BIM技術在城市地下空間管理中的應用研究

文｜奧格科技股份有限公司 蔡明豪

1.BIM技術的簡述

1.1 BIM技術的簡介

1.1.1 BIM技術的概念

BIM（Building Information Modeling）技術是一種應用于工程規劃、設計、建設、管理的數據化工具。美國 Chuck Eastman 博士最早提出BIM相關概念，他認為構建一個包括建設項目全生命周期中所有信息的模型，不但包含其物理特性、功能信息及構件特性的全部信息，還有規劃設計、施工管理、竣工驗收以及運維管理等過程信息[1]。然而國際上對BIM的定義還沒有得到一個統一完整的標準。美國國家BIM標準較為全面定義BIM的概念：BIM是一種以合作共享為基礎的標準化信息模型，在建設項目的各個環節，BIM模型都可以支持各階段的協同工作，履行相應的職責[2]。

1.1.2 BIM技術的特點

BIM技術應用作為建筑工程行業的一種基于計算機信息技術和仿真模擬分析技術的數字化管理工具和手段。其中，BIM技術的特性包括：可視化、協調性、模擬性、優化性、參數化等，都能夠應用于各類建筑專業領域的項目全生命周期各個階段。

1.2 BIM相關軟件

BIM應用軟件按其功能分為：基礎建模軟件、分析軟件、翻模軟件和平臺軟件四大類。如表1所示。

表1 BIM相關軟件

2.城市地下空間建設的現狀與問題

2.1 城市地下空間建設現狀

隨著我國對地下空間開發需求的增大，開發規模、地下綜合體等地下空間工程的開發水平提升，初步形成了地下空間法律法規體系。未來地下空間的開發類型逐步多樣化，運營模式不斷創新。然而我國大多城市地下空間建設的核心以地下交通樞紐和基礎設施建設為主，忽略對地下環境可持續發展的重要性，整體開發不統一，缺乏計劃性[3]。

2.2 目前地下空間建設存在的問題

2.2.1 缺乏整體戰略規劃

城市地下空間的建設對規劃本身的研究不夠完善和深入，缺乏地面地下統一規劃以及網絡化開發利用規劃。由于地下空間相關規劃的管理歸屬不明確，阻礙了地下空間持續性發展。最重要的是缺乏對地下資源、歷史文化資源可持續發展考慮，造成城市地面的大規模建設對未來地下空間開發利用的深遠影響[4]。

2.2.2 地下空間復雜、運營管理難度大

地下空間信息數據量大、形式多、分布廣，信息資源覆蓋范圍不全面；缺少統一的安全監管協調機構和機制。

2.2.3 缺乏智能化技術應用

在城市地下空間建設和管理過程中，物聯網、云計算、BIM、大數據、人工智能等創新技術應用滯后，智能化技術在城市地下空間的應用效益亟待發掘。

3.BIM技術的地下空間開發管理應用探討

3.1 地下空間工程建設應用

3.1.1 規劃階段

如今，地下空間工程建設在規劃階段普遍讓專家決策建議，缺乏科學性與客觀性。利用BIM技術等信息手段，提供地下空間制定規劃的科學依據，大大提高了規劃效率和科學水平[5]。地下空間的規劃與BIM技術的結合應用，能夠反映擬建工程項目的地下空間環境，包括已有工程地下建筑物情況、地下綜合管網系統的布局和地下空間可開發資源等，利用BIM技術的強大建模、渲染、高仿真等進行多方案模型預研，提前地規劃擬建工程項目空間布局、結構形式，構建完善的城市地下空間規劃體系。

3.1.2 設計階段

在地下工程建設的設計階段，利用BIM技術合理設計規劃建設空間，包括空間設計、建筑設計、結構設計等，便于工程建設施工、運營和維護。三維建模是BIM技術與地下空間工程設計有效結合的前提，集成BIM技術參數化設計等優點，開發全面可行的應用流程（如圖1所示），各專業、各流程軟件的數據交互確保設計數據通過模型精確共享。

圖1 基于BIM技術的設計流程

3.1.3 施工階段

在地下空間工程建設中，BIM技術在施工圖三維審查、施工模擬、可視化管理等方面優勢突出。

(1)施工圖三維數字化智能審查

BIM審查數字化交付及數據資料管理、模型瀏覽、試圖管理、智能審查工具、模型數據安全管理、審查端審查意見批復及管理、報審端審查結果查詢等應用功能。

(2)模擬施工

在工程建設整體施工環節采用BIM動態模擬，把施工現場實際情況轉化為數據信息并以此構建三維模型，工程項目的施工技術便可通過三維模型進行檢驗，對校驗結果進行研判，指導工程現場實施過程。

(3)可視化監管

項目施工進度通過BIM可視化技術進行動態顯示，生成施工期間的動態資源需求和消費報告，分析各階段的資源配置。三維模型動態安排施工現場，為各施工設施提供4D屬性信息。

3.1.4 竣工階段

在地下工程竣工階段，根據設計、施工階段的模型，工程驗收人員直觀、可視化地掌握地下空間建筑、結構、管線等工程設計情況。BIM技術竣工過程應用包括竣工BIM模型登記和對比、現場驗收模型瀏覽、驗收資料模型關聯與檔案管理、驗收報告管理等。

(1)竣工BIM模型登記和對比

工程竣工后，上傳竣工驗收BIM模型，關聯相關信息，將施工模型與竣工模型對比，比較變更部位，生成對比結果，并且提供比對的過程中自動提示發生變更信息，輔助檢查施工過程的變更。

(2)現場驗收模型瀏覽

查看竣工模型，可進行模型三維瀏覽，特定視點瀏覽；分層顯示，快速定位到驗收樓層，查看當前樓層模型，并查看關聯圖紙；同時單獨查看某一類構件或單獨構件，快速獲得構件所有信息，現場查看重點區域與竣工驗收模型進行實際比對，即可查看模型之間的差異。

(3)驗收資料模型關聯與驗收報告、檔案管理

竣工驗收模型與竣工圖紙、其他資料對應關聯，依據模型關聯的圖紙和其他資料指導竣工驗收查，并作為竣工驗收依據。生成對應驗收報告，并與竣工模型相關聯，追溯項目信息及驗收報告信息。竣工驗收各部門的驗收資料以電子檔案形式進行上傳及歸檔，提供索引，以便于竣工驗收各部門對電子檔案進行管理。

3.2 地下空間運維管理應用

地下空間各類的運維管理應用可借助BIM運維管理平臺來實現，地下空間運維管理專業性功能設計以可視化數字模型為載體，通過記錄相關模型信息，幫助管理者分析和確定地下空間的運行、維護、管理等內容，以優化地下空間的運營成本、收益[6]。如圖2所示。

圖2 地下空間運維管理功能應用設計

3.2.1 可視化空間管理

通過BIM分析，驗證地下空間運行空間設計，根據驗證結果修改地下空間運維參數或者進行地下空間運維空間改造，提高其空間性能。此外，維護人員還可以利用BIM三維模型，直觀、全面地掌握隱蔽、高密集等分布復雜、維護困難的工程設施信息，并可視化檢查其運行狀態，并對維護過程進行可視化仿真模擬。

3.2.2 地下空間運行監測

地下空間運行狀況通過BIM可視化模型與傳感器相結合的方式，實現對地下空間內不同區域環境狀態數據，協助地下空間運行管理，對環境異常情況進行預警。設備運行監測是運用BIM、IoT、AI等技術，全天候實時監測城市地下空間內各類設備系統運行狀態，如圖3所示。

圖3 地下空間運行監測

3.2.3 地下應急管理

在地下空間工程應急情況管理過程中，通過綜合BIM技術和災害模擬仿真，還原突發事件發生全過程，清晰地分析災害事件發生原因及其危害性，制定更有針對性的災害預防措施、災害應急預案、能夠使人員分散方案等。

4.結論與展望

本文提出把BIM技術引入到城市地下空間建設管理中，研究BIM技術在地下工程全生命周期以及運維管理中的應用策略和管理方法。先是闡述了BIM技術的概念與優勢，其次總結了傳統城市地下空間建設存在的主要問題，最后分析BIM技術在地下空間開發管理中的應用可行性，包括在地下空間工程建設應用和運維管理。

隨著新型智慧城市的建設發展日益迅速，城市地下空間的開發利用和管理需求逐漸擴大，與BIM等新一代信息技術的融合符合新型智慧城市發展趨勢，促使BIM技術的概念擴大，引入如CIM等信息技術的概念，讓單體建筑走向多維度多層次的全域城市管理，城市空間建設開發將變得更加合理，帶動智慧城市發展，滿足多方面的城市建設需求，相信BIM技術在城市地下空間等領域的應用會越來越成熟，未來的發展形勢一片大好。