基于BIM與GIS技術在地鐵隧道全生命周期中的協同應用的研究

賈斯博

摘要：闡述了BIM+GIS技術在地鐵隧道應用的優勢，從協同設計規劃，施工過程，智能運維管理三個階段分析GIS+BIM技術對地鐵隧道建設的意義，將城市地鐵隧道與云計算、大數據、物聯網等新技術的融合進行展望。

關鍵詞：BIM+GIS;全生命周期;地鐵隧道;協同應用

Abstract： This paper expounds the advantages of BIM+GIS technology in the application of subway tunnel， analyzes the significance of GIS+BIM technology in the construction of subway tunnel from the three stages of collaborative design planning， construction process and intelligent operation and maintenance management， and forecasts the integration of urban subway tunnel with cloud computing， big data， Internet of things and other new technologies.

Key words： BIM+GIS;full life cycle;subway tunnels;the collaborative application

0? 引言

當今世界，城市地鐵發展迅速，各發達國家超過百萬人口的大城市，為了緩解和改善交通，大多通過選擇建造地鐵的方式。近年來，我國地鐵得到大力發展，并將成為我國未來城市基礎設施建設的重要內容，隨之快速推廣的BIM技術與GIS技術相結合，成為地鐵隧道的應用趨勢。

1 BIM技術、GIS技術應用現狀

BIM技術是一種多維的集成技術，側重于單一建筑的精細化表達，在傳統的三維模型基礎上建立全生命周期工程信息模型，參與建設各工程方均可從模型中查看或輸入自己所需要的信息，完成協同工作，實現建筑全生命周期工程信息集成、交換、共享和管理，BIM的數據庫是動態變化的，在應用過程中不斷修改、更新、補充。BIM技術在各個方面的優勢使得在世界范圍應用率極高，廣泛應用于建筑科學工程、公路鐵路和水路建設等領域。GIS技術起源于20世紀60年代，1960年加拿大測量學家R.F.Tomlinson提出了把地圖變成數字形式的地圖，1963年，又提出GIS這一術語，并建立了全球第一個GIS——加拿大GIS，隨后GIS技術在全世界發展起來[1]。在計算機硬件系統的支持下，GIS技術可以實現大空間尺度上的數據管理、分析、決策、計算等功能，如今隨著GIS技術的不斷成熟，已廣泛應用于建筑科學工程、氣象水利、交通工程等領域。BIM+GIS技術的融合可實現GIS技術的地理宏觀表現與BIM技術的微觀精細數字化相結合，充分發揮數據分析、管理功能的特點，在資源共享、決策效率、監控管理、成本控制水平等方面發揮著不可替代的作用[2]。因此，在城市規劃、水利工程、軌道與市政工程領域的應用逐年增多。

2? 地鐵隧道全生命周期GIS+BIM技術的協同應用

2.1 協同規劃設計階段

傳統的工程規劃設計通過CAD技術的設計與建模，完成了從二維平面到三維立體的空間拓展設計，但也存在很多明顯的弊端。城市地鐵隧道結構是一個復雜多變的體系，在城市地鐵隧道設計中，為保證地鐵隧道的安全和使用壽命，需分析地質環境特征，地下空間結構。傳統的工程規劃設計難以從中獲取相關信息。隨著GIS技術的不斷發展，其數據采集編輯處理功能、空間數據庫管理功能、空間分析功能的提高，被應用于城市規劃、地鐵隧道路線確定等[3]。GIS技術可通過任意坐標系顯示空間三維細節，因此在線路規劃設計，監測預警等領域也極為重要，利用GIS技術，了解城市發展規模、人口分布、城市歷史及現階段發展進程，提前了解城市水資源分布、地質塌陷、地下水沉降、地面以上受影響的建筑物及其市政設施、易發生自然災害處等問題，為地鐵隧道的規劃設計提供參考依據。利用BIM技術考慮地鐵隧道內的精細數據，建立高精度的三維可視化模型，并賦予信息，這些信息包括三維實體數據和表面數據，即地鐵隧道結構相關工程數據，如隧道中某處襯砌破裂等，可有效的實現隧道工程各參與方的交流決策，所有專業以三維模式一同工作，解決各專業單獨設計引發的沖突問題。各參與方設計成果集成于一個項目核心數據庫，使數據更精準流暢的進行傳遞。

2.2 施工過程階段

如今，我國傳統施工因不合理工期、施工環境、生產組織管理鏈條冗長等因素影響，存在施工組織無序、現場管理混亂、施工設備應用率低等問題;現場出現大量建筑垃圾、灰塵、污水等問題，出現進度滯后問題后無法系統性的進行分析并找到解決方案。對于地鐵隧道項目及地理位置，利用GIS技術的三維建模功能可有效展示、獲取、整合、管理周圍建筑物信息及環境數據，甚至道路交通信息和天氣情況進行高效整合和實時監測，確定施工設備和材料進場的最佳路線，追蹤材料材料的運輸狀態，以實現對成本的全面把控，追蹤施工項目進度管理，實時真實，全面的呈現出施工范圍內的地理數據。利用BIM技術，進行管線綜合碰撞檢查，考慮在不同時間段內的施工工序，建立在3D模型基礎上融入成本造價信息和時間進度信息，進行5D施工管理，實現全方位一體化管控。

結合GIS+BIM技術，利用Revit軟件的API（程序編程調用接口）進行二次開發，可以具體將某隧道區間將風險評價結果展示在BIM平臺上，結合周圍環境實時監測信息的GIS數據和增加自然災害信息，針對高、中、低風險區域采用不同的施工工序和施工方案全面分析地鐵隧道施工安全風險，通過Web平臺進行三維可視化全方位的顯示[4]，便于地鐵隧道工程各參與方協同工作，當出現施工進出超前或滯后時，結合GIS+BIM系統可以直觀顯示出屬于關鍵路線工作或非關鍵路線工作，通過資源配置的調整，如調整人員、材料、機械設備的供給量，方便現場動態管理并有效的保護水土資源。其管控原理、技術手段、具體措施如圖1。

2.3 智能運維管理階段

在建筑全生命周期來看，城市地鐵隧道運維周期長，難度大，要求高，重要性突出，然而城市地鐵隧道的空間十分有限，傳統的地鐵隧道運維管理方式主要是依靠人工巡檢、信息歸檔等方式進行人為管理，對于隧道內的突發情況無法精準發現、定位、解決（如照明系統損壞，管線破裂泄露）。同各部門信息共享不及時，導致信息缺乏真實性、準確性。現代工程信息量龐大且繁雜（如隧道維修數據、記錄、工藝等），通過人工方式進行整理、分析，效率十分低下且容易出錯，使地鐵隧道運維風險性增加，很難滿足現階段運維管理的需求。

地鐵隧道交付運營后，通過建設方和設計方提供的無紙化電子模型，利用GIS與BIM技術與傳感技術等構建可視化虛擬系統，實現全方位運維管控。在運維管理階段，有研究GIS技術結合有限元動力分析，在宏觀程度上完成三維空間分析和可視化定位，可輔助管理人員對突發的危機情況進行處理，提供消防救援方面的重要支持[5]。BIM技術可將工程數據與BIM三維模型進行關聯，構建完整的BIM模型編碼，前期的勘察、設計、施工資料也將引入運維數據庫之中，協助運維管理，保證地鐵隧道全生命周期的高效運行。

3? BIM+GIS技術與其他信息技術的結合

3.1 BIM+GIS技術與云計算、大數據技術

在城市數字化急劇發展的時代，BIM與GIS的數據從產生、設計，再到融合。目前GIS產生的數據大多是宏觀地理場景的可視化數據，而BIM對微觀可視化數據進行補充后，數據結構層次進行了飛躍。BIM的大量建筑模型數據與GIS的宏觀地理信息數據融合后會產生海量的數據。數據在集成、傳輸、儲存、計算、交互等方面容易產生集成后數據丟失、可視化效果不佳、部分數據失效等問題[6]。云計算可以提供對海量數據的搜索、分析、查詢、整合功能，另外云計算的分布式存儲功能也極大的提高了數據資源利用率。分布式管理模式可應用于GIS與BIM融合的各個階段，也適用于地鐵隧道工程各專業，各參與方共享，整合數據，最大限度發揮GIS與BIM在地鐵隧道的作用。

3.2 BIM+GIS技術與物聯網技術

物聯網技術的原理是在互聯網的基礎上，利用RFID、無線數據通信等技術，采集數據，把數據傳輸給服務器，服務器存儲和處理數據，把數據展示給用戶，近年來，物聯網技術廣泛應用于城市地鐵、橋梁等各類工程領域[7]。GIS技術與BIM技術同樣都作為互聯網與物聯網進入整個空間的通道。物聯網技術可完成多元數據的收集、追蹤和傳輸，極大程度的拓寬了GIS技術與BIM技術的數據來源，并保證數據來源真實、準確、實時。通過物聯網技術實現對地鐵隧道內位置，變形數據的監測，及時反饋并作出相應實施方案，為智慧運維打下堅實基礎。物聯網技術是最大限度提高全生命周期各階段應用效率的有力保障。

4? 結語

BIM與GIS技術的協同應用，實現了地鐵隧道基于GIS的宏觀地理表現和基于BIM的微觀精細化表達的相結合的全生命周期管理，為地鐵隧道工程提供全方位數據的支撐，達到了協同設計、優化施工的目的。BIM與GIS技術的協同應用，集合了全生命周期各個階段的全專業模型，并對地鐵隧道工程多維信息關聯，對隧道內情況進行動態化監測，實現地鐵隧道的數據化管控。BIM與GIS技術與其他新技術的協同應用有很大的經濟價值，在未來必定推動建筑行業的數字化、智能化時代到來，進而實現地鐵隧道的可視化、一體化、科學化、智能化管理。

參考文獻：

[1]徐曉華.基于Silverlight的電子地圖的研究與設計[D].浙江工業大學，2009.

[2]陳光，薛梅，胡章杰，劉一臻.軌道交通GIS+BIM三維數字基礎空間框架[J].測繪通報，2019（S2）：262-266.

[3]涂文博.基于BIM及GIS技術的鐵路選線課程設計改革研究[J].教育教學論壇，2019（07）：126-127.

[4]何高峰，羅先啟，張輝，攸巧仙.基于BIM與GIS結合應用的地鐵隧道安全預警預報技術[J].城市軌道交通研究，2019，22（07）：161-164.

[5]張兆欽，劉占省，黃春，杜修力，趙雪鋒.BIM+GIS技術在城市地下綜合管廊全生命周期中的協同應用[J].建筑技術，2019，50（07）：805-808.

[6]王威，陳龍，黃紹宗.基于BIM+GIS技術集成在工程建設和管理中的應用探析——以我國南方某市為例[J].中國建設信息化，2019（17）：67-69.

[7]周揚帆.物聯網技術在智慧城市建設中的應用[J].江西建材，2020（01）：8-9.