BI M和GI S技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

王元鑫

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京100080）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 人們對城市建筑水平提出更高的要求，智慧型城市建設(shè)屬于重要發(fā)展方向。 傳統(tǒng)的數(shù)字城市建模方法在當(dāng)前的智慧城市建設(shè)中缺乏可行性， 在此背景下，BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用方案更具可行性。 基于此，探討B(tài)IM 技術(shù)和GIS 技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用策略具有重要意義。

2 BI M技術(shù)和GI S技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢

BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)在功能上具有互補(bǔ)的關(guān)系。 BIM 技術(shù)是數(shù)字化動態(tài)管理信息的技術(shù)，將其應(yīng)用于建筑工程中，可涵蓋建筑工程的各項內(nèi)部信息，但由于缺乏定位功能，難以實(shí)現(xiàn)全面化的空間信息管理；GIS 技術(shù)是與地理環(huán)境分析有關(guān)的技術(shù)，其優(yōu)勢在于可高效處理空間信息，但難以獲得建筑內(nèi)部信息。因此，BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)綜合應(yīng)用可兼顧內(nèi)部信息管理和空間信息管理兩項要求， 有效提高三維建模質(zhì)量以及分析精度，降低工程成本[1]。

GIS 技術(shù)有效推動了智慧城市的發(fā)展，若結(jié)合BIM 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對智慧城市項目建設(shè)全生命周期的全方位管理， 例如，在規(guī)劃審批、建設(shè)監(jiān)管、運(yùn)營管理等方面均有突出的應(yīng)用效果。

具體而言，BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)綜合應(yīng)用方式的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下4 方面：（1）提供管理和空間分析功能。 （2）提供二維、三維一體化的基礎(chǔ)底圖，為施工提供參考。（3）提供各BIM單體間的連接網(wǎng)絡(luò)管理功能，在智慧城市項目中，涵蓋市政道路、地下管線等。 （4）提供BIM 數(shù)據(jù)管理功能，尤其是在大規(guī)模建筑群中，BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)具有其他技術(shù)難以比擬的優(yōu)勢。 以“BIM+3DGIS”模式為例，包含精準(zhǔn)的城市三維建模、實(shí)時的人流監(jiān)控以及全面的傳感網(wǎng)絡(luò)等， 能夠給智慧城市的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營管理提供重要的指導(dǎo)。

因此，BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)相融合的方式具有良好的應(yīng)用效果，適用于城市規(guī)劃設(shè)計、市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、環(huán)境模擬、災(zāi)害管理等領(lǐng)域，在BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用模式下，提高智慧城市的建設(shè)水平和服務(wù)水平。

3 項目概況

某城市公園項目，占地面積395 hm2，包含4 個生態(tài)修復(fù)區(qū)，具體建設(shè)內(nèi)容為道路、橋梁、隧道、水庫、園林。 園區(qū)內(nèi)景觀橋24 座，遷改暗涵長1.42 km，湖底隧道長1.75 km，道路長18 km，種植苗木數(shù)量達(dá)300 余種。

4 智慧建造管控平臺

智慧建造可選擇的軟件和硬件豐富， 各自的數(shù)據(jù)類型各異，可能因數(shù)據(jù)類型的差異而無法正常流通數(shù)據(jù)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島。 針對該問題，建立1 個智慧建造管控平臺，將碎片式的信息化管理集成至智慧建造管控平臺， 提高對BIM 應(yīng)用、BIM+GIS 應(yīng)用、BIM+IOT 應(yīng)用各子系統(tǒng)的集成化水平， 突出信息集成化特點(diǎn)，在項目管理中深入融合信息化技術(shù)。

智慧建造管控平臺的功能豐富， 可根據(jù)項目特點(diǎn)開發(fā)相應(yīng)的功能板塊，融合GIS 廠商、大數(shù)據(jù)廠商等模塊，對外提供統(tǒng)一的、開放的API 數(shù)據(jù)接口環(huán)境，打破各專業(yè)系統(tǒng)間的信息壁壘，加快信息的流通與共享，統(tǒng)一整合多維度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行疊加分析，提取利用價值的數(shù)據(jù)。 智慧建造管控平臺擁有屬于自身的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)，集成項目概況、資料管理、協(xié)同管理、進(jìn)度管理、環(huán)境監(jiān)測、人員定位、車輛定位、人員考勤、視頻監(jiān)控、試塊養(yǎng)護(hù)、深基坑監(jiān)測及無人機(jī)應(yīng)用共計12 個模塊[2]。

5 BI M技術(shù)和GI S技術(shù)的應(yīng)用方法

5.1 無人機(jī)地形測量

無人機(jī)設(shè)備采用大疆經(jīng)緯M300+賽爾PSDK 102S， 適配清華山維EPS2016 軟件， 用無人機(jī)采集項目施工區(qū)域的地理空間數(shù)據(jù)后，通過軟件生成三維地形模型，再從模型中導(dǎo)出地理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CAD 軟件提供原始地形數(shù)據(jù)，例如，場地等高線、坐標(biāo)點(diǎn)，以便開展地形設(shè)計工作。

項目施工現(xiàn)場征拆工作進(jìn)度不一， 需要根據(jù)工程現(xiàn)狀進(jìn)行分區(qū)，有序?qū)嵤?由于難以按照豎向設(shè)計一次完成堆坡造景作業(yè)，需分多次進(jìn)行，施工內(nèi)容煩瑣。 項目作業(yè)面積大，工期緊張， 在指定時間內(nèi)精準(zhǔn)完成測量作業(yè)是項目進(jìn)程得以正常推進(jìn)的重要前提。 若采用人工測量方法，整個項目范圍的測量作業(yè)量達(dá)到600 余人次，調(diào)整為“無人機(jī)+GIS”的測量技術(shù)后，可縮短95%的測量時間，測量耗時僅為2 d，原因在于可利用Civil3D 生成地形模型，利用模型直觀反映項目場地內(nèi)的地形條件，在對比分析施工地形和設(shè)計地形后，確定填挖高差，計算土方工程量并規(guī)劃施工方式，有效提高土方作業(yè)效率。

5.2 地形設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)土方不外棄的原則以及公園建設(shè)的生態(tài)要求進(jìn)行地形豎向控制。地形設(shè)計優(yōu)化采用的是Rhino+Grasshopper，以參數(shù)化、可視化的方式構(gòu)建地形模型，可呈現(xiàn)堆坡造型變化對湖岸線、林跡線產(chǎn)生的影響，方便設(shè)計人員掌握地形條件并靈活調(diào)節(jié)地形設(shè)計方案。 通過應(yīng)用Civil3D 軟件，可疊合比較地形設(shè)計模型和原始地形，確定兩者的差異，合理調(diào)節(jié)豎向高度。根據(jù)高精度的地形設(shè)計要求，利用軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將豎向高程精度控制在厘米級，并保證土方平衡差小于5×104m3。

5.3 場地規(guī)劃

聯(lián)合應(yīng)用湖底下穿隧道BIM 模型和無人機(jī)傾斜攝影三維地形模型，模擬施工路線，檢驗(yàn)各類設(shè)施的布置方式是否合理。 根據(jù)模擬分析結(jié)果優(yōu)化分布不合理的設(shè)施，制訂臨時設(shè)施搭設(shè)方案，一方面充分發(fā)揮出臨時設(shè)施的應(yīng)用價值，另一方面避免現(xiàn)場材料二次搬運(yùn)的煩瑣工序。 經(jīng)過建模分析后，提供三維可視化資料，以便項目施工活動的有效進(jìn)行[3]。

5.4 虛擬場景

項目實(shí)施階段的干擾因素多，景觀方案的控制難度高，需要在短時間內(nèi)呈現(xiàn)高質(zhì)量的景觀效果、 通過項目景觀元素展現(xiàn)地方文化特色以及控制成本，為實(shí)現(xiàn)前述提及的多項目標(biāo)，項目采取如下措施：（1）根據(jù)綠植初設(shè)圖紙可知，園區(qū)內(nèi)有100余種灌木和300 余種喬木，按1∶1 的比例對其進(jìn)行建模，形成直觀性、可視性的苗木模型庫。 （2）對苗木種植虛擬還原，從苗木搭配方式、樹種間距等角度對比分析園區(qū)苗木栽植方案，調(diào)整設(shè)計方案，共完成500 余處優(yōu)化。 以設(shè)計方案為準(zhǔn)，通過虛擬化、數(shù)字化的方式建造未來場景，在尚未建設(shè)時便獲得沉浸式體驗(yàn)感，完工情況與建模情況，如圖1 所示。

圖1 施工現(xiàn)場與模型

5.5 進(jìn)度管理

工作人員可通過管控平臺進(jìn)度管理模塊查看項目各結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)管理信息，根據(jù)信息判斷項目實(shí)際進(jìn)度。 管理員可通過手機(jī)端記錄材料出入庫、勞動力投入等信息，實(shí)際信息與預(yù)期存在偏差時，隨即預(yù)警糾偏。 管控平臺進(jìn)度管理模塊自動記錄各道工序起始時間，方便工程人員根據(jù)工作需要追溯數(shù)據(jù)，為質(zhì)量缺陷的處理、工程索賠等活動的開展提供重要依據(jù)。 在應(yīng)用計劃時間/ 實(shí)際時間關(guān)聯(lián)模型后，可對比分析項目實(shí)際進(jìn)度與計劃進(jìn)度，若存在偏差則及時調(diào)整。

5.6 協(xié)同管理

得益于協(xié)同管理功能，參與方可通過線上發(fā)起辦公流程，進(jìn)行工序驗(yàn)收、安全巡查等日常管理工作。 以短信的形式向參與人員告知工作流程，各相關(guān)主體在線上參與項目管理，保證管理效果的同時提高管理效率。 協(xié)同管理的方式突破空間和時間的束縛，方便管理人員隨時隨地對項目采取管理措施，有效保障了管理的實(shí)效性。

5.7 環(huán)境管理

防護(hù)生態(tài)環(huán)境是項目建設(shè)的重要目標(biāo)， 在本項目中采用到環(huán)境監(jiān)測模塊，可實(shí)時監(jiān)測PM2.5、PM10等環(huán)境指標(biāo)，并接入政府監(jiān)管系統(tǒng)，方便政府部門掌握環(huán)境條件，采取監(jiān)管措施。環(huán)境監(jiān)測模塊可通過平臺推送預(yù)警消息， 及時向工程人員告知可能超出許可范圍的環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)，快速處治。 以粉塵濃度偏高為例，平臺及時告知管理人員，聯(lián)動現(xiàn)場智能降塵設(shè)備進(jìn)行降塵[4]。

5.8 人員管理

項目人員管理主要通過人員考勤模塊實(shí)現(xiàn)， 管理人員可利用平臺查看各區(qū)域人員數(shù)量、各工種人員數(shù)量等，結(jié)合工程建設(shè)任務(wù)調(diào)度管理工程人員。 通過人員考勤模塊的應(yīng)用，有效避免人員閑置的情況，提高了人力資源利用水平。

5.9 定位管理

項目定位管理主要采用的是定位模塊，在“BIM+GIS”技術(shù)的孿生場景中動態(tài)展現(xiàn)人員分布狀況， 對各施工危險點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時定位，加強(qiáng)對危險施工點(diǎn)位的安全巡視，充分保障人員的人身安全。 此外，在施工車輛上安裝定位裝置，在衛(wèi)星定位系統(tǒng)的配合下，可及時查詢車輛的位置，生成車輛運(yùn)行軌跡，便于管理人員優(yōu)化車輛運(yùn)行線路以及調(diào)節(jié)各道工序的施工時間， 盡可能通過優(yōu)化管理措施減少交通沖突點(diǎn)， 保障施工安全，提高施工效率。

5.10 “BI M+I OT”應(yīng)用

5.10.1 試塊智能養(yǎng)護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)

項目下穿隧道長1.75 km，最大埋深22 m，需要采用抗?jié)B混凝土建造隧道主體結(jié)構(gòu)，保證隧道的防水效果。 向管控平臺接入試塊養(yǎng)護(hù)智能監(jiān)控系統(tǒng)， 在隧道混凝土施工期間選取試塊并進(jìn)行跟蹤標(biāo)記，由于系統(tǒng)的聯(lián)動以及數(shù)據(jù)的高效共享，工作人員可實(shí)時查看混凝土試塊的數(shù)量、養(yǎng)護(hù)狀態(tài)、養(yǎng)護(hù)預(yù)警次數(shù)、養(yǎng)護(hù)期間的用水量、養(yǎng)護(hù)溫度及濕度等信息，通過試塊反映下穿隧道混凝土施工情況， 有利于加強(qiáng)質(zhì)量控制以及提高施工效率。

5.10.2 深基坑監(jiān)測系統(tǒng)

下穿隧道周邊為弱膨脹土質(zhì)， 采取多段同步施工的方案時，在基坑施工期間潛在質(zhì)量隱患和安全隱患。 基于對施工質(zhì)量和施工安全的考慮， 在下穿隧道施工中采用基坑位移監(jiān)控技術(shù)，共布設(shè)93 個測點(diǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)可被及時傳輸至平臺，供工作人員查看，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷隧道是否存在位移變化、位移的發(fā)展趨勢等。 在本項目中，下穿隧道施工全程共產(chǎn)生5 次預(yù)警推送，工程人員及時根據(jù)預(yù)警信息采取管控措施，有效規(guī)避施工風(fēng)險。

6 結(jié)語

綜上所述，本項目屬于重要的城市基礎(chǔ)配套設(shè)施，根據(jù)高品質(zhì)的建設(shè)要求，項目構(gòu)建指揮建造管控平臺，在項目設(shè)計、建造等階段聯(lián)合應(yīng)用BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)，有效突破地形營造控制難度高、統(tǒng)籌管理復(fù)雜、質(zhì)量可控性差、效率低等問題。同時，BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)的信息交流效率高，管理人員可直觀獲取工程信息，判斷工程實(shí)際進(jìn)度以及工作狀況，及時采取針對性的管控措施。 管控平臺增強(qiáng)了項目各部門的協(xié)同性，構(gòu)建立體化的管理模式，管理對象涉及工程人員、工程進(jìn)度、工程車輛等方面，在全面的管控下，項目各項活動按照計劃如期進(jìn)行，施工安全得到保障，施工質(zhì)量符合預(yù)期。 實(shí)踐證明，BIM技術(shù)和GIS 技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用方式具有可行性，有推廣價值。