以GIS和BIM深度集成應(yīng)用技術(shù)為核心的城市地下管網(wǎng)信息管理模式探討

宋學(xué)峰

(北京市中宣市政工程有限公司，北京　100037)

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以GIS和BIM深度集成應(yīng)用技術(shù)為核心的城市地下管網(wǎng)信息管理模式探討

宋學(xué)峰

(北京市中宣市政工程有限公司，北京100037)

不同的城市地下管網(wǎng)建設(shè)管理部門所采用的信息技術(shù)不盡相同，信息管理系統(tǒng)也屬于分布式管理系統(tǒng)。各分布式系統(tǒng)之間因應(yīng)用技術(shù)和信息格式不統(tǒng)一而存在信息孤島現(xiàn)象。以GIS(地理信息系統(tǒng))和BIM(建筑信息模型)的深度集成應(yīng)用技術(shù)為核心的信息管理傳遞模式，將上述兩種技術(shù)從數(shù)據(jù)和系統(tǒng)層面實現(xiàn)集成應(yīng)用，解決不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息格式的相互轉(zhuǎn)換問題，打破各系統(tǒng)、各部門之間的信息壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與信息共享。基于該集成應(yīng)用技術(shù)的信息管理模式是保障智慧城市地下管網(wǎng)科學(xué)、高效、安全運行的有效模式。

GIS； BIM； 深度集成； 智慧城市； 智慧管網(wǎng)； 信息管理模式

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.14

智慧城市建設(shè)是涉及基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)、社會民生、資源環(huán)境、公共安全等各領(lǐng)域的綜合性系統(tǒng)工程，科學(xué)發(fā)展智慧城市除了積極的政策環(huán)境、完善的法規(guī)環(huán)境外，用先進的創(chuàng)新技術(shù)來實現(xiàn)城市建設(shè)管理領(lǐng)域高度的信息共享必然會成為智慧城市建設(shè)強有力的驅(qū)動。城市地下管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的信息化管理是智慧城市建設(shè)管理的重要內(nèi)容，對于任何城市，各類地下管線就是城市的地下生命線，承擔(dān)著能源、通信、防洪、安全等諸多重要的城市功能和使命。

1　我國智慧城市地下管網(wǎng)建設(shè)管理背景

我國城市地下管線包括供水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α⑼ㄓ崱V電、工業(yè)等8類20多種管線以及綜合管廊，其建設(shè)和管理涉及多個政府職能和權(quán)屬部門。在城市地下管線規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運維等不同階段，由于各地下管線的權(quán)屬單位不同，各管理部門所采用的分布式信息管理系統(tǒng)的核心技術(shù)不同而造成各部門之間信息壁壘現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)信息管理不到位、信息溝通不流暢、數(shù)據(jù)更新不及時等多方面的問題。由此造成城市地下管線交錯重疊、雜亂無章，挖斷、泄漏、占壓等安全問題時有發(fā)生，“馬路拉鏈”現(xiàn)象更是層出不窮，這些都嚴(yán)重威脅了城市居民的生命財產(chǎn)安全和城市公共安全，嚴(yán)重影響了城市運行秩序。管線問題如圖1所示。

圖1　城市地下管線問題示意圖

2　城市地下管網(wǎng)建設(shè)管理亟待破解的難題

目前我國在城市地下管網(wǎng)建設(shè)管理中存在的問題有：信息技術(shù)的日新月異導(dǎo)致的國家信息化建設(shè)方面的制度、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的滯后和不完善； 政府職能部門和權(quán)屬管理部門之間的條塊分割嚴(yán)重，協(xié)調(diào)難度大； 城市各分布式管理系統(tǒng)獨立運行，數(shù)據(jù)資源分散，多部門協(xié)同管理困難； 各分布式系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一和系統(tǒng)性，各系統(tǒng)之間的信息類型差異造成信息在系統(tǒng)間業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)時難以共享，系統(tǒng)間業(yè)務(wù)集成應(yīng)用困難，無法完全實現(xiàn)城市信息的高度共享，難以為政府綜合決策提供完善的一站式在線信息綜合服務(wù)。

為解決城市地下管網(wǎng)管理的問題，按照國務(wù)院要求，大多數(shù)城市于2015年底完成了城市地下管線普查工作。但普查之后的信息管理工作還任重道遠(yuǎn)，不但需要按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立綜合信息管理系統(tǒng)和各專業(yè)管線信息管理系統(tǒng)來實現(xiàn)信息的實時交換、共建共享和動態(tài)更新，更需要將這些信息融合到數(shù)字城市與智慧城市建設(shè)中去。這就需要發(fā)改、規(guī)劃、建設(shè)、管理、安全以及市政、電力、通訊、廣電、工業(yè)等管線主管部門和權(quán)屬部門的各分布式管理系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息格式的統(tǒng)一和互聯(lián)。

3　以GIS和BIM深度集成應(yīng)用技術(shù)為核心的信息管理

針對以上難題，國家需要及時建立智慧城市建設(shè)體系信息化管理的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系來促進相關(guān)制度、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的完善； 需要分析整合城市各管理領(lǐng)域的核心系統(tǒng)及其各項信息特征，通過業(yè)務(wù)集成的方式將各部門間的管理協(xié)同起來，將分散的數(shù)據(jù)資源集成起來。針對目前各分布式系統(tǒng)之間的信息類型差異所造成信息交換難題，只有加強技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動，不斷開發(fā)集成應(yīng)用技術(shù)，構(gòu)建面向應(yīng)用、用戶和產(chǎn)業(yè)升級的城市智能化的支撐環(huán)境，才能整合跨行業(yè)和跨部門的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，促進信息資源的深度共享，實現(xiàn)廣泛的業(yè)務(wù)協(xié)同。而GIS和BIM的深度集成應(yīng)用技術(shù)必然會成為解決城市建設(shè)管理領(lǐng)域不同部門之間數(shù)據(jù)信息交換共享的核心技術(shù)之一。

3.1GIS和BIM的技術(shù)優(yōu)勢對比

通過調(diào)查，目前國內(nèi)城市建設(shè)管理相關(guān)領(lǐng)域的信息系統(tǒng)大多是以GIS為核心技術(shù)的管理系統(tǒng)，GIS作為一種特定的空間管理信息系統(tǒng)，應(yīng)用比較成熟。GIS在地理信息管理、環(huán)境信息管理、規(guī)劃信息管理、社會信息管理等諸多方面均有所應(yīng)用，已廣泛用來解決資源清查與管理、城市規(guī)劃與管理、環(huán)境監(jiān)測與評價、災(zāi)害預(yù)警與損失評估、政務(wù)管理宏觀決策、測繪地圖制圖、交通工程規(guī)劃設(shè)計與管理等不同領(lǐng)域的多種問題。

BIM是具有詳細(xì)建筑功能和特性的三維信息模型，目前BIM已廣泛應(yīng)用于城市建筑微環(huán)境規(guī)劃分析、建筑全專業(yè)三維設(shè)計、日照采光分析、噪音分析、CFD分析、能耗分析、結(jié)構(gòu)受力分析、空間優(yōu)化、施工管理、資產(chǎn)管理、空間管理、運維管理、應(yīng)急管理等諸多方面，貫穿工程項目建設(shè)全生命期內(nèi)的規(guī)劃、設(shè)計、招投標(biāo)、施工、運維的各個階段，尤其是BIM模型在項目竣工交付后的幾十年甚至上百年的設(shè)施運行維護管理中的價值越來越受到重視。由于BIM模型包含了建筑物本身及其內(nèi)部的詳細(xì)參數(shù)信息，在表現(xiàn)復(fù)雜的建筑物及其所屬機電等配套系統(tǒng)方面有著非常大的信息優(yōu)勢。

由此可見，GIS數(shù)據(jù)在城市建設(shè)領(lǐng)域主要表現(xiàn)道路、建筑、水域、植被等外部空間設(shè)施的幾何和環(huán)境描述信息，是主要解決城市建設(shè)宏觀領(lǐng)域各種問題的信息應(yīng)用技術(shù)； 而BIM模型在表現(xiàn)復(fù)雜的建筑設(shè)施本身及其所屬機電等配套系統(tǒng)等方面有著非常大的信息優(yōu)勢，是解決城市建設(shè)微觀領(lǐng)域各種問題的信息應(yīng)用技術(shù)。

3.2 GIS與BIM的深度集成研究

3.2.1GIS與BIM深度集成研究的迫切性

目前我國城市建設(shè)領(lǐng)域的城市政務(wù)管理、規(guī)劃管理、土地管理、管網(wǎng)管理等系統(tǒng)大多為數(shù)字化管理系統(tǒng)或基于GIS技術(shù)、3DGIS應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的管理系統(tǒng)，部分系統(tǒng)在一定程度上實現(xiàn)了三維可視化并解決了整個城市或區(qū)域宏觀管理的需求，但在對城市地上地下建筑設(shè)施的微觀管理領(lǐng)域因其信息數(shù)據(jù)大量缺失而顯得不足； 目前國內(nèi)城市建設(shè)管理、施工管理及運維等領(lǐng)域開發(fā)了大量的基于BIM技術(shù)的信息管理系統(tǒng)，和基于GIS技術(shù)的管理系統(tǒng)形成快速并列發(fā)展態(tài)勢。由于GIS技術(shù)和BIM技術(shù)的管理系統(tǒng)所屬的數(shù)據(jù)信息交換格式并不相同，所有對兩個技術(shù)進行深度集成應(yīng)用研究使其發(fā)揮更大的價值顯得尤為迫切。

3.2.2GIS與BIM深度集成應(yīng)用價值

改變我國目前地下管網(wǎng)的管理現(xiàn)狀，消除信息壁壘，需建立各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息的交換和傳遞機制，實現(xiàn)項目從規(guī)劃建設(shè)到運行維護整個生命期內(nèi)實時的信息共享。針對目前國內(nèi)城市建設(shè)領(lǐng)域各分布式系統(tǒng)現(xiàn)狀，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一技術(shù)、統(tǒng)一信息格式可以保證各方數(shù)據(jù)交換過程中的準(zhǔn)確性、安全性和高效性，為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)管理奠定基礎(chǔ)。GIS技術(shù)和BIM技術(shù)集成應(yīng)用創(chuàng)新，驅(qū)動了信息管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和傳遞的發(fā)展與創(chuàng)新，為統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)項目全生命周期應(yīng)用價值最大化奠定了基礎(chǔ)。

圖2　GIS和BIM集成研究思路示意圖

開展GIS與BIM的深度集成應(yīng)用技術(shù)研究，整合建筑基礎(chǔ)設(shè)施外部地理環(huán)境信息與建筑基礎(chǔ)設(shè)施自身屬性信息于一體，將城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理領(lǐng)域的宏觀管理與微觀管理相結(jié)合，是智慧城市地下管網(wǎng)建設(shè)管理精細(xì)化的必然要求。深度集成技術(shù)的應(yīng)用比其單一技術(shù)應(yīng)用在模型質(zhì)量、分析精度、管理效率、成本控制、安全管理等各個方面均有較大提升，應(yīng)用領(lǐng)域和空間也有較大的拓展。目前，GIS與BIM深度集成應(yīng)用研究還屬于前沿課題，在不同的國家和組織間就不同的集成應(yīng)用深度和應(yīng)用方式的研究均有所開展，其中有的部分實現(xiàn)了應(yīng)用層面的集成，但在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)層面進行深度集成的研究成果還為數(shù)不多，國內(nèi)清華大學(xué)在該技術(shù)的深度集成技術(shù)研究方面取得了一定的進展并進行了實踐應(yīng)用。

3.2.3GIS與BIM深度集成研究思路

GIS和BIM深度集成應(yīng)用研究重點是解決兩種技術(shù)不同數(shù)據(jù)格式之間的單向或雙向轉(zhuǎn)換問題，進而實現(xiàn)兩種技術(shù)在數(shù)據(jù)層面和系統(tǒng)層面的集成，達到深度應(yīng)用集成的目的。BIM技術(shù)的主要通用數(shù)據(jù)格式為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，GIS技術(shù)的通用數(shù)據(jù)格式為GML或CityGML格式。這些數(shù)據(jù)格式在語義信息的豐富程度、幾何表達方式上均有所側(cè)重和不同。IFC具有多種幾何表達方式和豐富的構(gòu)造語義信息； 而CityGML強調(diào)多尺度的空間對象表達及其幾何拓?fù)浜驼Z義信息。將IFC和CityGML通過轉(zhuǎn)換工具進行轉(zhuǎn)換并定義其相互轉(zhuǎn)換過程中的幾何信息過濾方法及其語義映射規(guī)則，可保證在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中有價值信息的無損傳遞，為IFC模型和CityGML模型的相互自動轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。集成研究思路示意圖如圖2所示。

4　管網(wǎng)信息傳遞模式

以GIS和BIM的深度集成應(yīng)用為核心，建立城市管網(wǎng)建設(shè)管理各部門之間的信息傳遞模式如圖3所示。

圖3　GIS和BIM集成應(yīng)用技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)信息傳遞模式

4.1集成應(yīng)用使宏、微觀管理部門實現(xiàn)價值互補

由圖4可見，目前GIS技術(shù)應(yīng)用范圍主要涉及政府政務(wù)管理、規(guī)劃管理、管網(wǎng)管理及測繪單位等宏觀管理部門，GIS應(yīng)用系統(tǒng)在集成了BIM技術(shù)應(yīng)用后，可使宏觀管理與微觀管理有效地結(jié)合，實現(xiàn)各部門對建設(shè)相關(guān)信息的動態(tài)化管理，提升部門信息化和精細(xì)化管理水平； BIM技術(shù)應(yīng)用范圍主要涉及項目建設(shè)設(shè)計、施工以及運維等相關(guān)單位的微觀管理，BIM技術(shù)集成GIS技術(shù)后，則可提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的設(shè)計、施工等建設(shè)管理能力、資產(chǎn)管理能力以及運維管理能力。

4.2實現(xiàn)管網(wǎng)各部門的信息交換和動態(tài)更新

工程項目的BIM模型從初步設(shè)計到施工圖設(shè)計、施工建造及運營維護，各個階段的信息不斷完善并無損傳遞，BIM與GIS的深度集成可使BIM模型中的信息在規(guī)劃階段、建設(shè)管理階段以及運維管理階段均可向宏觀管理各部門進行傳遞，這就大大提高了基于GIS技術(shù)的城市規(guī)劃與管理、建設(shè)管理、環(huán)境監(jiān)測與評價、災(zāi)害預(yù)警與損失評估、政府政務(wù)信息等應(yīng)用和分析的精細(xì)化程度。微觀管理領(lǐng)域的設(shè)計、施工及運行維護管理運用集成技術(shù)可以提升空間信息豐富程度和相應(yīng)管理信息的拓展，保證了與各部門之間信息傳遞效率。

集成技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)了各分布式系統(tǒng)的信息交換格式的相互轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一，打通了個分布式系統(tǒng)之間的信息通道，各系統(tǒng)間有規(guī)則連接保證了數(shù)據(jù)的共享與傳遞，保證了信息管理的準(zhǔn)確性、完整性和時效性，尤其是實現(xiàn)了竣工交付階段或管網(wǎng)運行維護部門的管線更新數(shù)據(jù)信息向管理部門的實時更新與傳遞，良好的解決了地下管線的動態(tài)實時更新問題，實現(xiàn)動態(tài)管理。

5　需要進一步解決的問題及建議

城市政務(wù)、發(fā)改、規(guī)劃、建設(shè)、管理、安全以及市政、電力、通訊、廣電、工業(yè)等政府部門、建設(shè)主管部門和權(quán)屬部門不同的業(yè)務(wù)職責(zé)和管理范圍決定了各部門對數(shù)據(jù)和信息的類型、精度和數(shù)據(jù)范圍需求的不同。因此，有必要在充分調(diào)查與協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上對各部門數(shù)據(jù)需求按精度、類型、范圍、權(quán)限進行劃分與界定，建立信息細(xì)度劃分、責(zé)權(quán)劃分管理機制，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，打破信息壟斷，該開放的公開、該共享的共享、該專屬的保密； 同時，信息化有關(guān)部門須進一步縷清與明確各不同部門的管線及其數(shù)據(jù)信息的權(quán)屬和管理關(guān)系，在明確責(zé)、權(quán)、利的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)保障機制，促進各部門之間的協(xié)同工作，提高管理效率。

實現(xiàn)城市管網(wǎng)建設(shè)管理各相關(guān)單位之間的深度合作的關(guān)鍵是解決其各分布式管理系統(tǒng)之間異構(gòu)數(shù)據(jù)信息之間的相互轉(zhuǎn)換和共享，以GIS和BIM集成應(yīng)用為核心的信息管理模式只是為解決該問題提供了技術(shù)保證。只有以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動管理的創(chuàng)新，，以及在不同的系統(tǒng)應(yīng)用和管理工作中尋找GIS和BIM深度集成應(yīng)用所發(fā)揮的價值點，實現(xiàn)各部門間的信息共享和應(yīng)用價值提升，才能跨越條塊分割，打破信息壁壘，消除信息孤島，實現(xiàn)信息資源的深度共享和廣泛的業(yè)務(wù)協(xié)同，才能真正體現(xiàn)智慧城市智慧管網(wǎng)建設(shè)管理的核心價值。

[1]智慧城市標(biāo)準(zhǔn)化總體組.《中國智慧城市標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(2014)》.

[2]住房城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心.《中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告(2015)：BIM深度應(yīng)用與發(fā)展》.

[3]馬智亮.BIM新技術(shù)深度應(yīng)用案例的啟示[J].建筑， 2015(17).

[4]張建平，余芳強，趙文忠 等.BIM技術(shù)在邢汾高速公路工程建設(shè)中的研究和應(yīng)用[J].施工技術(shù)， 2014(18)： 92-96.

[5]湯圣君，朱慶，趙君嶠.BIM與GIS數(shù)據(jù)集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操作技術(shù)[C]//bim技術(shù)在設(shè)計、施工及房地產(chǎn)企業(yè)協(xié)同工作中的應(yīng)用國際技術(shù)交流會.

Discussion on Information Management Mode of Urban Underground Pipe Network based on GIS and BIM Deep Integrated Application Technology

Song Xuefeng

(BeijingZhongxuanMunicipalEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100037，China)

Different management departments of urban underground pipe network construction use different information technologies, and information management systems also belong to the distributed management systems. The information island phenomenon is not uniform between the distributed systems because of the application technology and the information format. The information management transmission mode with deep application integration technology of GIS (Geographic Information System) and BIM (building information model) as its core realizes integrated application of the above two techniques from data and system, solves the problem between different systems of data format conversion, breaks the barriers of information among various systems and various departments, and thus realizes data exchange and information sharing. Information management mode based on the integrated application technology is an effective model to ensure the scientific, efficient and safe operation of underground pipe network in smart city.

GIS; BIM; Deep Integration; Smart City; Intelligent Network; Information Management Mode

宋學(xué)峰(1974-)，男，碩士，高級工程師，北京市中宣市政工程有限公司總工程師。主要研究方向：市政工程施工和BIM技術(shù)應(yīng)用。

TU17

A

1674-7461(2016)04-0080-05