CIM在智慧城市建造中的應用研究

文_范杭茹（閩南理工學院，實驗教師，實驗師）

20世紀90年代提出的智慧城市理念，旨在推進城市智能化、科技化及創新化發展。為了實現城市可持續發展，我國政府大力推進新型智慧城市建設。其中數字城市從工業化發展為信息化，充分利用計算機和信息手段融合社會各方完成交互管理，實現城市管理的智慧創新，從而改善居民生活環境，促進社會經濟發展。當前信息技術水平不斷提高，智能信息化管理工具、GIS技術、可視化模擬技術廣泛應用于工程項目全壽命周期各階段。在此背景下，城市信息模型（CIM）的概念應運而生。

一、CIM研究動態

（一）國內研究動態

城市信息模型（City Information Modeling）簡稱CIM，是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IoT）等技術為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度信息模型數據和城市感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體。建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱BIM，是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，建立建筑模型，并通過數字信息仿真模擬建筑物真實信息的技術。學術界指出，CIM是群體，BIM是單體，BIM多用于工程項目，CIM則是其升級版，把視野從單體建筑拉高到建筑群。當然，要拉高到這個層面，僅僅有CIM技術是不夠的，還需GIS、BIM等多種技術的有機融合，運用BIM技術的可視化、模擬性特點，及GIS的精確尺寸定位、環境識別等功能，將具體要素信息實時傳遞至建筑信息模型中，實現平臺信息化和智能化管理。

智慧城市建設開啟于2012年，目前已有500多個城市提出要建設智慧城市，國家也出臺相應政策文件推動新型智慧城市的建設。2016年，習近平總書記提出新型智慧城市的概念。

（二）發展現狀

在推進新型智慧城市建設的過程中，大部分城市的基礎設施系統之間存在信息化基礎薄弱問題，彼此工作獨立分離，信息無法交互，導致城市管理平臺的運維系統缺乏可視化、數字化，管理難度較大且管理體系不夠完善。在這樣的境況下，國內的大批專家學者提出將BIM、GIS、CIM等技術進行融合，利用BIM模型展示建筑構件詳細信息，借助GIS技術搜集周邊場景數據信息，實現項目在外圍的規劃設計和場景分析。二者結合后實現室內和室外精確管理，再融合CIM平臺，從單個建筑管理發展到城市管理。專家們在此方面做了許多的研究，如張文勝等在3D GIS和BIM的基礎上開發橋梁鐵路的信息管理平臺；李福健結合BIM和GIS建立物聯網系統，實現隧道周邊的自動化安全監測數據；劉萬斌利用SuperMap三維系統，完成意外事故情況下如何安全逃生的模擬分析。此外，還有很多專家的研究也都利用其優點，實時收集、信息反饋，提前解決運維問題。

（三）城市試點

傳統管理平臺過于依賴人工，其工作效率低、設備使用少，無法滿足城市建設需求。智慧城市管理平臺利用BIM、GIS、CIM技術解決傳統問題，但真正落地實施難度大，目前仍處于研究探索階段，沒有形成完整的標準規范體系。近年來，國內首批試點城市，如廣州、廈門、杭州、南京等取得顯著成效。比如廈門將BIM技術與CIM平臺聯動，應用在建筑行業之中，實現項目審批申報、工程審圖交底；南京利用GIS技術進行空間信息尺寸定位，獲取三維及二維空間數據信息。

二、CIM城市智慧管理平臺的建立

在推進新型智慧城市建設的過程中存在著很多難點，主要集中在以下幾個方面。第一，在基礎設施建設中重復建設、缺少商業模式創新。第二，城市管理工作復雜且工序較多，參與方在不同時空中保持獨立，信息共享和交互較少，容易形成信息孤島。第三，目前我國的科技發展水平相對落后，較難實現新型智慧城市管理的要求。因此，我國提出新型智慧城市建設發展路徑，思考如何將信息技術手段進行有機融合，把計算機技術、可移動技術、GIS技術、BIM技術集成于CIM城市智慧管理平臺，搭建一個公眾全面參與和信息交互融合的智慧管理平臺，促進城市可持續發展，推動經濟社會高質量發展，以提升居民幸福感。

三、技術融合創新

（一）某城市管理平臺介紹

以某城市為案例，設置以CIM為載體的綜合服務管理體系。在城市管理平臺利用BIM技術、物聯網技術、信息技術等現代手段，通過智慧城市模型，進行信息化和智能化管理，使用傳感器、視頻探測器等設備，實現對城市管理的監督，采集各方信息。最終將采集到的信息數據匯總于管理平臺中，為城市管理工作提供可靠依據。

（二）某城市平臺構建方案

按照國家推行的新型智慧城市要求，從以下多個方面進行方案打造。

1.構建統一樣板，使用相同的規范標準和命名要求，確保協同過程中溝通無障礙。樣板要求使用相同的項目基點、標高、軸網等。

2.以BIM和CIM技術作為基礎，借助BIM 5D軟件打造數字化智慧平臺，使全壽命階段各參與方能夠及時上傳數據，并能隨時調閱，也可以在現有的廣聯達、品茗等軟件公司的全咨平臺基礎上進行操作。

3.使用VR和AR新技術，借助二維碼和VR攝像頭等方式以第三視角精確直觀地將時間和空間的具體信息形象表達，通過計算機技術進行數字化的表達形式，打造數字化智慧城市。

4.應用自制的城市信息收集裝置，將其分布于城市各個角落，隨時隨地全方位完成圖像數據采集工作，并及時自動上傳至云端，打造自動化城市監視管理系統。

（三）某城市平臺實施規劃

針對集成化CIM城市智慧管理平臺的實施規劃，主要分為以下幾點。

1.以城市基礎設施數據，包含地理環境數據，建筑物構件信息等內容為基礎建立三維可視化數據信息模型，盡量提高模型精度。

2.使用VB、C語言等計算機語言，結合軟件公司現成的BIM 5D管理平臺，建立多維數據庫。通過整合城市多方資源信息和模型數據，打造一個具有統一模板標準的三維空間數據庫，滿足城市空間精準定位需求，以支撐CIM城市智慧管理平臺的使用功能。

3.將AR、VR、云數據等多種新興技術有機融合，利用這些手段通過第三視角“穿越”城市各個角落，從而將CIM城市智慧管理平臺功能規劃打造得更加智能化、工業化。

4.在推進CIM城市智慧管理平臺建設過程中，完善平臺的組成構件，形成一個包含整體的核心系統，即三維渲染模型的展示平臺，涵蓋大型數據庫、集成系統、AI智慧引擎等功能。操作流程如圖1所示。

圖1 操作流程圖

CIM城市智慧管理平臺的關鍵點在于集成數據庫的建立，其包含的信息有城市基礎建設信息、公眾參與方數據、二維及三維空間定位數據、互聯網和市民參與數據等信息。其架構如圖2所示。

圖2 CIM城市智慧管理平臺架構圖

四、以某大廈項目管理為例

（一）項目背景

某大廈項目位于福建省泉州市，占地面積8467.48平方米，地上建筑面積70238.87平方米，地下建筑面積33003.86平方米，建筑總高度為119.9米，建筑層數為29層。地下室耐火等級為一級，一共有16個防火分區。建筑等級一級，屋面防水等級Ⅰ級。項目以框架剪力墻結構作為主要結構體系，抗震設防烈度7度。

項目緊鄰市區，圍護結構距離路牙較近，周邊已建建筑較多，為保障居民的出行安全，項目管理需利用BIM技術進行全壽命周期的合理規劃，按照實際情況提前完成模擬設計。

（二）“一碼式”運維方式

在建立云數據平臺過程中，項目利用平臺進行統計數據，精確掌握項目的工期、工程量、人員、材料、設備等數據；模型中構件信息完整，涵蓋幾何尺寸信息、強度、外觀顏色、紋理、性能等方面信息。項目竣工后，后期運維只需要通過BIM模型就能了解構件信息，并能隨時還原數據，由此提高綜合管理能力。通過二維碼和云端信息平臺，將紙質信息轉換為電子信息，進一步加強管理，實現現場實時信息共享。運維流程如圖3所示。

圖3 運維流程

（三）VR技術

利用VR技術與BIM技術進行融合，利用二者優勢，展示沉浸式的虛擬仿真環境，幫助使用者、設計者能夠隨時隨地對城市管理項目進行漫游體驗。如某大廈項目中采用Revit模型，先導出Fbx格式文件，再導入Navisworks軟件，最后結合施工進度表制作模型生長動畫。采用Navisworks軟件，一是完成工程項目中如剪力墻、梁、板、柱等主要構件的模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等施工過程，以及預制構件、機電工程的暖通與橋架拼裝工藝、工法的施工模擬動畫；二是對工程項目中復雜節點技術交底；三是解決實際施工中的協調合作。利用VR虛擬場景平臺技術輔助各參與單位更加直觀了解項目具體情況，不會產生信息孤島，達到技術與項目之間的完美協同。以三維模型為數據基礎，導入虛擬場景，利用漫游平臺，將構件詳細信息上傳云端，形成數據匯總，最終搭建數字化模型信息庫。

（四）大廈項目管理應用價值

大廈項目從施工開始到竣工結束，采用Project編制施工進度計劃，再導入廣聯達斑馬夢龍網絡計劃軟件，并根據案例工程完成雙代號網絡圖的繪制。在編制過程中，一是可通過GTJ軟件進行部分土建工程算量，并在實際的施工定額基礎上編制進度計劃；二是以BIM數據為基礎，查找在項目工程進度管理中存在的問題，對其提出整改措施；三是基于BIM 4D技術完成計劃進度的仿真模擬和驗證，實時可視化地把控工程進度。通過BIM模型和工程進度計劃，對項目的施工方案進行全面仿真分析，對不足之處進行優化設計和深化處理，從而提出最佳的施工方案，提高資源利用率。

現場通過對使用優化后的方案進行施工交底，可提高施工質量。利用BIM技術的三維可視化功能改變傳統文案交底模式，其中重難點方案使用建模模擬，幫助工人直觀感受施工工藝要求。以綜合管線優化為例，通過管線調整和深化設計處理，使得水衛管道的整體成本比原計劃節省80多萬元。從導出的碰撞檢測報告中可以看到無預留孔洞有1411處，對其進行進度優化后，可節約穿孔施工期12天左右，節約成本40余萬元。

在運營維護階段使用廣聯達BIM 5D平臺、Lumion及Revit軟件，集成設備具體信息，這些信息從項目開始到竣工驗收，由各參與方及各個專業提供。同時使用第三者漫游的方式幫助使用者清晰地了解內部布局情況，一旦出現設備故障或者緊急狀況，能夠迅速做出應急反應，降低安全隱患。運用720云平臺對施工現場復雜節點進行360°三維動態制作，便于施工時進行三維可視化交底。運用草料二維碼生成專屬二維碼，錄入設備信息，便于后期現場云端運維管理。應用價值如圖4所示。

圖4 應用價值

（五）城市圖像數據采集

前文以城市中某大廈項目作為案例，詳細闡述了信息管理的優點，對于城市而言，搭建CIM城市智慧管理平臺關鍵在于數據庫。而數據庫則需要采用智能化方式，構建三維可視化模型，將信息進行數字化和系統化整合。這種方式對于城市信息管理極為便利，在管理數據過程中，將圖像采集裝置安裝在不同位置，可以迅速完成圖像收集及集成化處理。但是這一方式容易受天氣因素影響，一旦遭遇惡劣天氣，易導致圖像采集裝置前視鏡頭的清晰度變差。

為解決這個問題，設計一種新型的圖像數據信息采集裝置。其工作原理是通過主體上端設置能夠水平前后移動的擋雨板，在控制器、驅動設備以及濕度傳感器等多重設備的配合作用下，及時感觸空氣中相對濕度，當濕度數值達到控制器設置數值時，就能夠命令控制器完成控制驅動設備的工作，帶動整個擋雨板向前方移動，該方式可實現自動遮擋雨滴的功能。當濕度小于控制器設定的限定數值時，能夠幫助控制器控制擋雨板移動至原始位置。內部裝置圖如圖5所示，裝置效果圖如圖6所示。

圖5 內部裝置圖

圖6 裝置效果圖

五、總結和展望

面對當前我國智慧城市推進過程中存在的問題，應積極查找國內外研究動態，提出CIM城市智慧管理平臺的創建，并對其架構內容和實施方案詳細講解，結合具體項目案例在全壽命周期各個階段的詳細應用，分析平臺優勢所在。同時使用自制的城市圖像數據收集裝置完成對城市全方位實時監測管理，數據即時上傳云端，構建大型數據庫。在平臺的打造過程中將海量數據信息通過AI智慧引擎實現計算機數字化表達，實現查詢、瀏覽、時空定位、資料查找統計、數據分析等功能。再加以AR、VR技術進行虛擬仿真模擬設計，多維動態展示，使設計更智能化、直觀化，并輔助綠建功能，如日照節能分析、城市規劃管理、綠色環保指標、景觀設計分析，爭取發揮出最大價值，實現利益最大化。