BIM+3DGIS技術(shù)在智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施及數(shù)字化管線運管系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

劉百韜 潘艷艷 李夢培 馬文新 沈辰楠

摘 要：以智慧園區(qū)項目為背景，研究BIM+3D GIS在智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施及地下管線管理的應(yīng)用及具體實現(xiàn)方案、技術(shù)、成果、可發(fā)展方向。在研究過程中重點比對3DGIS平臺系統(tǒng)構(gòu)架、應(yīng)用技術(shù)，并選擇具有較好開放性的平臺；研究BIM技術(shù)的利用及3DGIS信息模型的搭建流程，即智能化管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)及其流程；完成BIM模型與3DGIS平臺的數(shù)據(jù)傳遞，確定信息模型所包含的信息參數(shù)，使系統(tǒng)平臺滿足市政設(shè)施管理部門、管線運營管理公司等用戶的管理應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：智慧園區(qū)；BIM；3DGIS；智慧城市

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0037-05

本文依托智慧園區(qū)項目研究了BIM+3D GIS技術(shù)在智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施及地下管線運維管理中的應(yīng)用。詳細(xì)闡述了其技術(shù)路線及建設(shè)方案。基于BIM+3D GIS技術(shù)的三維市政信息綜合管理系統(tǒng)，可以對具備某一類標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)、包含拓?fù)湫畔⒓百Y產(chǎn)信息的市政設(shè)施或企業(yè)設(shè)施進(jìn)行科學(xué)化的地上、地下一體化管理。

1 技術(shù)背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程項目趨于大型化和復(fù)雜化，工程監(jiān)測的規(guī)模范圍也趨于大型化，產(chǎn)生的監(jiān)測信息數(shù)量巨大且類型復(fù)雜，給監(jiān)測信息的采集、分析和管理帶來了困難。如何實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化和高效管理，從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用和管理的效率，逐漸成為一種需求和趨勢。

BIM（建筑信息模型）技術(shù)可進(jìn)行工程化信息監(jiān)測，可以實現(xiàn)對工程構(gòu)筑物的質(zhì)量和安全的實時管理。通過三維GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)可實現(xiàn)工程全局的項目信息統(tǒng)籌和科學(xué)決策。

BIM與GIS通過數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)集成或應(yīng)用集成來實現(xiàn)集成應(yīng)用。目前二者集成在城市規(guī)劃、城市交通分析、城市微環(huán)境分析、市政管網(wǎng)管理、住宅小區(qū)規(guī)劃、數(shù)字防災(zāi)、既有建筑改造等諸多領(lǐng)域有所應(yīng)用，與各自單獨應(yīng)用相比，在建模質(zhì)量、分析精度、決策效率、成本控制水平等方面都有明顯提高。BIM與GIS集成應(yīng)用，可增強大規(guī)模公共設(shè)施的管理能力，拓寬和優(yōu)化各自的應(yīng)用功能，提高長線工程和大規(guī)模區(qū)域性工程的管理能力。

2 BIM+3DGIS技術(shù)在智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施中的 應(yīng)用

2.1 智慧城市與智慧園區(qū)

智慧園區(qū)是智慧城市的縮影，是信息技術(shù)發(fā)展所帶來的產(chǎn)物。它是通過信息技術(shù)和各種各樣的資源結(jié)合所形成的，有助于企業(yè)降低運營成本，提高工作效率，增強服務(wù)能力等多種優(yōu)點。

園區(qū)的管理半徑與管理縱深較大，做出準(zhǔn)確決策的難度也較大。因此必須建設(shè)一個強大的園區(qū)服務(wù)平臺來進(jìn)行支持，同時依托平臺，促進(jìn)園區(qū)的管理部門、企業(yè)、合作單位良性互動。園區(qū)需要在戰(zhàn)略、流程、資源三個層面進(jìn)行很好的配合。在戰(zhàn)略目標(biāo)的指導(dǎo)下，建立合理高效的組織架構(gòu)，完善企業(yè)整體各項管理流程，創(chuàng)建并固化一套標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)的管理體系；充分利用人才、資金等內(nèi)外部資源。

基于互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，從更高的公共數(shù)據(jù)應(yīng)用、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的共享、多重數(shù)據(jù)的融合的層面出發(fā)，解決了大部分傳統(tǒng)建筑智能化管理存在的問題。通過智慧園區(qū)的建設(shè)，幫助園區(qū)在信息化方面建立統(tǒng)一的組織管理協(xié)調(diào)架構(gòu)、業(yè)務(wù)管理平臺和對外服務(wù)運營平臺；建立統(tǒng)一的工作流程，通過云平臺的整合，以云平臺為樞紐，形成一個緊密聯(lián)系的整體，獲得高效、協(xié)同、互動、整體的效益；建立統(tǒng)一的應(yīng)急管理與日常管理、對內(nèi)與對外服務(wù)這四大體系。

2.2 BIM+3DGIS在智慧園區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用

2.2.1 智慧園區(qū)建設(shè)背景

本文依托項目規(guī)劃占地面積約8.78平方公里，包括整車廠、零部件和物流園區(qū)等，建成后或?qū)颖臼衅囌嚿a(chǎn)、零部件配套、汽車金融等相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

基地在設(shè)計理念、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)上以先進(jìn)的綠色環(huán)保為首要原則，做到全方位節(jié)約資源：注重節(jié)約能源及合理利用能源，將采用先進(jìn)、全面、系統(tǒng)地環(huán)境治理措施，結(jié)合城市配套的環(huán)保設(shè)施，對生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的噪聲、廢氣、污水及固體有害廢棄物等進(jìn)行綜合、系統(tǒng)地治理。

2.2.2 智慧園區(qū)建設(shè)內(nèi)容

該項目以三維GIS平臺為依托建設(shè)成以地形、二維矢量、地上場景、地下管線、室內(nèi)三維結(jié)構(gòu)、室內(nèi)管線、各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為主的空間信息管理平臺，以此平臺為入口實現(xiàn)智慧基地的目標(biāo)。

智慧基地建設(shè)，以同一套基地三維數(shù)據(jù)庫為核心，以三維數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)，以標(biāo)準(zhǔn)化的三維數(shù)據(jù)庫管理和更新機制為保證，為基地管理人員和公眾提供高效、安全、可靠的三維空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)，輔助基地部門直觀、科學(xué)地決策，從而提高基地管理的效率。

初期平臺建設(shè)實現(xiàn)BIM+GIS模型多媒體交互展示。該平臺通過多媒體交互等信息技術(shù)對片區(qū)內(nèi)的地下管網(wǎng)、市政設(shè)施進(jìn)行全方位展示。

項目中期完成三維市政信息綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)。以初期建設(shè)成果為基礎(chǔ)建設(shè)三維市政信息綜合管理系統(tǒng)。完成的系統(tǒng)各個模塊之間是開放的、局內(nèi)數(shù)據(jù)資源和信息在制度保障下自由流動并和其它政府專題GIS能順利對接，構(gòu)成一個開放的、易擴(kuò)充的、穩(wěn)定的，并具有統(tǒng)一軟件平臺、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)的開放系統(tǒng)。

系統(tǒng)滿足市政設(shè)施管理部門，大型企業(yè)園區(qū)、樓宇，管線運營管理公司等用戶的管理應(yīng)用需求。為企業(yè)內(nèi)部資產(chǎn)的優(yōu)化管理和設(shè)施維護(hù)、檢修提供服務(wù)，對各種可能發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)警和為事故處理提供決策支持，從而達(dá)到加強設(shè)施的管理，實現(xiàn)為發(fā)展創(chuàng)造良好內(nèi)部環(huán)境的目標(biāo)。

3 智慧園區(qū)CIM模型搭建

CIM（City Information Modeling）是以城市信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。從范圍上講是大場景的GIS數(shù)據(jù)+小場景的BIM數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)的有機結(jié)合。因此BIM模型+GIS數(shù)據(jù)可以統(tǒng)稱為CIM模型。

為實現(xiàn)初期目標(biāo)，首先需要進(jìn)行CIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)內(nèi)容根據(jù)需求包含：

（1）片區(qū)所有地下管線BIM設(shè)計建模。（2）片區(qū)市政設(shè)施、能源場站BIM設(shè)計建模，并包含市政設(shè)施內(nèi)主要設(shè)施。（3）GIS平臺地上要素三維數(shù)據(jù)建設(shè)，主要包括區(qū)域內(nèi)部分建筑、道路及附屬設(shè)施、綠化、水域等。

3.1 市政能源場站BIM建模

3.1.1 BIM工作流程

在BIM建模過程中，需要水、暖、電、建筑、結(jié)構(gòu)、總圖等多專業(yè)人員及項目負(fù)責(zé)人共同協(xié)作完成，ArchiCAD的團(tuán)隊工作功能為各專業(yè)設(shè)計人員提供了一個共同協(xié)作平臺，根據(jù)時限要求合理安排工作流程。如表1所示。

3.1.2 各專業(yè)建模

各專業(yè)在建模過程中主要使用ArchiCAD自帶的墻梁板柱、殼體、變形體等工具，并結(jié)合計算機工程師編制的符合設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的圖庫部件聯(lián)合構(gòu)建模型。

3.1.3 碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時修正

各專業(yè)人員在同一工作平臺設(shè)計，每位設(shè)計人在自己的權(quán)限內(nèi)完善模型，連接各單體的同時及時溝通交流，進(jìn)行專業(yè)間的碰撞檢查，生成碰撞檢測報告。之后通過交互軟件進(jìn)行批注，發(fā)送該信息給相關(guān)專業(yè)所屬人，所屬人據(jù)此可迅速定位到碰撞點，進(jìn)行修改反饋，從而提高碰撞處理效率，使得設(shè)計瑕疵能夠?qū)崟r避免，如圖1所示。

以污水廠為例，BIM模型如圖2所示。

3.2 道路BIM建模

需建模道路包含園區(qū)設(shè)計道路及部分園區(qū)外道路，且包含立交兩座、高架橋一條。設(shè)計道路嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行BIM建模，達(dá)到施工圖設(shè)計深度；園區(qū)外道路建模滿足與園區(qū)內(nèi)道路的模型的對接，準(zhǔn)確表達(dá)園區(qū)內(nèi)外路網(wǎng)關(guān)系。如圖3、4所示。

針對項目實際情況，我方采取多軟件結(jié)合應(yīng)用的方式展開BIM工作，以下為道路專業(yè)BIM建模流程：

（1）應(yīng)用Roadleader軟件進(jìn)行地形建模及場地分析，搭建出后期道路BIM建模的基礎(chǔ)。（2）在地形已搭建的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用Roadleader進(jìn)行道路BIM建模。（3）在道路BIM建模完成之后，將道路模型導(dǎo)出至Archicad軟件，應(yīng)用Archicad進(jìn)行二次深化設(shè)計。在Archicad中進(jìn)行路燈、標(biāo)志標(biāo)線、路障、紅綠燈及智能交通等交通設(shè)施的建模工作，并將交通設(shè)施嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行布設(shè)，高精度搭建道路系統(tǒng)全景BIM模型，三維還原設(shè)計師設(shè)計理念，精準(zhǔn)表達(dá)道路及其周邊設(shè)施排布。

3.3 GIS平臺地上要素三維數(shù)據(jù)建設(shè)

包含區(qū)域內(nèi)駐區(qū)企業(yè)、商業(yè)、商務(wù)建筑、道路及附屬設(shè)施、綠化、水域等建筑外形模型建設(shè)。一種方式是應(yīng)用無人機航拍，對項目現(xiàn)場進(jìn)行傾斜攝影，采集數(shù)據(jù)建立實景模型。另一種方式是根據(jù)相關(guān)CAD圖紙、現(xiàn)場照片等資料，利用Sketchup、3DMAX等建模軟件進(jìn)行實景建模，再對模型進(jìn)行貼圖渲染。通過以上兩種方式，實現(xiàn)GIS平臺地上要素的實景建模，達(dá)到現(xiàn)場區(qū)域的實景還原。

3.4 管網(wǎng)建設(shè)

3.4.1 模型系統(tǒng)

管網(wǎng)工程系統(tǒng)的模型內(nèi)容在建模過程中一般分為三個級別。如給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的一級分類包括管道設(shè)備、給水排水管網(wǎng)、管道基礎(chǔ)和接口；在二級分類中，管道設(shè)備分類包括計量設(shè)備、消防設(shè)備等；三級分類是在二級分類基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分，例如閥門設(shè)備分閘閥、進(jìn)排氣閥等。如表2所示。

為了保障信息有序而規(guī)范的傳遞，模型單元的描述方式關(guān)系到數(shù)據(jù)應(yīng)用時能否進(jìn)行數(shù)據(jù)定位，模型單元分實體、屬性兩個維度，在傳遞過程中應(yīng)重點考慮：模型單元所處的模型系統(tǒng)、模型單元的視覺呈現(xiàn)效果、模型單元所承載的信息、屬性值體現(xiàn)模型單元最終描述的結(jié)果。

3.4.2 模型信息粒度

三維市政信息綜合管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為管點數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)。管點數(shù)據(jù)記錄管線上的管井及設(shè)備的位置及屬性信息，管線數(shù)據(jù)記錄管線的位置、連接關(guān)系、屬性信息等，結(jié)構(gòu)參照表3。

管線數(shù)據(jù)屬性結(jié)構(gòu)（其中黑色粗體為數(shù)據(jù)驅(qū)動必要字段）。如表4所示。

4 BIM數(shù)據(jù)到3D GIS平臺的傳遞

本項目采用CityMaker系列軟件作為3DGIS平臺，應(yīng)用CityMaker Builder軟件對BIM模型進(jìn)行導(dǎo)入整理。

根據(jù)項目應(yīng)用需求，規(guī)劃數(shù)據(jù)庫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分項導(dǎo)入BIM模型。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。交付物為*.FDB格式，可通過CityMaker系列軟件瀏覽查看編輯，并應(yīng)用于BIM+GIS三維多媒體展示系統(tǒng)。

4.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

在CityMaker中，數(shù)據(jù)統(tǒng)一在FDB中進(jìn)行保存，F(xiàn)DB分為大文件型（*.fdb）和數(shù)據(jù)庫兩種存儲方式。FDB為三層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)源

╚數(shù)據(jù)集

╚要素類

（1）創(chuàng)建數(shù)據(jù)源：數(shù)據(jù)源支持大文件、Oracle、SQLServer、MySQL等。輸入對應(yīng)參數(shù)，軟件會自動創(chuàng)建地理特征數(shù)據(jù)庫。（2）創(chuàng)建數(shù)據(jù)集：數(shù)據(jù)集具有唯一的坐標(biāo)系，即數(shù)據(jù)集中的要素類均采用相同且唯一的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系可以修改。（3）創(chuàng)建要素類：數(shù)據(jù)集中的要素類，類似于圖層，將模型按照規(guī)則進(jìn)行分類，如模型分為：建筑、交通、綠化、水系、市政等類型，就可以創(chuàng)建以上類型的要素類。

4.2 BIM數(shù)據(jù)入庫

（1）在CityMakerBuilder中新建工程導(dǎo)入模型；（2）在CityMaker Builder中加載三維地形場景（ted）；導(dǎo)入的ted、fdb、工程坐標(biāo)系遵循【1.1坐標(biāo)系說明】規(guī)則。

CityMaker Builder具有數(shù)據(jù)集合并、導(dǎo)出、加密等功能輔助數(shù)據(jù)庫管理。

5 三維市政信息綜合管理系統(tǒng)

三維市政信息綜合管理系統(tǒng)是一套以地下管線、管點設(shè)施為管理對象，實現(xiàn)二維地下管線數(shù)據(jù)三維化，并提供編輯、管理及分析功能的3DGIS系統(tǒng)。

5.1 設(shè)施管理功能

三維市政信息綜合管理系統(tǒng)實現(xiàn)了三維設(shè)施數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)、三維地表數(shù)據(jù)以及城市景觀數(shù)據(jù)的一體化管理，提供全三維形式系統(tǒng)用戶界面，具有全面的市政設(shè)施管理、查詢、分析、出圖等功能，滿足管理部門及專業(yè)運營部門的管理需求。

5.2 設(shè)施分析功能

三維市政信息綜合管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對市政設(shè)施的四大類分析功能：

（1）綜合分析，如橫、縱斷面分析、連通分析、流向分析；（2）工程分析，如周邊檢測、工程開挖；（3）規(guī)劃分析，如管線比對、間距分析、埋深檢測；（4）實現(xiàn)對設(shè)施事故的分析，如關(guān)閥搜索、事故影響范圍檢測、泄露擴(kuò)散模擬。

5.3 三維設(shè)施編輯功能

要想真正在三維系統(tǒng)中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理，三維數(shù)據(jù)的編輯修改是必要的功能。

三維市政信息綜合管理系統(tǒng)可將設(shè)施類型庫中的設(shè)施提取錄入到數(shù)據(jù)中，并可實現(xiàn)對三維設(shè)施的移動、刪除、形態(tài)編輯等；提供拓?fù)潢P(guān)系修改工具，可對三維設(shè)施數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行編輯修改；提供屬性修改工具，可對三維設(shè)施數(shù)據(jù)的屬性內(nèi)容進(jìn)行編輯修改。

6 成果內(nèi)容

6.1 BIM模型

以施工圖為基礎(chǔ)，搭建了該項目中市政能源場站、園區(qū)道路、地上要素和地下綜合管網(wǎng)的BIM模型。

6.2 BIM+GIS數(shù)據(jù)整合

完成了BIM模型數(shù)據(jù)到三維GIS平臺的傳遞，掌握了數(shù)據(jù)訪問的授權(quán)管理方法、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)掛接、二三維整合流程及三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)更新步驟等。

6.3 BIM+3D GIS模型多媒體交互展示系統(tǒng)

該系統(tǒng)將園區(qū)內(nèi)的市政設(shè)施、道路、地上要素和地下管網(wǎng)在三維環(huán)境中進(jìn)行全方位展示，并通過多媒體交互等信息技術(shù)實現(xiàn)了靈活的人機互動新體驗。

6.4 三維市政信息綜合管理系統(tǒng)

以3D GIS平臺為依托，結(jié)合BIM技術(shù)建設(shè)成以地形、二維矢量、地上場景、地下管線、各專業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。為主的智慧市政信息管理平臺，形成多元化模型展示方式。

7 結(jié)語

在當(dāng)前全球的信息化趨勢的推動下，智慧園區(qū)已成為了實現(xiàn)園區(qū)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的一個重要戰(zhàn)略途徑。對園區(qū)進(jìn)行智慧化建設(shè)一方面可以對相關(guān)產(chǎn)業(yè)有所幫助，提高園區(qū)的管理水平和服務(wù)水平；另一方面，作為智慧城市的縮影，建設(shè)智慧園區(qū)也可給未來智慧城市的建設(shè)提供寶貴經(jīng)驗。可利用BIM+3D GIS技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的時空框架下對地面以上、地面及地下進(jìn)行整體的3D可視化表達(dá)、管理、更新、查詢與分析，建立集數(shù)字化、信息化、可視化為一體的空間信息系統(tǒng)，為相關(guān)部門提供有效的信息服務(wù)，助力智慧城市的實現(xiàn)。