基于BIM與GIS技術的智慧校園地下管網建設研究與應用

張銀環

（1.渭南職業技術學院，陜西渭南 714000；2.西安工業大學機電工程學院，陜西西安 710000）

BIM技術作為建筑行業新興的信息化管理技術，能夠承載項目全方位、全專業、全人員、全壽命周期的信息，以其承載的工程數據作為建模基礎，可以實現工程項目的可視化設計、交互式優化、跨越式協調、模擬式施工、信息化管理等，保證地下管網智慧建設和信息化管理具有可持續性。在運維階段應用BIM技術可以節約大量資源與人力，進行精準維修，避免信息斷層導致的維修拖延[1]。GIS技術常被用于地理環境信息采集與地形重構，包括對象信息輸入、查詢、存儲、分析和宏觀顯示地形信息。GIS技術能夠解決城市建設中周邊地形的宏觀領域問題，BIM技術能夠解決建筑物實體內部的微觀域問題[2]。將GIS、BIM技術進行有機結合，可以有效地建立與優化地下各專業管線的三維建模，整合與共享管網模型與周圍宏觀地理環境信息，達到檢測管網設計情況、模擬管線施工、無縫對接維護、避免能源浪費等智慧施工與管理目標。

1 建立校園管網的BIM模型

1.1 構建地下管網框架

智慧校園的地下管網建設涉及多專業、多技術、多領域、多方位的信息，是多尺度、多維度的全方位綜合系統建設。將地理信息和地下管網信息以數字化形式進行獲取、建模、融合、查詢、輸出、管理、分析，為智慧校園建設提供地形和管線信息，需要建立地下管網和區域的信息化模型。

BIM技術下管網信息化綜合模型架構如圖1所示。

圖1 BIM技術下管網信息化綜合模型架構

地下管網空間數據包含市政管線、廣電管線、通信管線、電力管線等，不同專業的圖元構件等點實體和管線的線實體可以還原專業管網，實現模型可視化及漫游。圖元線實體由線條及其標記構成，點實體由構件的節點及標記組成。根據線實體和點實體及對應的標記可以確定管網在三維空間中的具體位置[3]。

1.2 建立BIM模型

BIM模型建立涉及設計準備、總體布局、設計建模、成果審核、實施跟蹤5個階段。

BIM建模流程如圖2所示。

圖2 BIM建模流程

設計準備階段，需要組建設計小組，明確設計任務，指定設計計劃，熟悉項目資料，為設計做好前期準備工作，小組成員結合各自的特長，首先進行一次設計前討論，相互配合進行初步設計，將完成后的各專業模型交互，碰撞檢查，模型優化，直至滿足各方面技術規范要求，達到合格的施工圖標準之后即可出圖，進入成果審批階段，請各方面專家對模型進行綜合評審，修正，圖紙會簽，即可進入實施階段，按照設計的模型指導工程施工，運用信息化系統，對施工中構件信息進行動態采集，完成建筑信息錄入，如包括管道構件的ID屬性、材質、生產廠家及聯系方式、標高、配件，同時為信息化運維管理奠定堅實基礎。

給排水專業模型建立時，首先對不同構件建模，如綜合管廊，其結構元素搭建主要消防管道、給水排水管網、天然氣管網等組成。其次管道建模，管道建模使用軟件廣聯達公司收購的MagiCAD軟件，為方便系統模型修訂，用不同顏色代表不同專業管線系統，在圖元屬性中設置管線材質、標高、管徑及其他信息，進而繪制各專業的管道模型。BIM模型能夠再現管網實體模型，在施工中表現出較強優勢，因此，智慧校園建設采用BIM技術完成地下管網及地上建筑物模型均建模。

某部位管道系統三維模型如圖3所示。

圖3 某部位管道系統三維模型

管道細部模型及屬性信息如圖4所示。

圖4 管道細部模型及屬性信息

某管道節點設計如圖5所示。

圖5 某管道節點設計

某節點平面圖中，排水套管橫穿承重梁，導致設計高度錯誤，在常規設計圖上采用單位工程繪圖時并不容易發現錯誤，運用MagiCAD進行模型交互、渲染后，可得某管道三維實體節點與建筑主體交互。BIM建模后，發現按照傳統設計導致管道設計錯誤無法施工，采用BIM建模可以提前優化模型，模擬施工、節約成本、縮短工期。

2 集成BIM與GIS技術構建信息化管網模型

在校園各專業BIM模型完成基礎上，借助Super Map三維GIS一體化技術體系，將攝影模型與BIM模型等多元空間數據有機融合并檢查，補全信息，實現地下與地表的信息化綜合建模與管理。

數據導入時，將Super Map GIS提供的地形模型融入BIM模型，采用兼容性較好的IFC格式BIM數據，以“圖元ID”“圖元名稱”作為基礎[4]，確保各圖元與屬性間的對應關系，建筑物模型與地形信息有機融合。

3 管網模型信息綜合運用

將構建的地下管網三維模型結合GIS宏觀信息[5]，載入智能建筑管理系統進行信息化運維管理。

智慧校園信息化管理系統如圖6所示。

圖6 智慧校園信息化管理系統

利用智慧校園信息化管理系統可以打開地下管網的三維模型、查看構建的空間位置關系及構建信息、漫游查詢系統動態信息。可視化綜合模型有效克服傳統施工過程中隱蔽工程驗收、維修的問題；在設備維護管理過程中點擊“設備信息”可以一鍵獲取設備來源，及時儲備或更換設備。“BIM圖紙”授權人可以隨時查看相關信息，避免物理距離引起工期延誤，節省工期，提高各參與方安全意識。

結合物聯網、模式識別及智能管理系統，接入校園安防系統數據，實時獲取火災隱患等不安全行為，進行預警，預防不必要的人員、財產損失；整合校園現有管網（采暖、給水、排水、燃氣、電力、通信等），整合學校各專業模型及GIS模型，全面實現校園智慧管理的可視化漫游、巡查等工作。

4 信息化關系系統安全需求分析

針對不同組織、機構對信息安全的需求不同，對信息安全需求的理解可以從連續性、可靠性、可控性、安全性、有效性等方面落實。

依據國家相關信息安全組織、管理的法律法規及規章制度；考慮企業對信息安全管理的要求，提出不同信息的分類分等級分層次安全管理要求。根據企業信息系統資產管理要求，設計不同資產的差異性安全級別劃分體系，可以實現安全管理、資源合理配置，降低管理成本。根據用戶信息系統的層次化管理需求，分級提出信息安全方案，一般可以按照物理實體、物理地址、拓撲網絡、操作設計、管理系統和數據分層等方面提出信息安全系統。此外，應充分考慮組織發展，給予適當裕量，信息系統未來發展趨勢兼顧單位經濟等因素。

（1）數據可控（Data control）：被授權的用戶或單位可以查看控制其授權范圍內的信息內容并發出控制行為。

（2）數據完整（Dataintegrity）：存儲建筑物地上地下所有構件的全壽命周期信息，確保數據完整性，不能以任何非法方式攻擊、破壞或篡改。

（3）數據機密（Data confidentiality）：使信息不被泄露給非授權的實體（個人或網絡），采取的加密等方式保障數據信息安全。

（4）數據安全（Data security）：為了防范人為和意外破壞數據，從主觀上對資源提供物理保護措施。

5 結語

信息化BIM技術在工程建設可行性研究、項目設計、工程造價、施工以及運維等全壽命周期內偏重微觀信息管理，集成GIS技術，與項目關聯的地形、地下管網關聯，可以拓展工程項目建設的區域性信息化管理范圍。工程項目建立各專業的BIM模型、交互、優化，實現項目施工過程進度及成本控制，結合GIS技術測量的城市地下管網信息，在施工階段可以有效降低施工過程誤挖、錯挖的風險，實現可視化信息化施工。后期運維階段，利用BIM模型及集成的項目構建信息進行可視化管理，能夠避免信息斷層的風險，提高管理效率。按照國家關于BIM推廣應用發展規劃，未來實現施工進度計劃與三維模型、工程造價的關聯，實現5D成本進度管理控制，融入新工藝新技術，發展信息化工程項目全壽命周期建設管理，動態的模擬施工效果、實時成本管理、立體化運維思想必將得到廣泛推廣和應用，對促進數字城市發展具有重要意義。