城市信息模型應用綜述和總體框架構(gòu)建

胡睿博, 陳 珂, 駱漢賓, 曾 恬

(華中科技大學 土木與水利工程學院，湖北 武漢 430074)

當前，全球城市人口膨脹、交通擁堵、環(huán)境污染，嚴重影響居民生活質(zhì)量[1]。2009年，IBM公司首次提出“智慧城市”的概念，為解決城市發(fā)展問題提出新的思路和方法，各國智慧城市的建設拉開序幕。2013年我國開始推動智慧城市的試點工作，取得了諸多成效，但仍然存在一些問題，包括城市管理部門和參建單位之間信息溝通不流暢、城市多地重復拆建問題嚴重、缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化建設標準和平臺等[2]。因此，如何從信息化、數(shù)字化角度為智慧城市發(fā)展提供支撐成為當下的迫切需求。

城市信息模型(City Information Modeling，CIM)作為城市的數(shù)據(jù)基礎，為新型智慧城市建設提供了新方法、新途徑、新工具，并成為當下研究的熱點。2019年國家發(fā)改委頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄》將CIM的開發(fā)與應用設為鼓勵性產(chǎn)業(yè)。同年，北京、雄安、廣州、南京、廈門被列為CIM平臺建設試點城市。2020年7月，住建部等十三個部委聯(lián)合發(fā)文《關于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》明確要求，“探索建立表達和管理城市三維空間全要素的城市信息模型(CIM)基礎平臺”[3]，著力解決城市多源信息實時融合的問題，推動CIM在新型智慧城市中的落地。

另一方面，關于CIM的研究也在不斷涌現(xiàn)和深入。國內(nèi)外學者一般從4個方面對CIM進行研究：概念梳理、元素構(gòu)成、數(shù)據(jù)融合、應用場景。在概念梳理方面，汪深等[4]指出建筑是城市的微觀組成部分，因此，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是CIM概念中不可或缺的一部分；Lu等[5]進一步提出CIM是微觀建筑模型(如BIM)和宏觀城市地理信息(如GIS(Geographic Information System))的結(jié)合體；隨著物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)技術(shù)的發(fā)展，孫樺等[6]認為CIM是包括IoT在內(nèi)的城市動態(tài)信息的有機綜合體。在元素構(gòu)成方面，Xu等[7]的描述較為全面，認為CIM由5種元素組成：城市附屬設施(如公園、路燈)、單體建筑(如結(jié)構(gòu)形式、材料類型)、交通(如道路長度、走向)、機電管道、水體(如湖泊、河流)。在數(shù)據(jù)融合方面，Wang等[8]總結(jié)了3種典型方式：BIM平臺為主GIS為輔，GIS平臺為主BIM為輔，以及創(chuàng)建第三方平臺，集成GIS數(shù)據(jù)和BIM數(shù)據(jù)。在應用場景方面，Song等[9]認為CIM技術(shù)能夠應用在建設項目的全生命周期，例如項目初期的時空規(guī)劃[10]，項目建設過程中材料供應鏈管理和可視化監(jiān)控[11]，項目運營中的能耗評估[12]。雖然已有文獻對上述CIM的某些方面進行了綜述，但主要側(cè)重于CIM元素構(gòu)成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)[13,14]，尚未對CIM概念演化及應用場景方面的研究進展進行全面檢索和深入分析。

鑒于此，本文廣泛搜集將CIM應用到城市規(guī)劃、建設、運維全過程的代表性文獻，對CIM概念發(fā)展歷程和應用現(xiàn)狀進行梳理，在此基礎上，提出CIM的應用框架，總結(jié)CIM應用面臨的挑戰(zhàn)，為今后CIM的發(fā)展和應用提供參考。

1 研究方法

本文采用的主要方法為文獻分析法，具體流程如圖1所示。首先，開展全面的文獻檢索，隨后通過閱讀每篇文獻標題及摘要，剔除與本文研究目標無關的文獻。篩選出目標文獻后，進一步閱讀正文內(nèi)容，提取相關信息并進行分析。以下將重點介紹文獻檢索和文獻剔除機制兩方面。

圖1 文獻分析法流程

本文通過Scopus和Google Scholar數(shù)據(jù)庫平臺檢索文獻。Scopus被公認為全球范圍內(nèi)較權(quán)威的數(shù)據(jù)庫之一，但仍有部分有參考價值的同行審議期刊未被收錄，如“Journal of Information Technology in Construction”，這些遺漏的文獻通過Google Scholar數(shù)據(jù)庫進行補充。本文采用模糊檢索詞法，分別使用檢索詞“City Information Model*”和“BIM”AND“GIS”AND“integrat*”進行檢索。因為“CIM”一詞近些年才較多地被研究領域使用，較早的諸多文獻雖未提及CIM，但實質(zhì)上研究了城市或區(qū)域尺度的信息模型，且模型顆粒度達到了設施內(nèi)部構(gòu)件的級別，尤其是BIM和GIS的結(jié)合，所以采用以上兩個檢索詞進行檢索的文獻不僅代表性更強，而且覆蓋范圍更廣。此外，本文設置了檢索條件，例如檢索語言為“English”，文獻類型為“Article”和“Conference Paper”，即同行評議的期刊論文和會議論文，這些文獻通常比其他類型文獻的質(zhì)量更高。

本文文獻檢索于2020年8月14日進行，從Scopus和Google Scholar分別檢索到符合限定條件的文獻為268篇和439篇。通過剔除重復的、與CIM在城市規(guī)劃、建設和運維中應用無關的、沒有提供充足技術(shù)及應用細節(jié)的文獻，最終篩選出129篇文獻做進一步分析，這些文獻的主要期刊來源如表1所示。

2 CIM概念演化

本文首先對篩選出的129篇文獻按年份進行分類，如圖2所示。二十年間發(fā)表文獻的數(shù)量呈現(xiàn)一個明顯的上升趨勢。

圖2 CIM文獻統(tǒng)計數(shù)量(篇)及概念演化

從圖2中可以看出，“CIM”一詞最早是在2000年Billen[15]一文中出現(xiàn)，Billen認為CIM是城市尺度的三維GIS模型，由建筑物、植被、交通網(wǎng)、公共設施和通信網(wǎng)絡構(gòu)成。由于這種概念與近年來研究領域的認知有差距，沒有細化到模型的設施內(nèi)部構(gòu)件，所以可被認為是CIM概念的萌芽期。在此后六年，由于相關技術(shù)發(fā)展緩慢，CIM極少被提及。隨著BIM的發(fā)展，CIM在2007年重新回到視野。Isikdag等[16]首次提出將BIM模型導入到ArcGIS平臺中，用以支持火災應急響應，為CIM進一步發(fā)展提供了重要參考。截至今日，CIM平臺仍以BIM和GIS的融合為核心構(gòu)建。在IoT技術(shù)日益成熟的背景下，2015年，Isikdag[17]認為將該技術(shù)融入到CIM平臺中，實現(xiàn)城市動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的交互，能夠覆蓋更為全面的智慧城市應用場景。2020年，Lehner等[18]將CIM視作城市尺度的數(shù)字孿生體，期望CIM在大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的驅(qū)動下實現(xiàn)數(shù)字模型和物理實體之間的智能交互。

雖然上述文獻對CIM的概念進行了有益的探索，但不難發(fā)現(xiàn)，當前國內(nèi)外仍未對CIM定義達成共識。為進一步明確CIM的內(nèi)涵和外延，在分析了CIM概念的演化后，參考美國BIM國家標準(NBIMS)和丁烈云院士[19]對BIM概念的表述，筆者嘗試從“City”“Information”“Model/Modeling”三方面對CIM概念進行解讀：(1)City代表CIM的覆蓋范圍。“城市”可以實體化為某個城市、某個園區(qū)、某個社區(qū)、街道等，但它對建模能力的要求應該是城市級別的，同時要求模型細度能精確到建筑內(nèi)部的某個部件；(2)Information是CIM的核心，它為城市發(fā)展的各個階段、各個參與方提供各種與城市管理相關的信息，包括幾何信息、語義信息、物理信息等；(3)Model/Modeling不僅是CIM信息的創(chuàng)建和存儲方式，也通過各種智能算法下的數(shù)據(jù)分析為城市全壽命周期管理提煉新知識。

3 CIM應用現(xiàn)狀

2019年12月，慕尼黑工業(yè)大學聯(lián)合西門子企業(yè)，以“建筑環(huán)境下的數(shù)字孿生體”為主題舉辦國際大會。該會議對CIM的應用場景決定了其模型細度及框架達成共識[20]。由于CIM覆蓋的范圍十分廣泛，在不考慮CIM具體應用場景的情況下提出詳盡的CIM框架幾乎是不可能的。圍繞城市全壽命周期的主要方面，本章對篩選出的129篇文獻按城市規(guī)劃、建設、運維三方面進行了CIM具體應用類型的統(tǒng)計和分析，如圖3所示，不超過2篇文獻的應用類型均歸入“其它”。本章將重點闡述和分析在城市規(guī)劃、建設、運維中排名前3位的應用類型。

圖3 城市規(guī)劃、建設、運維中CIM應用文獻統(tǒng)計/篇

3.1 規(guī)劃方面

將CIM應用于城市規(guī)劃的文獻數(shù)量最少，總計28篇。因為在規(guī)劃時期對信息模型細度的要求并不高，在大部分情況下僅需GIS數(shù)據(jù)(例如建筑外部輪廓)就足以滿足規(guī)劃需求。不過，仍有部分研究利用CIM模型的內(nèi)部構(gòu)件信息進行城市規(guī)劃方面的優(yōu)化。下面將分別從城市空間布局優(yōu)化、規(guī)劃許可程序自動化、公路線路規(guī)劃與糾偏3個應用場景對CIM應用進行探析。

在城市空間布局優(yōu)化方面，CIM基礎數(shù)據(jù)有助于根據(jù)區(qū)域尺度的可持續(xù)發(fā)展目標，形成使城市總體能耗最小的空間布局方案。例如，Yamamura等[21]提出了基于CIM的能源規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括GIS技術(shù)下的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析模塊，BIM輔助下的城市能源最優(yōu)化系統(tǒng)設計模塊，以及3D可視化呈現(xiàn)模塊，以此來獲取城市基礎設施能源規(guī)劃的最優(yōu)空間布局方案。Mohamed等[22]考慮得更加細致，通過CIM模型獲取建筑類型、建筑面積、建設起始和終止時間、預計居住人口等信息，并分析不同開發(fā)方案下的淡水消耗量、下水管道容量和電能需求量，以此優(yōu)化城市空間布局方案。這有助于城市規(guī)劃部門在城市發(fā)展或擴張的早期階段做出更精準的決策。

建筑規(guī)劃許可程序繁瑣，規(guī)劃專家審核規(guī)劃方案是否符合規(guī)定，需要耗費大量時間和資源(人力、物力、財力)。采用CIM技術(shù)能夠自動化審批過程。例如，Noardo等[23]將城市規(guī)劃的規(guī)定信息(如建筑物的限高)接入到CIM平臺中，根據(jù)CityGML標準將不同類型數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理。這樣，在某個設計模型載入到該平臺后，就能實現(xiàn)建設工程方案和城市規(guī)劃的規(guī)定信息相匹配，并自動識別出違規(guī)數(shù)據(jù)(如建筑物高度超出該市限制高度)，以此提高審批效率。在此基礎上，Chognard等[24]進一步提出建筑許可“數(shù)字審批”的概念，認為該理念支持下的系統(tǒng)應該包括3個步驟：(1)將地籍數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)等GIS數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)接入到BIM模型中；(2)將該城市規(guī)劃的規(guī)定數(shù)據(jù)輸入到BIM模型中，對相關限制參數(shù)(如相鄰建筑物之間的距離)進行篩選，更正與規(guī)定不符的參數(shù)；(3)將更新的BIM模型導出到該市GIS數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)城市規(guī)劃數(shù)據(jù)的實時更新。

高速公路線路方案規(guī)劃極易受到周圍地理環(huán)境的影響，綜合考慮道路和周圍地理環(huán)境信息能夠較大程度地減輕公路修建時地質(zhì)災害的影響。例如，Zhao等[25]在高速公路BIM模型的基礎上融合GIS信息，綜合分析不同規(guī)劃方案下地質(zhì)和地理狀況，以此避免道路規(guī)劃中的地質(zhì)災害和環(huán)境敏感區(qū)。同時，在CIM平臺中植入優(yōu)化算法進一步糾正高速公路的規(guī)劃路徑。類似地，Soilan等[26]通過激光掃描等技術(shù)獲取公路覆蓋區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至IFC(Industry Foundation Class)標準中，實現(xiàn)該規(guī)劃方案下道路內(nèi)外部環(huán)境的虛擬化呈現(xiàn)，檢測道路線路是否對齊，顯示道路規(guī)劃的異常區(qū)域。

3.2 建設方面

將CIM應用于城市建設階段的文獻數(shù)量為30篇。本節(jié)將重點分析建筑供應鏈管理、施工場地規(guī)劃、安全風險監(jiān)控3個應用場景。

CIM支持下的建筑供應鏈管理能夠?qū)崟r跟蹤建筑材料所處位置并對物料流向路徑進行優(yōu)化。例如，Irizarry等[27]從BIM設計模型中提取每種材料甚至每個構(gòu)件的用量信息，利用路網(wǎng)信息從采購成本(如運輸成本)的角度對潛在的供貨商進行比選。在采購物料過程中，通過CIM的可視化功能對物流狀況進行實時監(jiān)控，并優(yōu)化物料的運輸路徑。Deng等[28]進一步提出將4D BIM數(shù)據(jù)和用戶輸入數(shù)據(jù)(如報價單和項目變更條目)導出IFC數(shù)據(jù)格式，再通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接入至ArcGIS平臺，使得CIM的分析功能更加全面，包括考慮了材料成本和質(zhì)量的供應商選擇、物流周轉(zhuǎn)次數(shù)優(yōu)化及集散中心的分布位置優(yōu)化等。

施工場地規(guī)劃是否合理關系到施工人員的工作效率以及工作環(huán)境的安全性。CIM指導下的施工場地規(guī)劃在縮減項目進度及成本的同時能有效提高工作效率和環(huán)境安全性。例如，Li等[29]主要從技術(shù)角度，利用無人機、移動設備、數(shù)字相機、BIM模型和谷歌3D地圖對施工現(xiàn)場環(huán)境進行3D重建，構(gòu)建施工區(qū)域的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，并設想該系統(tǒng)在項目實施前期的規(guī)劃過程中，可完成建設可行性分析、場地布局規(guī)劃、進場交通規(guī)劃等需要工地及附近建筑和社區(qū)空間信息的任務。Alsaggaf等[30]則利用CIM技術(shù)落實了前者提出的部分應用設想，Alsaggaf提出的CIM平臺包括4個主要功能：(1)整合BIM和GIS工具的3D模型功能；(2)場內(nèi)運輸路線規(guī)劃功能；(3)臨時設施場內(nèi)布局預演功能；(4)碰撞檢測(如運輸車之間的碰撞)功能，用于優(yōu)化場內(nèi)的空間布局和交通運輸路徑。

考慮多方位、多尺度、多時態(tài)的信息數(shù)據(jù)有助于管理復雜項目施工過程中的安全問題。例如，Lee等[31]開發(fā)的CIM平臺融合了BIM數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場的傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色Verhuls優(yōu)化算法，能夠準確模擬和預測深基坑開挖過程中的位移風險。在更為復雜的水利水電工程建設過程中，Zhang等[32]在CIM可視化平臺的基礎上，開發(fā)了安全風險監(jiān)控和分析系統(tǒng)，用于解決大壩建設過程中安全性和穩(wěn)定性的問題。同時，指出該工程引入IoT技術(shù)將更有利于安全風險的管理。

3.3 運維方面

城市的運行和維護需要不同尺度的時空數(shù)據(jù)(例如室內(nèi)、室外信息，城市歷史、現(xiàn)在及未來信息)，而CIM能夠很好地滿足這些數(shù)據(jù)需求。因此，將CIM應用于城市運維的文獻數(shù)量最多，為71篇。下文將重點介紹城市能耗模擬與優(yōu)化、城市危險源應急模擬、古建筑維護3個應用場景。

在城市能耗模擬與優(yōu)化方面，Bottaccioli等[33]提出了用于管理和模擬建筑物能源行為的CIM應用架構(gòu)，該架構(gòu)集成了BIM、IoT、GIS和氣象服務等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，用于建筑環(huán)境中能源消耗信息的實時顯示，以及根據(jù)實時的天氣條件數(shù)據(jù)進行建筑性能評估。類似地，Castro-Lacouture等[34]提供了整合來自GIS、BIM、施工進度、施工成本和施工審查信息的CIM系統(tǒng)，旨在設計一種以CIM為輔的城市社區(qū)住宅健康環(huán)境，并將該系統(tǒng)作為一種城市可持續(xù)運營的干預手段，優(yōu)化城市系統(tǒng)能源性能并減少碳排放。

覆蓋單體建筑和建筑群的CIM仿真系統(tǒng)能夠有效提高危險源應急響應效率，對應急管理活動意義重大。例如，Xu等[7]以校園火災應急為應用場景，在CIM技術(shù)支持下將整個應急管理活動分為4個階段：預警階段、決策階段、執(zhí)行階段和災后重建階段。具體的，在決策階段，利用GIS信息提供實時交通信息，計算最優(yōu)救援路線；在執(zhí)行階段，利用BIM信息分析建筑內(nèi)部空間分布狀況，計算受災人員的最佳逃生路線。相較于單一危險源分析，Lu等[5]提供了一個融合地震、風災、火災多危險源的CIM應用場景。該研究將GIS和BIM數(shù)據(jù)集成到SuperMap GIS 9D軟件后，把相關數(shù)據(jù)接入到各類專業(yè)分析軟件(如有限元分析軟件)中進行危險源動態(tài)模擬，輔助城市管理者在多災種同時出現(xiàn)時做出更有效的應急決策。

古建筑維護不僅涉及建筑本身的結(jié)構(gòu)問題，而且與周圍環(huán)境、歷史文化傳承等多元信息相關。Argenziano等[35]以龐培城遺跡為例，構(gòu)建了該歷史建筑群的CIM模型，用于模擬該建筑群不同朝向的電離輻射程度，旨在探索該遺跡的火成巖建筑材料和電離輻射及周圍人居健康之間的因果關系，進而優(yōu)化歷史遺跡的維護方案。類似地，Tsilimantou等[36]以希臘古建筑為例，將GIS和BIM信息集成到統(tǒng)一的數(shù)字環(huán)境下，通過檢索該環(huán)境中的空間拓撲關系、三維幾何尺寸、建筑材料特征等信息，分析當前古建筑的健康狀況，為翻修材料的選擇和相關干預措施提供重要的決策信息。更有意義的是，承載了多元信息(例如翻修記錄、歷史文化)的古建筑CIM模型作為歷史記憶中的一部分，能被更好地存儲和傳承[37]。

4 CIM應用框架

盡管已分析的文獻中有部分涉及到CIM應用框架的探索，但均是基于特定場景下的框架分析。本章嘗試在已分析文獻的基礎上總結(jié)出泛場景下CIM的應用框架，為未來CIM的應用和研究提供方向和思路。

如圖4所示，本文提出的CIM應用框架包括4個層次：數(shù)據(jù)來源層、數(shù)據(jù)存儲及檢索層、數(shù)據(jù)分析層和應用層。數(shù)據(jù)來源層是數(shù)據(jù)獲取的途徑，BIM文件用來獲取CIM的微觀數(shù)據(jù)，如設施內(nèi)部構(gòu)件信息；GIS文件用來獲取CIM的宏觀數(shù)據(jù)，如城市路網(wǎng)信息；IoT技術(shù)用來獲取城市元素的動態(tài)數(shù)據(jù)，如某個設施的溫度變化；此外，對于臨時變更的信息，如項目變更數(shù)據(jù)，需要用戶及時輸入到CIM平臺。

圖4 CIM應用框架

數(shù)據(jù)存儲和檢索層是CIM應用平臺的核心，根據(jù)不同的應用場景需要調(diào)用城市中不同元素的數(shù)據(jù)。例如，火災應急響應時，主要調(diào)用建筑內(nèi)部空間信息、路網(wǎng)信息以及水體信息。該層級的技術(shù)難點是實現(xiàn)多源信息融合，而信息融合的關鍵是統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準體系。

目前，已有文獻更多地側(cè)重于以IFC數(shù)據(jù)格式為主的BIM信息和以CityGML數(shù)據(jù)格式為主的GIS信息的交互研究。在IoT技術(shù)快速發(fā)展的背景下，如何進一步融合RFID(Radio Frequency Identification)、攝像頭等動態(tài)傳感器數(shù)據(jù)是未來研究的熱點之一[38]。

數(shù)據(jù)分析層是在數(shù)據(jù)存儲層中檢索到不同類型的數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)格式標準化環(huán)境下，利用特定的算法和分析模型，解決某一應用場景下的具體問題，如資源調(diào)度最優(yōu)化問題。該層級未來的發(fā)展方向是利用人工智能、深度學習等技術(shù)實現(xiàn)某一特定場景的數(shù)據(jù)智能分析[39]。

在應用層中，CIM要實現(xiàn)對城市規(guī)劃、建設、運維應用場景的可視化呈現(xiàn)。由于技術(shù)、理念、制度等發(fā)展得不夠完善，目前關于CIM的應用場景仍然是碎片化的[8]。如何利用CIM平臺進行城市綜合治理是未來CIM應用的發(fā)展方向。

值得注意的是，在城市全壽命周期的管理中，隨著越來越多的參與者加入到CIM平臺建設中，例如政府部門、科研機構(gòu)、企業(yè)等，數(shù)據(jù)隱私性愈加受到關注。相應地，確保CIM模型中所有數(shù)據(jù)安全地存儲、傳遞和應用則變得尤為重要。目前，采用了分布式網(wǎng)絡的區(qū)塊鏈技術(shù)是解決數(shù)據(jù)安全問題的最優(yōu)方案之一[40]。雖然該技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)的安全性并降低平臺運行成本，但將其充分運用到CIM數(shù)據(jù)安全管理中來，仍有很長的路要走。

5 結(jié) 論

本文從Scopus和Google Scholar數(shù)據(jù)庫中篩選出將CIM應用于城市全生命周期的129篇文獻，進行系統(tǒng)性分析，旨在探究CIM在此領域的概念演化、應用現(xiàn)狀和未來的應用框架。結(jié)果顯示：(1)CIM概念向城市范圍的數(shù)字孿生體演化；(2)CIM的應用研究主要集中在城市運維方面；(3)城市規(guī)劃方面，典型的CIM應用場景包括城市空間布局優(yōu)化、規(guī)劃許可程序自動化、公路線路規(guī)劃與糾偏；(4)城市建設方面，典型的應用場景包括建筑供應鏈管理、施工現(xiàn)場規(guī)劃、安全風險監(jiān)控；(5)城市運維方面，典型的應用場景包括城市能耗模擬與優(yōu)化、城市危險源應急模擬、古建筑維護。最后，基于文獻分析情況，本文提出了CIM應用框架，并指出CIM未來發(fā)展方向，包括融合IoT技術(shù)下的動態(tài)數(shù)據(jù)、人工智能下的智能分析、基于CIM的城市綜合治理以及CIM數(shù)據(jù)安全保護。本文的研究可以為CIM在城市規(guī)劃、建設、運維方面的理論和實踐提供參考。