BIM+3DGIS技術在智慧城市基礎設施及數字化管線運管系統中的應用與研究

劉百韜 潘艷艷 李夢培 馬文新 沈辰楠

摘 要：以智慧園區項目為背景，研究BIM+3D GIS在智慧城市基礎設施及地下管線管理的應用及具體實現方案、技術、成果、可發展方向。在研究過程中重點比對3DGIS平臺系統構架、應用技術，并選擇具有較好開放性的平臺；研究BIM技術的利用及3DGIS信息模型的搭建流程，即智能化管理的數據基礎建設及其流程；完成BIM模型與3DGIS平臺的數據傳遞，確定信息模型所包含的信息參數，使系統平臺滿足市政設施管理部門、管線運營管理公司等用戶的管理應用需求。

關鍵詞：智慧園區；BIM；3DGIS；智慧城市

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0037-05

本文依托智慧園區項目研究了BIM+3D GIS技術在智慧城市基礎設施及地下管線運維管理中的應用。詳細闡述了其技術路線及建設方案。基于BIM+3D GIS技術的三維市政信息綜合管理系統，可以對具備某一類標準形態、包含拓撲信息及資產信息的市政設施或企業設施進行科學化的地上、地下一體化管理。

1 技術背景

隨著我國經濟的發展，工程項目趨于大型化和復雜化，工程監測的規模范圍也趨于大型化，產生的監測信息數量巨大且類型復雜，給監測信息的采集、分析和管理帶來了困難。如何實現監測數據的可視化和高效管理，從而提高監測數據分析、應用和管理的效率，逐漸成為一種需求和趨勢。

BIM（建筑信息模型）技術可進行工程化信息監測，可以實現對工程構筑物的質量和安全的實時管理。通過三維GIS（地理信息系統）技術可實現工程全局的項目信息統籌和科學決策。

BIM與GIS通過數據集成、系統集成或應用集成來實現集成應用。目前二者集成在城市規劃、城市交通分析、城市微環境分析、市政管網管理、住宅小區規劃、數字防災、既有建筑改造等諸多領域有所應用，與各自單獨應用相比，在建模質量、分析精度、決策效率、成本控制水平等方面都有明顯提高。BIM與GIS集成應用，可增強大規模公共設施的管理能力，拓寬和優化各自的應用功能，提高長線工程和大規模區域性工程的管理能力。

2 BIM+3DGIS技術在智慧城市基礎設施中的 應用

2.1 智慧城市與智慧園區

智慧園區是智慧城市的縮影，是信息技術發展所帶來的產物。它是通過信息技術和各種各樣的資源結合所形成的，有助于企業降低運營成本，提高工作效率，增強服務能力等多種優點。

園區的管理半徑與管理縱深較大，做出準確決策的難度也較大。因此必須建設一個強大的園區服務平臺來進行支持，同時依托平臺，促進園區的管理部門、企業、合作單位良性互動。園區需要在戰略、流程、資源三個層面進行很好的配合。在戰略目標的指導下，建立合理高效的組織架構，完善企業整體各項管理流程，創建并固化一套標準、科學的管理體系；充分利用人才、資金等內外部資源。

基于互聯網及物聯網技術的應用與發展，從更高的公共數據應用、異構網絡的共享、多重數據的融合的層面出發，解決了大部分傳統建筑智能化管理存在的問題。通過智慧園區的建設，幫助園區在信息化方面建立統一的組織管理協調架構、業務管理平臺和對外服務運營平臺；建立統一的工作流程，通過云平臺的整合，以云平臺為樞紐，形成一個緊密聯系的整體，獲得高效、協同、互動、整體的效益；建立統一的應急管理與日常管理、對內與對外服務這四大體系。

2.2 BIM+3DGIS在智慧園區建設中的應用

2.2.1 智慧園區建設背景

本文依托項目規劃占地面積約8.78平方公里，包括整車廠、零部件和物流園區等，建成后或將帶動本市汽車整車生產、零部件配套、汽車金融等相關產業快速發展。

基地在設計理念、建設標準上以先進的綠色環保為首要原則，做到全方位節約資源：注重節約能源及合理利用能源，將采用先進、全面、系統地環境治理措施，結合城市配套的環保設施，對生產各個環節中產生的噪聲、廢氣、污水及固體有害廢棄物等進行綜合、系統地治理。

2.2.2 智慧園區建設內容

該項目以三維GIS平臺為依托建設成以地形、二維矢量、地上場景、地下管線、室內三維結構、室內管線、各業務系統數據為主的空間信息管理平臺，以此平臺為入口實現智慧基地的目標。

智慧基地建設，以同一套基地三維數據庫為核心，以三維數據庫設計規范為基礎，以標準化的三維數據庫管理和更新機制為保證，為基地管理人員和公眾提供高效、安全、可靠的三維空間數據應用服務，輔助基地部門直觀、科學地決策，從而提高基地管理的效率。

初期平臺建設實現BIM+GIS模型多媒體交互展示。該平臺通過多媒體交互等信息技術對片區內的地下管網、市政設施進行全方位展示。

項目中期完成三維市政信息綜合管理系統的建設。以初期建設成果為基礎建設三維市政信息綜合管理系統。完成的系統各個模塊之間是開放的、局內數據資源和信息在制度保障下自由流動并和其它政府專題GIS能順利對接，構成一個開放的、易擴充的、穩定的，并具有統一軟件平臺、統一標準、統一數據的開放系統。

系統滿足市政設施管理部門，大型企業園區、樓宇，管線運營管理公司等用戶的管理應用需求。為企業內部資產的優化管理和設施維護、檢修提供服務，對各種可能發生的事故進行預警和為事故處理提供決策支持，從而達到加強設施的管理，實現為發展創造良好內部環境的目標。

3 智慧園區CIM模型搭建

CIM（City Information Modeling）是以城市信息數據為基礎，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。從范圍上講是大場景的GIS數據+小場景的BIM數據+物聯網的有機結合。因此BIM模型+GIS數據可以統稱為CIM模型。

為實現初期目標，首先需要進行CIM基礎數據建設。基礎數據建設內容根據需求包含：

（1）片區所有地下管線BIM設計建模。（2）片區市政設施、能源場站BIM設計建模，并包含市政設施內主要設施。（3）GIS平臺地上要素三維數據建設，主要包括區域內部分建筑、道路及附屬設施、綠化、水域等。

3.1 市政能源場站BIM建模

3.1.1 BIM工作流程

在BIM建模過程中，需要水、暖、電、建筑、結構、總圖等多專業人員及項目負責人共同協作完成，ArchiCAD的團隊工作功能為各專業設計人員提供了一個共同協作平臺，根據時限要求合理安排工作流程。如表1所示。

3.1.2 各專業建模

各專業在建模過程中主要使用ArchiCAD自帶的墻梁板柱、殼體、變形體等工具，并結合計算機工程師編制的符合設計規范和標準的圖庫部件聯合構建模型。

3.1.3 碰撞檢查，發現問題及時修正

各專業人員在同一工作平臺設計，每位設計人在自己的權限內完善模型，連接各單體的同時及時溝通交流，進行專業間的碰撞檢查，生成碰撞檢測報告。之后通過交互軟件進行批注，發送該信息給相關專業所屬人，所屬人據此可迅速定位到碰撞點，進行修改反饋，從而提高碰撞處理效率，使得設計瑕疵能夠實時避免，如圖1所示。

以污水廠為例，BIM模型如圖2所示。

3.2 道路BIM建模

需建模道路包含園區設計道路及部分園區外道路，且包含立交兩座、高架橋一條。設計道路嚴格按照圖紙進行BIM建模，達到施工圖設計深度；園區外道路建模滿足與園區內道路的模型的對接，準確表達園區內外路網關系。如圖3、4所示。

針對項目實際情況，我方采取多軟件結合應用的方式展開BIM工作，以下為道路專業BIM建模流程：

（1）應用Roadleader軟件進行地形建模及場地分析，搭建出后期道路BIM建模的基礎。（2）在地形已搭建的基礎之上，應用Roadleader進行道路BIM建模。（3）在道路BIM建模完成之后，將道路模型導出至Archicad軟件，應用Archicad進行二次深化設計。在Archicad中進行路燈、標志標線、路障、紅綠燈及智能交通等交通設施的建模工作，并將交通設施嚴格按照圖紙進行布設，高精度搭建道路系統全景BIM模型，三維還原設計師設計理念，精準表達道路及其周邊設施排布。

3.3 GIS平臺地上要素三維數據建設

包含區域內駐區企業、商業、商務建筑、道路及附屬設施、綠化、水域等建筑外形模型建設。一種方式是應用無人機航拍，對項目現場進行傾斜攝影，采集數據建立實景模型。另一種方式是根據相關CAD圖紙、現場照片等資料，利用Sketchup、3DMAX等建模軟件進行實景建模，再對模型進行貼圖渲染。通過以上兩種方式，實現GIS平臺地上要素的實景建模，達到現場區域的實景還原。

3.4 管網建設

3.4.1 模型系統

管網工程系統的模型內容在建模過程中一般分為三個級別。如給排水管網系統的一級分類包括管道設備、給水排水管網、管道基礎和接口；在二級分類中，管道設備分類包括計量設備、消防設備等；三級分類是在二級分類基礎上進一步細分，例如閥門設備分閘閥、進排氣閥等。如表2所示。

為了保障信息有序而規范的傳遞，模型單元的描述方式關系到數據應用時能否進行數據定位，模型單元分實體、屬性兩個維度，在傳遞過程中應重點考慮：模型單元所處的模型系統、模型單元的視覺呈現效果、模型單元所承載的信息、屬性值體現模型單元最終描述的結果。

3.4.2 模型信息粒度

三維市政信息綜合管理系統的數據結構分為管點數據和管線數據。管點數據記錄管線上的管井及設備的位置及屬性信息，管線數據記錄管線的位置、連接關系、屬性信息等，結構參照表3。

管線數據屬性結構（其中黑色粗體為數據驅動必要字段）。如表4所示。

4 BIM數據到3D GIS平臺的傳遞

本項目采用CityMaker系列軟件作為3DGIS平臺，應用CityMaker Builder軟件對BIM模型進行導入整理。

根據項目應用需求，規劃數據庫拓撲結構，分項導入BIM模型。拓撲結構如圖5所示。交付物為*.FDB格式，可通過CityMaker系列軟件瀏覽查看編輯，并應用于BIM+GIS三維多媒體展示系統。

4.1 創建數據庫

在CityMaker中，數據統一在FDB中進行保存，FDB分為大文件型（*.fdb）和數據庫兩種存儲方式。FDB為三層數據結構：

數據源

╚數據集

╚要素類

（1）創建數據源：數據源支持大文件、Oracle、SQLServer、MySQL等。輸入對應參數，軟件會自動創建地理特征數據庫。（2）創建數據集：數據集具有唯一的坐標系，即數據集中的要素類均采用相同且唯一的坐標系，該坐標系可以修改。（3）創建要素類：數據集中的要素類，類似于圖層，將模型按照規則進行分類，如模型分為：建筑、交通、綠化、水系、市政等類型，就可以創建以上類型的要素類。

4.2 BIM數據入庫

（1）在CityMakerBuilder中新建工程導入模型；（2）在CityMaker Builder中加載三維地形場景（ted）；導入的ted、fdb、工程坐標系遵循【1.1坐標系說明】規則。

CityMaker Builder具有數據集合并、導出、加密等功能輔助數據庫管理。

5 三維市政信息綜合管理系統

三維市政信息綜合管理系統是一套以地下管線、管點設施為管理對象，實現二維地下管線數據三維化，并提供編輯、管理及分析功能的3DGIS系統。

5.1 設施管理功能

三維市政信息綜合管理系統實現了三維設施數據、管線數據、三維地表數據以及城市景觀數據的一體化管理，提供全三維形式系統用戶界面，具有全面的市政設施管理、查詢、分析、出圖等功能，滿足管理部門及專業運營部門的管理需求。

5.2 設施分析功能

三維市政信息綜合管理系統實現了對市政設施的四大類分析功能：

（1）綜合分析，如橫、縱斷面分析、連通分析、流向分析；（2）工程分析，如周邊檢測、工程開挖；（3）規劃分析，如管線比對、間距分析、埋深檢測；（4）實現對設施事故的分析，如關閥搜索、事故影響范圍檢測、泄露擴散模擬。

5.3 三維設施編輯功能

要想真正在三維系統中實現對數據的管理，三維數據的編輯修改是必要的功能。

三維市政信息綜合管理系統可將設施類型庫中的設施提取錄入到數據中，并可實現對三維設施的移動、刪除、形態編輯等；提供拓撲關系修改工具，可對三維設施數據的拓撲關系進行編輯修改；提供屬性修改工具，可對三維設施數據的屬性內容進行編輯修改。

6 成果內容

6.1 BIM模型

以施工圖為基礎，搭建了該項目中市政能源場站、園區道路、地上要素和地下綜合管網的BIM模型。

6.2 BIM+GIS數據整合

完成了BIM模型數據到三維GIS平臺的傳遞，掌握了數據訪問的授權管理方法、空間數據和屬性數據掛接、二三維整合流程及三維數據的數據更新步驟等。

6.3 BIM+3D GIS模型多媒體交互展示系統

該系統將園區內的市政設施、道路、地上要素和地下管網在三維環境中進行全方位展示，并通過多媒體交互等信息技術實現了靈活的人機互動新體驗。

6.4 三維市政信息綜合管理系統

以3D GIS平臺為依托，結合BIM技術建設成以地形、二維矢量、地上場景、地下管線、各專業業務系統數據。為主的智慧市政信息管理平臺，形成多元化模型展示方式。

7 結語

在當前全球的信息化趨勢的推動下，智慧園區已成為了實現園區現代化轉型的一個重要戰略途徑。對園區進行智慧化建設一方面可以對相關產業有所幫助，提高園區的管理水平和服務水平；另一方面，作為智慧城市的縮影，建設智慧園區也可給未來智慧城市的建設提供寶貴經驗。可利用BIM+3D GIS技術實現統一的時空框架下對地面以上、地面及地下進行整體的3D可視化表達、管理、更新、查詢與分析，建立集數字化、信息化、可視化為一體的空間信息系統，為相關部門提供有效的信息服務，助力智慧城市的實現。