上報進度參數數據，最終在服務器端自動實現上報進度的三維動態模擬。同時也可以任意選擇時間段，來查看施工程度和內容，對施工滯后、施工提前、正在施工三種狀態通過不同的顏色進行表達，真正實現了項目從維護拆除到主體結構封頂的4D進度模擬，輔助建設單位科學管理項目各項進度，如圖7所示。

3.5 軌道交通施工方案管理

軌道交通的BIM技術工作，涉及設計總包、各標段的工點設計單位、施工單位、運營單位等，需要各方進行互相配合，通力合作，才能夠順利實施項目的設計方案。在項目的施工方案制定與實施過程中，溝通和協調的工作量大，各部門的方案立足于本領域，跨專業或跨部門間施工方案往往需要共同建立相應的溝通和協調的流程，保障方案設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計一個基于多部門統一的施工方案管理平臺，利用BIM模型能夠展示方案設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，根據不同需求選擇最優方案；各部門通過平臺能夠實時查看方案的效果，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。所有施工方案將進入電子數據庫中，便于資料存檔和后期運維管理，為未來進行翻新、改造、擴建過程提供有效的歷史信息。

BIM協同平臺同時可根據自己的需求為項目配置流程，并定制相應的工程資料規范，實現實時上報，平臺自動記錄上報時間，系統實現及時收發上下級通知，以便于及時查看流程表單。例如設計聯系單、施工聯系單等方案，根據不同權限查看的流程單與流程消息不同，實時掌控項目情況，流程流轉更快捷，如圖8所示。

4.結束語

建設智慧城市、智慧軌道還存在許多急需解決的問題。BIM技術在軌道交通管理的應用尚不成熟，需要軌道建設項目的各參與單位和人員有一個較長的熟悉和適應過程。政府各部門和建設主管部門由于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，因此需要建立信息細度的劃分和相應的數據標準。

BIM技術的出現，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度和實際進度的調整上，管理的重心開始偏向施工進度的控制、進度偏差原因分析、調控手段等。本研究結合軌道交通站點施工項目的特點，結合寧波軌道交通3號線一期明樓站的施工管理實踐，結合軌道交通BIM模型，實現軌道交通建設項目的精細化施工管理；借助GIS技術，將航拍的正射影像、三維地質模型、管線模型等加入管理系統中，為系統提供地理環境分析、空間地理信息支持和大場景渲染。真正實現工程標準化、精細化的管理，解決信息定向集成、分發及可視化的問題，使管理效率大大提高。

自“十三五”后，根據社會經濟發展要求，我國政府聚焦結構升級，推進產業項目建設和基礎設施項目建設，智慧城市軌道交通的建設，可以加快城市經濟轉型升級，推動創新型城市建設。城市軌道交通作為智慧城市建設中城市核心的基礎設施建設，利用BIM和GIS技術實現軌道交通的信息化、數字化以及智能化建設符合中央關于新型城鎮化建設的精神，符合建設綠色生態城市的需要，具有廣闊的發展前景。

圖7 施工進度動態模擬

圖8 軌道交通施工方案管理