基于BIM+GIS的通州文旅區協同管理平臺應用研究

(北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

隨著城市化建設進程的加快，超大建筑群落和大型綜合類園區等區域類建設項目不斷涌現，這類項目通常包括多個建筑群落的建設、地上地下建筑環境的搭建、道路管線的規劃修建以及多種業態的集成等，普遍存在建設體量大、項目集群多、參與方眾多以及信息傳遞錯綜復雜等問題，對于項目管理者的協同管理能力提出了更高的要求[1-3]。而傳統的項目管理方式形式粗獷，各專業之間相互割裂，協同作業難度較大，難以滿足區域類建設項目協同管理的需求。

作為新興的工程信息化手段，BIM (Building Information Modeling)技術的應用已經非常普遍，從項目設計、施工、再到運維階段，BIM以其在三維可視、動態模擬及碰撞檢測等方面的優良特性實現了項目管理從管控分離到信息一體化的轉變，實現了項目級的協同管理，構建基于BIM技術的項目級管理平臺成為當前研究的熱點。陳麗娟等[4]提出基于BIM技術的大型項目協同管理平臺的理論架構以及具體實施規劃，并在某大型博覽項目中驗證了平臺的應用價值。劉向陽等[5]通過研究數據融合挖掘、模擬仿真等技術，開發了公路項目的BIM全生命周期協同管理平臺，實現了公路全壽命周期的管理和應用。陳遠等[6]提出了基于移動計算的BIM協同工作平臺理論系統，研究了如何實現建筑工程全生命周期信息管理和協同工作。宋戰平等[7]以BIM技術全生命周期為核心理念，提出了覆蓋隧道工程規劃、設計、施工、運維各階段的一體化管理平臺。余軍等[8]依托首都機場急救中心項目，構建了基于BIM的項目級專項管理平臺，實現BIM技術的項目級的平臺化應用。但是，現有研究都局限于建筑單體的項目級協同管理，沒有考慮建筑群落之間以及建筑與環境之間的協同，難以滿足區域建設管理的需要。

為此，本文通過在平臺中引入GIS技術，彌補BIM技術在宏觀區域管理上的不足。GIS技術具有良好的專業空間查詢分析能力及宏觀地理環境基礎，近幾年來被廣泛應用在宏觀場景顯示和區域空間分析等方面。婁書榮等[9]提出了基于GIS技術的地下空間輔助規劃體系架構，實現了地下空間綜合規劃相關影響因素及各專項規劃內容的集中統一管理。趙康等[10]提出了集成地理信息系統、虛擬現實技術，以“圖、文、數、聲”一體化形式，實現景觀真實環境的虛擬仿真。

將BIM和GIS進行集成應用，可以實現建筑單體協同管理到區域協同管理的跨越，為在復雜環境下的區域建設項目管理開辟了一條新的渠道[11-12]。本文將以通州文旅區項目為例，詳細闡述基于BIM+GIS的區域管理平臺在該項目建設過程中的構建和使用情況。

1 概述

1.1 項目簡介

通州文旅區位于通州新城城區南部，屬于通州新城10片區，包括1001-1005五個街區，規劃用地面積12.05km2，總投資700億。未來將建設成為提升北京時尚旅游功能、集聚現代文化功能、完善消費功能、促進北京旅游產業高端發展的新型園區。文旅區東至六環路、南至京哈高速、西至通馬路、北至萬盛南街，按行政區劃看，地處張家灣鎮、臺湖鎮、梨園鎮三鎮交界處(圖1)。目前，文旅區的一級開發工作已經完成，占地4km2的環球影城順利落地。

文旅區建設情況復雜，涉及業態眾多。項目一期將建設一個主題公園、園區主干道、環球主題酒店、首旅自主品牌酒店和一個大型停車樓等。此后，還將滾動推進后續建設工作，包括第二個主題公園、1座水上樂園，以及另外5座酒店和1個停車樓。地鐵配套方面，規劃了八通線南延線、7號線東延線；高速公路方面，除北京環球主題公園增設京哈、東六環兩個立交節點，蕭太后河南街與北京環球主題公園停車場專用匝道相交采用立交方式，九棵樹中路與蕭太后河南街相交處采用立交方式外，其余各相交路口均采用平交形式；區內共有55條道路，包括九棵樹中路等城市主干路8條；蕭太后河南街等城市次干路13條；曹園南街等城市支路34條，橋梁建設方面；新建跨線橋1座，跨河橋梁23座，過街天橋2座。管廊建設方面，包括玉橋西路南延(萬盛南街-曹園南大街)地下綜合管廊、九棵樹中路(萬盛南街-云瑞南街)地下綜合管廊、將軍府西路(蕭太后河南街-萬盛南街)地下綜合管廊的建設，此外，還包括蕭太后河分洪渠工程、園林綠化景觀工程、派出所和消防站等公共服務設施建設等。

該項目投資規模大，拆遷改遷工作量大，工程建設地點分散，工程中政府協調、設計及監理服務、施工承包方之間的關系復雜，各方信息應用和交換不及時、不準確的問題，會造成大量人力、物力的浪費，同時加大管理風險和安全風險。鑒于此，有必要采用信息化的技術手段提高項目協同管理能力。

圖1 項目區域范圍示意圖

1.2 平臺建設的必要性

通州文旅區是一個典型的區域類建設項目，政府投資規模大，建設周期長，與普通建設項目相比在管理上有其難點和特殊點：

首先，文旅區建設涉及大量拆遷和改遷工作，包括多個行政村和廠房，拆遷過程中情況復雜，需要綜合考慮園區內已有的建筑物與新建建筑物之間、已有道路與新建道路之間的協調性；拆遷改建工作受城市路網布局、用地布局、區域規劃、基礎設施布局影響較大，在建設過程中需要綜合考慮地上地下建構筑物以及地下管線等因素。

其次，項目在建設過程中涉及建筑、水電氣暖以及道路橋梁等多個專業，各專業之間存在大量的信息交互，對信息傳遞效率要求較高。但由于不同專業采用的信息管理工具不同，數據的類型和存儲方式千差萬別，由于兼容性問題和數據格式差異，缺失有效整合的集成技術手段，信息難以在各環節共享。

此外，項目參建方達40多個，各參建方參與項目的階段不同，所采用的管理工具和建模標準各有差異，導致信息傳遞存在效率低下、信息遺漏等問題，嚴重影響了管理效率和質量。

基于上述幾點，構建一個基于BIM+GIS的區域協同管理平臺是十分必要的。通過平臺的綜合運用，為文化旅游區建設提供協同高效的管理手段，實現文化旅游區建設多項目、多層次、多專業以及建筑與環境的協同，降低各參與方之間的協調難度，降低文化旅游區的建設風險，滿足協同管理需求。

2 平臺的整體架構

2.1 需求分析

(1) 全生命周期管控的需求

平臺的建設以項目建設需求為出發點進行設計，需滿足園區建設全生命周期管理的實際需要。以園區拆遷、建設運維為研究對象，使平臺能夠覆蓋項目前期階段、開工準備階段、施工階段、竣工驗收和移交階段等全過程的管控。

(2)輔助決策的需求

平臺建設需滿足項目管理者可視化決策的需求。該文化旅游區建設情況復雜，管理及協調難度大。平臺需實現BIM建筑模型與三維GIS場景的多尺度融合，實現微觀建筑模型和宏觀地理場景的一體化展示，利用平臺將整體建設效果前置，提供動態直觀多業態的三維全景展示，項目管理者通過該平臺可以直觀地理解園區建設管理的具體內容，了解目前的拆遷工作進展情況和工程建設進展情況，同時能夠掌握建成后的整體建設效果，以便提高決策效率，更好地進行項目管理。

(3)協同作業的需求

在平臺構建過程中，需遵循統一的標準和流程，實現各參與方的協同工作，保證全員、全程、全專業的應用，建立統一的標準和流程，規范實施過程中的資源、行為和交付等內容，包括建模標準、交付標準和建模細度等。

2.2 平臺整體架構設計

結合通州文旅區建設項目的特點和項目需求，對平臺的整體架構和應用模塊進行設計。平臺采用四層架構(圖2)，從下往上依次為網絡基礎層、數據融合層、應用服務層和用戶層，平臺的界面如圖3所示。

(1)用戶層：用戶層是針對項目實際情況開發的用戶訪問系統，用戶層能夠支持瀏覽器、移動端等多種設備瀏覽，能夠接受用戶的請求，同時將數據處理結果反饋給用戶。

(2)應用服務層：應用服務層是用戶層的功能支撐，通過各種功能組件實現各種業務功能，主要包括規劃設計子系統、施工管理子系統和運營維護子系統，貫穿整個項目全生命周期的管理。通過用戶層輸入的指令，應用服務層可以提供相應的功能行為。

(3)核心數據層：應用架構的數據庫層，存放并管理各種信息，實現對各種數據庫和數據源的訪問，包括數據組織與管理系統，數據處理與融合系統以及BIM+GIS數據處理系統，BIM和GIS數據集成和擴展是核心數據層的重要內容，包括IFC模型的信息過濾，以及幾何轉換、語義映射和屬性拓展等。同時，該層基于特定的數據訪問機制實現數據的訪問、選擇、更新、轉換和映射等操作。

(4)網絡基礎層：構建區域協同管理平臺應用網絡和基礎設施，包括軟硬件建模工具、主機服務器/工作站、網絡、存儲/備份、安全平臺等，充分整合利用已建的和擬建的網絡和基礎設施，共同為區域管理平臺的運行環境提供保障[13]。

圖2 區域級管理平臺的整體架構

圖3 平臺界面

平臺的功能模塊包括基礎功能和應用功能兩部分，具體如圖4所示。基礎功能模塊主要是平臺的基本操作設置，包括三維漫游、視圖剖切、構件查詢、距離測量等九項內容；而應用功能模塊是實現平臺功能的載體，主要包括規劃設計、施工管理和運維管理三大模塊，每個模塊對應相應的子功能，通過這些功能模塊實現對項目的多角度協同管理。

3 關鍵性技術分析

平臺的搭建，首先需要對BIM模型和GIS模型進行融合，通過輕量化技術設置融合模型的顯示層級，將BIM模型導入GIS模型中；使用三維渲染技術，使得地理場景更加符合真實情況；同時，借助VR設備進行虛擬場景展示，輔助管理者對項目進行管控；為了適應多方管理者的管理需要，平臺通過集成接口設置了客戶端、瀏覽器和移動端三種瀏覽方式。

3.1 數據耦合技術

BIM技術和GIS技術屬于兩種不同范疇的事物，二者所服務的對象和表達范圍各不相同。在進行模型的融合時，需要優先解決二者的數據轉換問題。BIM技術領域采用的模型數據標準是IFC，而GIS領域通用的模型數據存儲標準是CityGML，由于數據標準的不同，二者在語義表達、幾何構造方式和屬性類型等方面存在較大差異，如表1所示，BIM技術多采用數字化的表達方式，借助于EXPRESS語言，通過實體描述的方式進行模型的構造；而GIS技術則采用模塊化的表達方式，通過屬性語言XML以邊界描述的方式來構造模型。

表1 BIM與GIS模型的差異性比較

所以該平臺模型耦合的關鍵在于數據格式的轉換，主要從語義表達、幾何構造和屬性語言三個方面進行(如圖5)。在語義表達方面，通過檢索關鍵詞等方式將BIM模型中的實體與GIS模型中的實體進行對應，使得BIM模型中的幾何信息可以與GIS模型系統相互協調。在幾何構造方面，通過七參數坐標轉換矩陣，將BIM模型所使用的項目坐標統一轉換為GIS模型的世界坐標，同時完成實體構造和邊界構造的融合。屬性類型的差異可以通過屬性拓展的方式，通過建立外部數據庫，將BIM模型中所含有的屬性信息傳遞到GIS模型中，對其進行數據補充，彌補其在微觀表達上的不足。

圖4 區域級管理平臺的功能模塊

圖5 模型耦合示意圖

3.2 輕量化技術

BIM模型和GIS模型融合之后數據量大，對硬件設備要求較高，采用輕量化技術，可以精簡模型數據量，使得系統運作更加流暢。通過數模分離技術，平臺將導入的源模型，按照計算機圖形學的自建算法進行模型的輕量化處理，確保地形、模型自動按照模型細度等級規則進行顯示。

3.3 渲染技術和VR展示

該平臺是一個可視化的管控系統，為了使得模擬情況與實際情況更接近，本平臺采用3DsMAX軟件對場景進行渲染，使得平臺展示效果更加符合真實情況。利用VR技術，結合VR設備，實現對整個場景的查看，以及進行自動漫游查看，使查看者能夠身臨其境般地查看項目實時建設進展情況以及建成后的區域效果場景[14-15]。

3.4 平臺集成接口

該平臺的集成接口包括客戶端、瀏覽器和移動端三種方式，接口采用HTTP(S)協議，使用短連接的方式，實時接口需要傳遞的數據采用JSON作為數據表達形式，實時接口全部采用同步方式實現，字符集編碼用UTF-8，其集成框架如圖6所示。

圖6 平臺集成框架

4 平臺的應用

4.1 基礎應用模塊

(1) 視圖剖切：通過設置剖面框，可在場景模型中根據需要查看剖面框內模型，反映局部模型的相互位置關系(圖7)。

(2)地形顯示：切換地形顯示狀態，可查看實體地形，或將地形半透明，以及隱藏地形，滿足不同的瀏覽需求，圖8分別表示了實體地形和隱藏地形兩種顯示方式。

(3)快照功能：在模型瀏覽過程中，針對休要修改的地方，可用快照功能保存視點，方便后續溝通(圖9)。

圖7 視圖剖切

圖8 地形顯示

圖9 快照功能

(4)測量測距：測量場景模型中，任意構件間的距離，點到點間的距離(圖10)。

圖10 測量測距

4.2 規劃設計應用模塊

平臺在規劃設計階段的應用主要體現在拆遷規劃、道路選線和臨建選址三個方面。

(1) 拆遷規劃

通州文旅區項目拆遷量巨大，且拆遷情況復雜，通過對園區建設范圍的房屋建筑、廠房建筑等需要拆遷的進行統一建模，并上傳至平臺，在平臺上通過三維模型對園區當前的拆遷進度、拆遷資金需求、拆遷賠償等信息進行可視化查看，平臺通過以不同的顏色標識顯示不同的拆遷情況：未搬遷、計劃搬遷、正在搬遷、已搬遷未賠償、已搬遷已賠償等，有效地提高了拆遷工作的效率，方便園區管理人員全面掌握拆遷工作，對拆遷工作進行統一管理安排。

(2) 道路選線

道路規劃設計是一項系統工程，需要綜合考慮地上建筑、既有的交通設施以及地下管線管廊的布局。在本項目中，涉及曹園南大街以及頤瑞東路等多條道路的規劃選線工作，若設計不合理，將帶來大量的拆遷改建等工作。借助平臺GIS技術在空間分析和地理位置定位方面的優勢，通過GIS技術導入區域環境相關因素，明確建筑與環境之間的關系，不僅可以實現規劃道路預覽、施工進度模擬以及碰撞分析定位等工作，還可以將多種道路預選方案進行可視化比選，輔助管理者進行項目決策。圖11中黃色標記區域為本項目中規劃建設的道路，通過平臺可以非常清楚地明確道路規劃情況，及時發現不合理的地方，減少返工率，節省項目成本。

圖11 道路規劃選線

(3) 臨建選址：平臺可以直觀模擬園區建設全景，對建筑物之間以及建筑物與環境之間的空間關系進行分析，輔助項目臨建選址工作。

4.3 施工管理應用

施工管理模塊包括進度管理、質量管理和安全管理等基本管理活動。

(1)進度管理

利用模型與工程進度方案的參數化銜接，實現施工進度的精確管理，強化施工進度對施工節點的管控，并實時預警，提高施工進度管理水平。通過平臺的可視化展示窗口，將現場移到眼前，及時做出合理的施工設施排布以及合理的安排進度，并可根據進度安排模擬項目施工過程，根據模擬情況進行施工進度安排的進一步優化。該平臺還可以進行計劃進度與實際進度對比，對于進度延后的部分進行紅色標記顯示，并將預警結果及時反饋到項目負責人，確保進度可控。圖12所示為道路建設過程中的施工進度模擬，其中透明的部分是擬建工程，右側是相應的施工進度。另一方面，該平臺還可以進行計劃進度與實際進度對比，對于進度延后的部分進行紅色標記顯示，并將預警結果及時反饋到項目負責人，確保進度可控。

圖12 進度模擬示意圖

(2)安全管理

應用視頻信息網絡對施工現場質量安全、文明施工、場容環境、作業條件等進行遠程實時圖像監控管理，進行施工現場監管、進行安全事件追溯，形成施工現場、監理單位、建設單位互相聯動的安全管理平臺。利用BIM技術和三維可視化技術，建立危險源與隱患點的危險分析，并建立可視化預案，用于施工安全交底(圖13)。

圖13 現場視頻監控

(3)質量管理

借助GIS技術的空間管理功能以及BIM技術的精細化管理，跟蹤每道工序的標準化輸入輸出，確保質量可控。以單元工程模型為載體，以工序為基本管理單元，在可視化三維系統下，融合各專業系統數據，動態管理工程的質量全過程(圖14)。

圖14 質量管理模塊示意

4.4 運營管理應用

平臺可以積累工程從設計、建造到運營全過程的數據，包括工程實體信息、工程環境信息、管道設施信息等，為項目運營階段提供了豐富的數據資源。

(1)設施管理

基礎設施管理是區域建設管理的重要內容，基礎設施管理既包括對水電煤氣設備、城市公共設備、強制檢測設備、重點熱點設施設備、監控設備等設備層級的管理，也包括設備完整資料、設備巡檢和維護歷史資料管理等資料層級的管理。通過平臺將每一個設施設備的基本信息和空間存放位置進行登記，與空間管理相結合，圖形化的顯示每一個設施設備的空間信息、管網之間的連接關系，以便運營管理者能夠快速地定位與查找到每一個設施設備的具體位置和基本信息。

(2)空間查詢

以GIS信息數據資源庫為基礎，集成影像數據、矢量數據、建筑物模型，通過平臺直觀展示建筑地理信息、位置分布，周邊道路、設施、環境信息以及重要建筑物信息，提供查詢、統計等操作，實現建筑、空間、設施設備一體化管控。

5 協同效果分析及展望

基于BIM+GIS的區域協同管理平臺以項目需求為出發點，采用四層架構體系，包括九大基礎功能模塊和三大子平臺應用模塊，實現了對通州文旅區項目全程、全員、多專業、多系統的協同管理，通州文旅區項目目前還在建設過程中，平臺在該項目中的應用也已經取得了階段性的成效。

(1)實現了全程協同管理

平臺的應用覆蓋了項目規劃設計、施工以及運維的整個生命周期，平臺在全壽命周期共享同一套數據，保證了信息的統一性并且最大化地利用項目設計、施工階段的信息，為項目后期運營和管理提供支持，實現全生命周期的協同管理。

(2)實現了全員協同管理

平臺管理者針對各方單位職責，針對性設立數據庫訪問權限，實現對口數據傳遞、共享和反饋。該平臺組織機構模塊將工程項目所有參與方容納其中，建設方、施工方以及監理咨詢公司所有的參與人員的聯系方式和相應的角色都一目了然，實現管理制度及建設標準在平臺上貫徹，有效地提高了溝通效率。

(3)實現了多專業協同管理

該平臺基于同一個模型將建筑、結構、給排水、暖通電氣等專業進行集成，不同專業的參與者可以基于該模型進行修改，修改信息可以被其他協作方實時查看，方便各參與方及時了解項目整體情況；通過實時批注，快照瞄點等功能，項目參與者可以實現即時溝通，包括圖紙會審、規劃審批、模型交底和施工方案論證等，快速高效地解決施工技術難題。

(4)實現了多系統協同管理

平臺可以與其他系統進行協同與對接，實現信息的共享與傳遞，滿足信息資源庫的高效管理和使用，包括與視頻監控系統集成，可以實現安防的智能分析、報警聯動以及施工現場的安全管理；與智能樓宇系統結合，進行火災監控、冷機控制、溫度控制等，大幅降低運營成本和維護費用；與VR系統集成，對工程進度形象進行全景展示等。

現階段，平臺的研究與應用還屬于初步階段，仍需要進一步的研究和改進。首先，平臺的功能需要進一步的完善，例如對于GIS技術的應用深度挖掘不夠，GIS技術強大的日照分析，風向分析等功能沒有充分的利用到規劃設計中；再者，對于平臺的使用效率進一步優化，包括網頁顯示效率、數據處理效率以及模型輕量化的效率等，使得平臺的運作更加流暢；最后，平臺中BIM模型和GIS模型融合不充分，轉換過程中造成部分數據信息的丟失，因此后續研究中需要提高模型轉換精度，更大程度地實現模型數據信息的無損轉換，提高區域管理的精細化程度。

總體來說，基于BIM+GIS的區域協同管理平臺為通州文旅區提供了高效的信息化協同管控手段，完成了項目管理由單體建筑管理向區域管理的轉型升級。可以預測，BIM技術和GIS技術的平臺化應用，必將會成為區域建設管理的新趨勢。