基于BIM與GIS技術(shù)的智慧校園地下管網(wǎng)建設(shè)研究與應(yīng)用

張銀環(huán)

（1.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000；2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710000）

BIM技術(shù)作為建筑行業(yè)新興的信息化管理技術(shù)，能夠承載項目全方位、全專業(yè)、全人員、全壽命周期的信息，以其承載的工程數(shù)據(jù)作為建模基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)工程項目的可視化設(shè)計、交互式優(yōu)化、跨越式協(xié)調(diào)、模擬式施工、信息化管理等，保證地下管網(wǎng)智慧建設(shè)和信息化管理具有可持續(xù)性。在運維階段應(yīng)用BIM技術(shù)可以節(jié)約大量資源與人力，進(jìn)行精準(zhǔn)維修，避免信息斷層導(dǎo)致的維修拖延[1]。GIS技術(shù)常被用于地理環(huán)境信息采集與地形重構(gòu)，包括對象信息輸入、查詢、存儲、分析和宏觀顯示地形信息。GIS技術(shù)能夠解決城市建設(shè)中周邊地形的宏觀領(lǐng)域問題，BIM技術(shù)能夠解決建筑物實體內(nèi)部的微觀域問題[2]。將GIS、BIM技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可以有效地建立與優(yōu)化地下各專業(yè)管線的三維建模，整合與共享管網(wǎng)模型與周圍宏觀地理環(huán)境信息，達(dá)到檢測管網(wǎng)設(shè)計情況、模擬管線施工、無縫對接維護(hù)、避免能源浪費等智慧施工與管理目標(biāo)。

1 建立校園管網(wǎng)的BIM模型

1.1 構(gòu)建地下管網(wǎng)框架

智慧校園的地下管網(wǎng)建設(shè)涉及多專業(yè)、多技術(shù)、多領(lǐng)域、多方位的信息，是多尺度、多維度的全方位綜合系統(tǒng)建設(shè)。將地理信息和地下管網(wǎng)信息以數(shù)字化形式進(jìn)行獲取、建模、融合、查詢、輸出、管理、分析，為智慧校園建設(shè)提供地形和管線信息，需要建立地下管網(wǎng)和區(qū)域的信息化模型。

BIM技術(shù)下管網(wǎng)信息化綜合模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)下管網(wǎng)信息化綜合模型架構(gòu)

地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)包含市政管線、廣電管線、通信管線、電力管線等，不同專業(yè)的圖元構(gòu)件等點實體和管線的線實體可以還原專業(yè)管網(wǎng)，實現(xiàn)模型可視化及漫游。圖元線實體由線條及其標(biāo)記構(gòu)成，點實體由構(gòu)件的節(jié)點及標(biāo)記組成。根據(jù)線實體和點實體及對應(yīng)的標(biāo)記可以確定管網(wǎng)在三維空間中的具體位置[3]。

1.2 建立BIM模型

BIM模型建立涉及設(shè)計準(zhǔn)備、總體布局、設(shè)計建模、成果審核、實施跟蹤5個階段。

BIM建模流程如圖2所示。

圖2 BIM建模流程

設(shè)計準(zhǔn)備階段，需要組建設(shè)計小組，明確設(shè)計任務(wù)，指定設(shè)計計劃，熟悉項目資料，為設(shè)計做好前期準(zhǔn)備工作，小組成員結(jié)合各自的特長，首先進(jìn)行一次設(shè)計前討論，相互配合進(jìn)行初步設(shè)計，將完成后的各專業(yè)模型交互，碰撞檢查，模型優(yōu)化，直至滿足各方面技術(shù)規(guī)范要求，達(dá)到合格的施工圖標(biāo)準(zhǔn)之后即可出圖，進(jìn)入成果審批階段，請各方面專家對模型進(jìn)行綜合評審，修正，圖紙會簽，即可進(jìn)入實施階段，按照設(shè)計的模型指導(dǎo)工程施工，運用信息化系統(tǒng)，對施工中構(gòu)件信息進(jìn)行動態(tài)采集，完成建筑信息錄入，如包括管道構(gòu)件的ID屬性、材質(zhì)、生產(chǎn)廠家及聯(lián)系方式、標(biāo)高、配件，同時為信息化運維管理奠定堅實基礎(chǔ)。

給排水專業(yè)模型建立時，首先對不同構(gòu)件建模，如綜合管廊，其結(jié)構(gòu)元素搭建主要消防管道、給水排水管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)等組成。其次管道建模，管道建模使用軟件廣聯(lián)達(dá)公司收購的MagiCAD軟件，為方便系統(tǒng)模型修訂，用不同顏色代表不同專業(yè)管線系統(tǒng)，在圖元屬性中設(shè)置管線材質(zhì)、標(biāo)高、管徑及其他信息，進(jìn)而繪制各專業(yè)的管道模型。BIM模型能夠再現(xiàn)管網(wǎng)實體模型，在施工中表現(xiàn)出較強(qiáng)優(yōu)勢，因此，智慧校園建設(shè)采用BIM技術(shù)完成地下管網(wǎng)及地上建筑物模型均建模。

某部位管道系統(tǒng)三維模型如圖3所示。

圖3 某部位管道系統(tǒng)三維模型

管道細(xì)部模型及屬性信息如圖4所示。

圖4 管道細(xì)部模型及屬性信息

某管道節(jié)點設(shè)計如圖5所示。

圖5 某管道節(jié)點設(shè)計

某節(jié)點平面圖中，排水套管橫穿承重梁，導(dǎo)致設(shè)計高度錯誤，在常規(guī)設(shè)計圖上采用單位工程繪圖時并不容易發(fā)現(xiàn)錯誤，運用MagiCAD進(jìn)行模型交互、渲染后，可得某管道三維實體節(jié)點與建筑主體交互。BIM建模后，發(fā)現(xiàn)按照傳統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)致管道設(shè)計錯誤無法施工，采用BIM建模可以提前優(yōu)化模型，模擬施工、節(jié)約成本、縮短工期。

2 集成BIM與GIS技術(shù)構(gòu)建信息化管網(wǎng)模型

在校園各專業(yè)BIM模型完成基礎(chǔ)上，借助Super Map三維GIS一體化技術(shù)體系，將攝影模型與BIM模型等多元空間數(shù)據(jù)有機(jī)融合并檢查，補(bǔ)全信息，實現(xiàn)地下與地表的信息化綜合建模與管理。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入時，將Super Map GIS提供的地形模型融入BIM模型，采用兼容性較好的IFC格式BIM數(shù)據(jù)，以“圖元ID”“圖元名稱”作為基礎(chǔ)[4]，確保各圖元與屬性間的對應(yīng)關(guān)系，建筑物模型與地形信息有機(jī)融合。

3 管網(wǎng)模型信息綜合運用

將構(gòu)建的地下管網(wǎng)三維模型結(jié)合GIS宏觀信息[5]，載入智能建筑管理系統(tǒng)進(jìn)行信息化運維管理。

智慧校園信息化管理系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 智慧校園信息化管理系統(tǒng)

利用智慧校園信息化管理系統(tǒng)可以打開地下管網(wǎng)的三維模型、查看構(gòu)建的空間位置關(guān)系及構(gòu)建信息、漫游查詢系統(tǒng)動態(tài)信息。可視化綜合模型有效克服傳統(tǒng)施工過程中隱蔽工程驗收、維修的問題；在設(shè)備維護(hù)管理過程中點擊“設(shè)備信息”可以一鍵獲取設(shè)備來源，及時儲備或更換設(shè)備。“BIM圖紙”授權(quán)人可以隨時查看相關(guān)信息，避免物理距離引起工期延誤，節(jié)省工期，提高各參與方安全意識。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、模式識別及智能管理系統(tǒng)，接入校園安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實時獲取火災(zāi)隱患等不安全行為，進(jìn)行預(yù)警，預(yù)防不必要的人員、財產(chǎn)損失；整合校園現(xiàn)有管網(wǎng)（采暖、給水、排水、燃?xì)狻㈦娏Α⑼ㄐ诺龋蠈W(xué)校各專業(yè)模型及GIS模型，全面實現(xiàn)校園智慧管理的可視化漫游、巡查等工作。

4 信息化關(guān)系系統(tǒng)安全需求分析

針對不同組織、機(jī)構(gòu)對信息安全的需求不同，對信息安全需求的理解可以從連續(xù)性、可靠性、可控性、安全性、有效性等方面落實。

依據(jù)國家相關(guān)信息安全組織、管理的法律法規(guī)及規(guī)章制度；考慮企業(yè)對信息安全管理的要求，提出不同信息的分類分等級分層次安全管理要求。根據(jù)企業(yè)信息系統(tǒng)資產(chǎn)管理要求，設(shè)計不同資產(chǎn)的差異性安全級別劃分體系，可以實現(xiàn)安全管理、資源合理配置，降低管理成本。根據(jù)用戶信息系統(tǒng)的層次化管理需求，分級提出信息安全方案，一般可以按照物理實體、物理地址、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、操作設(shè)計、管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分層等方面提出信息安全系統(tǒng)。此外，應(yīng)充分考慮組織發(fā)展，給予適當(dāng)裕量，信息系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢兼顧單位經(jīng)濟(jì)等因素。

（1）數(shù)據(jù)可控（Data control）：被授權(quán)的用戶或單位可以查看控制其授權(quán)范圍內(nèi)的信息內(nèi)容并發(fā)出控制行為。

（2）數(shù)據(jù)完整（Dataintegrity）：存儲建筑物地上地下所有構(gòu)件的全壽命周期信息，確保數(shù)據(jù)完整性，不能以任何非法方式攻擊、破壞或篡改。

（3）數(shù)據(jù)機(jī)密（Data confidentiality）：使信息不被泄露給非授權(quán)的實體（個人或網(wǎng)絡(luò)），采取的加密等方式保障數(shù)據(jù)信息安全。

（4）數(shù)據(jù)安全（Data security）：為了防范人為和意外破壞數(shù)據(jù)，從主觀上對資源提供物理保護(hù)措施。

5 結(jié)語

信息化BIM技術(shù)在工程建設(shè)可行性研究、項目設(shè)計、工程造價、施工以及運維等全壽命周期內(nèi)偏重微觀信息管理，集成GIS技術(shù)，與項目關(guān)聯(lián)的地形、地下管網(wǎng)關(guān)聯(lián)，可以拓展工程項目建設(shè)的區(qū)域性信息化管理范圍。工程項目建立各專業(yè)的BIM模型、交互、優(yōu)化，實現(xiàn)項目施工過程進(jìn)度及成本控制，結(jié)合GIS技術(shù)測量的城市地下管網(wǎng)信息，在施工階段可以有效降低施工過程誤挖、錯挖的風(fēng)險，實現(xiàn)可視化信息化施工。后期運維階段，利用BIM模型及集成的項目構(gòu)建信息進(jìn)行可視化管理，能夠避免信息斷層的風(fēng)險，提高管理效率。按照國家關(guān)于BIM推廣應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃，未來實現(xiàn)施工進(jìn)度計劃與三維模型、工程造價的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)5D成本進(jìn)度管理控制，融入新工藝新技術(shù)，發(fā)展信息化工程項目全壽命周期建設(shè)管理，動態(tài)的模擬施工效果、實時成本管理、立體化運維思想必將得到廣泛推廣和應(yīng)用，對促進(jìn)數(shù)字城市發(fā)展具有重要意義。