CIM 在雄安新區建設管理中的創新應用

許洪波 馬繼生 趙碩碩

(雄安雄創數字技術有限公司)

近些年，以人工智能（AI）、物聯網（IoT）、大數據等新技術為代表的數字科技席卷全球，物理城市和與之對應的數字城市正形成兩大體系平行發展、交互作用。數字城市為了服務物理城市而存在，物理城市因為數字城市變得高效有序，數字孿生技術應運而生，CIM 是數字孿生技術的核心基礎支撐之一。2021 年5 月，住房和城鄉建設部頒布了《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》（修訂版）。

雄安新區作為城市信息模型（CIM）平臺的第一批試點城市，從2018 年11 月至今，建設了BIM 綜合管理平臺、CIM 的建設協同管理平臺、基于CIM 的綜合管廊智能化管理平臺等系統，在業務上相繼開展了報建審批、數字化建設管理、城市智能治理等領域的CIM 平臺應用，顯著提高了行政審批效率、BIM 模型生產質量、施工建設進度，同時降低了工程建設返工成本和建設現場管理溝通成本。從整體上基本實現了數字城市與現實城市同步規劃、同步建設的規劃理念。

雄安新區雄東片區是東北部雄縣組團重要組成部分和新區先期建設的重點區域之一，規劃面積18 平方公里，劃分為五個部分，其中第一部分A 單元作為先行區域進行建設。在施工過程中，房建、道路、管廊管線的給水、雨水、污水、再生水、燃氣、熱力、電力通訊等各個專業同步施工建設，存在作業面與專業施工上相互干擾影響，施工隊伍云集交錯，導致在建設過程中存在現場管理混亂、調度溝通效率低、施工管線碰撞多等問題。因此，急需通過數字化手段，增強工程現場精細化管理能力，解決時空錯位的工程問題。2021 年8 月30 日經雄安新區管委會批準，以雄東片區為試點推行基于CIM 的數字化建設協同管理平臺，并在容西片區和啟動區同步開展前期準備工作。

1.CIM 技術發展

2011 年，查爾姆斯理工大學的吉爾在《The backbone of a City Information Model (CIM): Implementing a spatial data model for urban design》中提出城市信息模型的概念[1]。

H C Melo 等 人 在Implementation of City Information Modeling (CIM) concepts in the process of management of the sewage system in Piumhi,Brazil（H C Melo1,S M G G Tomé1,M H Silva2,et al.,2019）提到以CIM 技術實現預防措施為重點的城市生活污水管網管理的新模式，結合BIM、GIS 的軟件能力構建污水管道模型，用以診斷污水管網，提高管理決策的質量，但由于在系統規劃設計時未考慮集成相應物聯網設備，缺少對看不見的數據、非精確測量數據和堵塞水井中獲得數據的感知，限制了所開發的數據模型及應用[3]。

在國外學術界提出的城市信息模型概念的影響下，國內CIM 的研究與實踐方興未艾。2015 年，同濟大學吳志強院士在城市信息模型（CIM）概念的基礎上，面向未來發展趨勢，提出了城市智能模型（City Intelligent Model）的概念，將城市信息模型的數據整合、分析、表達等工作重點轉向了智能應用方向，重點解決城市運行發展過程中的問題。

2020 年1 月開始，住房和城鄉建設部聯合工業和信息化部、中央網信辦等部委印發了一系列政策指導文件和技術標準，促進了CIM 基礎平臺在全國各地的開發建設[3]。

2.建設管理需求

雄東片區先期建設區域總建筑面積約220 萬平方米，其中地上建筑面積136 萬平方米，地下建筑面積84 萬平方米，總樓棟數218 棟，市政道路24 條，綜合管廊5 條，纜線管廊8 條，建設工期僅有416 日歷天。

在施工過程中，現場地上地下、市政房建同步實施，施工隊伍眾多，在場人數最高多達2 萬人，普遍存在現場管理難度大、調度溝通耗時、管線碰撞問題多等典型問題，急需數字化、在線化的管理系統提供輔助決策。

3.創新應用場景

2021 年8 月30 日經雄安新區管委會批準，以雄東片區為試點推行基于CIM 的數字化建設協同管理平臺，并加快推進在容西片區開展數字化協同平臺建設。

以數字孿生為理念，以CIM 技術為基礎，匯聚片區項目建設全過程的BIM、GIS、IoT 數據，開發輔助決策、碰撞分析、事件協同、現場管理等管理功能，實現行業主管部門（規建局）、建設單位（雄安集團）、施工單位、設計單位等數據互通與業務協同，豐富項目管理手段，提升管理效率，創新工程建設項目全生命周期的進度、質量、安全等場景的線下與線上一體化管理模式。以項目基本需求為基礎，設計了基于CIM 的數字化建設協同管理平臺應用框架，用于指導系統開發及項目全過程管理，如圖1 所示。

圖1 應用框架設計圖

3.1 線上管理，實現施工現場的遠程指揮調度

通過匯聚雄東片區的BIM 模型數據、傾斜攝影、正射影像數據并疊加融合，實現數字孿生施工場景建設，改變以往過去的現場拍攝照片、準備會議材料、確定開會場地并結合施工圖紙的傳統調度模式，通過CIM 數據模型可遠程巡查現場施工進展，并結合BIM 模型實現施工與設計融合（如圖2 所示），管控施工質量，支撐管理方線上實時對項目的整體遠程指揮調度。

圖2 BIM 管線模型與傾斜攝影實地融合應用

3.2 現場管理，加強施工現場的實時管控力度

片區級的施工現場管理，以連接高點視頻監控和接入無人機實時巡檢為主要巡檢工具，結合施工現場的正射影像、BIM 數據和人工智能算法，立體巡查施工進度，智能分析施工安全隱患，輔助工地現場管理調度決策。

3.3 碰撞分析，提升地下管線施工效率和質量

基于碰撞檢查模塊，對不同項目間不同專業的各階段BIM 模型進行碰撞分析，預見性發現設計過程中的錯、漏、碰、缺等問題，在系統中生成碰撞點，推送至設計與施工單位，同時支持線上解決方案反饋，為建設指揮時序調度提供技術支撐，有效避免施工返工，高效保障施工進度與質量。

3.4 模地校驗，保障未來城市運營的數據質量

通過竣工測量的建筑、管線及重要設施的點位數據采集，結合匯交的BIM 模型，在數字化建設協同平臺上進行空間計算，全空間、全方位和全要素的自動查驗模地一致性。可提升竣工驗收效率，保障BIM 質量，為未來城市運營奠定數據基礎。

4.碰撞檢測算法應用

碰撞檢測分析為雄東片區的地下管網施工時序、作業面管理等方面提供了關鍵技術支撐。目前，在管網碰撞分析的算法方面，基于包圍盒的碰撞檢測算法得到了普遍的應用。經典的包圍盒類型有包圍球（Sphere）、軸對齊包圍盒（Axis-Aligned Bounding Box，簡稱 AABB）、方向包圍盒（Oriented Bounding Box，簡稱 OBB）[4-5]。

包圍盒可以看作是一類簡單的幾何體，常用于包圍具有復雜形狀的對象。其中，常見的有球體和盒體。在上述幾種常見的包圍盒中，包圍球是構造難度相對容易的一個，且碰撞檢測速度最快。但是，由于包圍球具有緊密型差的缺點，所以很少采用此方法進行碰撞檢測。

軸對齊包圍盒是上述包圍盒中構造難度最低的一種，但是由于軸對齊包圍盒與包圍球都具有緊密性較差的缺點，所以在碰撞檢測過程中可能增加大量的計算，降低碰撞檢測效率。

方向包圍盒可以隨著對象的幾何特性任意調整其軸向，所以可以更加緊密地包圍對象，使得碰撞檢測過程的包圍盒對的數量降低。但是，方向包圍盒的構造過程較為繁瑣，需要尋找最優方向以及此方向上盒體最小尺寸。由于方向包圍盒樹的每層節點的特征都各不相同，所以對于樹的構建較為繁瑣，并且方向包圍盒的相交測試比軸對齊包圍盒相交測試的計算復雜度更高。

通過對不同碰撞檢測算法的比較，總結出各類包圍盒在構造技術難度、存儲體量、相交計算難度、緊密度、物體變化后包圍盒的計算量等方面的優劣程度以及其對剛體或變形體適用性。

由于城市地下管網的所有管線幾乎是平行于空間坐標系，并且軸對齊包圍盒具有各邊平行于坐標軸的特性，同時，軸對齊包圍盒構造簡單并且適用于剛體的碰撞檢測，所以本系統通過基于改進后的軸對齊包圍盒進行管網的碰撞檢測分析。

在軸對齊包圍盒的碰撞檢測階段，通過遍歷軸對齊包圍盒樹來進行管線的精確位置碰撞檢測算法研究。軸對齊包圍盒樹的構造相關因素如下：包圍盒種類、樹的度數以及樹的構造方式。對于包圍盒種類的選擇為軸對齊包圍盒，二叉樹作為樹的度數，樹的構造方式為自頂向下，并且根據在對象中值處分割確定分割平面，得到一顆平衡二叉樹，即軸對齊包圍盒樹，并且通過遍歷軸對齊包圍盒樹最終確定管線碰撞的具體位置，在具體位置上打上三維標記點，輸出碰撞分析結果。

5.CIM 技術應用成效

2021 年9 月至2022 年 6 月，通過雄安CIM 數字化建設協同管理平臺，匯聚雄東片區項目的GIS、BIM 及規劃數據，協同建設指揮部組織管理，實現建設片區三維可視化場景建設，將傳統的現場調度指揮的管理模式提升為線上與線下結合的新型項目管理模式。通過碰撞分析，發現并避免1740 處碰撞和接駁問題，有效減少施工返工成本，保障工程建設按計劃完工，為各片區項目建設階段施工管理與指揮調度提供關鍵技術支撐和輔助決策，實現數據決策、信息共享、協同作業，有力支撐新區各片區工程建設工作，得到雄東片區指揮部高度認可，并推動本平臺在啟動區和容西片區項目建設中開展雄安CIM 數字化建設協同平臺部署應用，繼續支撐新區項目建設工作。

6.結語

CIM 是數字孿生城市建設的基礎支撐技術，也是近些年新型智慧城市建設的熱點。結合雄安新區高質量建設管理的需求，本文以基于CIM 的數字化建設協同管理平臺在雄東片區的建設項目實踐，系統分析了CIM 技術發展歷程，實踐了線上線下一體化管理的創新應用場景模式和碰撞檢測分析算法的應用，保障了片區項目建設的進度與質量，本平臺未來可繼續豐富建設進度、質量和安全方面的數字化場景應用，促進新區數字孿生城市建設與發展。