基于BIM和GIS的智慧城市在轨道交通应用的思考

1.引言

美国IBM公司在2008年提出智慧城市的概念，旨在注重信息资源的整合、共享、继承和服务，强调城市管理方面的统筹和协调。智慧城市的建设在城市的可持续发展、高新信息技术的应用以及对城市综合竞争力的提升等方面具有重要意义。作为衡量一个城市发展水平的重要指标，城市公共交通中轨道交通已逐步成为城市交通乃至整个城市系统中不可或缺的一部分，对政治经济、文化事业、科学技术等方面产生极大的影响，同时轨道交通的信息化、智能化建设也是智慧城市建设的一个重要方面。

截至目前，南宁、南平、上海、成都、西安等19座城市发改委共发布了28个城市轨道交通项目可研报告批复，全国城市轨道交通在建里程数已达4070多公里，各地还将继续大刀扩斧地开展轨道交通的建设。在轨道交通给人们带来巨大交通便捷的同时，它的设计、建造和后期运营维护也存在各种问题。一方面，施工工艺复杂、建设成本大、建设期增长、项目参与人员众多导致项目管理工作难以一一落实；另一方面，由于信息缺失、信息集成化程度低，各方参与者沟通协调困难已经成为项目管理者的一大难题。这些问题不仅降低轨道交通在城市管理与运行的效率，也无法实现智慧城市美好的愿景。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的出现，给轨道交通的管理带来新的契机，它将信息化技术引入了轨道交通全生命周期的管理，结合轨道施工管理模式，有效地提升管理效率。而地理信息系统（Geographic Information System，GIS）能够实现对整个地球表层空间中的地理实体（包括轨道交通站点）进行采集、存储、管理、分析以及显示，实现轨道交通建设项目资料与模型数据的整合，打破轨道建设“信息孤岛”。因此，本文依托典型的轨道交通工程项目，建立基于BIM和GIS技术的轨道交通协同施工管理平台，通过BIM模型和工程信息涵盖项目的全生命周期信息，为建设单位、监理单位等项目参与单位提供一个统一的信息平台，推动轨道交通建设向绿色、低碳、和谐和可持续发展等方向发展，提供轨道交通在智慧城市建设中的新方向。

2.基于BIM和GIS的智慧城市建设要点

快速城市化进程将给城市规划、建设、运行和发展带来诸多问题，容易导致城市经济发展失调、环境建设失衡、社会管理失稳，城市运行失序。智慧城市的发展是需要充分利用新一代的信息技术，并通过以人为本的可持续创新实现，在解决城市建设和管理过程中的各种问题起到举足轻重的作用。针对目前各建设项目单位信息类型差异所造成的信息交换难题，只有加强技术创新驱动，不断应用信息集成技术，构建面向城市智能化的支撑环境，才能整合跨行业、跨部门的多源异构数据，促进信息资源的深度共享，实现最终的智慧城市建设。GIS和BIM技术的集成应用必然会成为解决城市建设管理领域不同部门之间数据信息交换共享的核心技术之一。

BIM技术不是简单的将各种建筑信息进行集成展示，而是具有详细建筑功能和特性的三维信息模型，是一种数字信息应用于设计、建造、管理的数字化方法，应用BIM技术可以提高建筑从规划、设计、招投标、施工到运维整个生命周期内管理效率，大量减少风险，降低项目成本。BIM技术将设计二维平面图纸，转变为三维可视化多维数据库，为图纸的建筑设计、拓展应用奠定了坚实的基础。在表现复杂的建筑物及其所属管网、电力等配套系统方面具有巨大的信息优势，已广泛应用于城市建筑微观环境规划分析、建筑全专业三维设计、日照采光分析、噪音分析、CFD分析、空间优化、施工管理、资产管理、空间管理、运维管理、应急管理等诸多方面。通过BIM技术建设城市基础设施，能够实现整个城市建筑的关联以及信息互通，对智慧城市中智能建筑的建设应用起到举足轻重的作用。

地理空间数据是城市信息资源的重要组成部分，是集成整合城市其他业务信息资源的重要基础。地理信息系统自上世纪六十年代提出，经过数十年的发展，已经广泛地应用于资源调查、环境评估、国土管理、城市规划、水利水电、公共设施管理、商业金融、军事公安等几乎所有的领域，能够为各行业管理部门提供相应的工程设计、规划、管理和决策等服务。

目前国内城市建设管理、施工管理及运维等领域开发了大量GIS和BIM管理信息系统，由于GIS技术和BIM技术的管理系统所属的数据信息交换格式并不相同，并且各管理部门对系统需求侧重不同，往往导致多个系统并存的状况。针对城市建设中多系统并存，信息交流存在壁垒等问题，需要建立各系统之间数据信息的交换和传递机制，实现项目建设的信息共享。BIM和GIS技术集成应用创新，能够驱动信息管理系统之间数据交换，实现标准的统一管理。

现有的GIS应用系统主要在政府政务管理、规划管理、测绘单位等管理部门使用，无法实现BIM系统对项目建设前期、施工过程、运营维护等信息化和精细化管理。因此，开展BIM和GIS技术融合的应用技术研究，整合建筑外部地理环境信息与建筑自身属性信息于一体，将城市建设的规划、管理、空间分析等相结合，是智慧城市发展的必然要求。

3.基于智慧城市的轨道交通建设管理应用

智慧城市对城市发展的影响主要体现在城市管理、发展新兴产业、引发科技潮流和创建美好生活。面向智慧城市的轨道交通建设的目标是与智慧城市管理系统进行整体集成，将项目的开工、测量、施工过程、竣工验收、档案管理等环节进行统一调度和管理，规范轨道交通的规划、建设和管理，以此建立全面的轨道交通系统。为了适应轨道交通建设在智慧城市中的发展需要，充分利用BIM技术在构建建筑模型几何信息准确、属性信息丰富以及易于管理和维护等优点，结合GIS在空间分析、统筹管控和场景展示等优势，不仅要建立完备的轨道交通三维模型，满足大规模的场景展示，还应实现轨道交通的各种分析应用，实现智慧式的管理和运行。

3.1 轨道交通建设协同管理

基于B/S架构的轨道交通管理系统是在BIM技术和4D施工管理系统的基础上建立的（图1），系统以GIS平台为部分组成模块，能够承载BIM模型数据、倾斜摄影数据、数字高程数据、卫星影像与航拍正射影像数据。同时通过建立清晰的业务逻辑关系，实现了基于BIM的项目管理协同，最终形成了业务管理、过程控制和项目决策三个不同维度的项目管理体系。管理平台将规划许可、施工复验、跟踪测量、竣工验收以及档案管理等环节衔接在一起，实现规划、测量、档案等多部门的统一管理，减少各部门之间沟通协调的信息损失；并且实现了标准化的工作流程和管理，实时掌握项目的进度。

3.2 轨道交通场地场景建立

使用施工设计图提前规划无人机的航拍路线，运用当前国际测绘遥感领域中新兴发展的倾斜摄影技术实现轨道交通线路上的地表建筑物建模，实现与设计图纸的联动查看（图2）。利用GIS技术对整体的施工环境进行数据整合，将影像数据与DEM和DOM数据叠加，不仅能实现建设场地周围环境的浏览，生成与实地一致且具有起伏的地表模型，还能构建轨道交通线路周围建筑的模型（图3）。通过轨道交通场地的场景建立，叠加交通轨道站点规划用地红线，实现沉浸式三维场景浏览。对轨道交通场地的场景构建，有利于规划设计单位对规划方案与实地进行对比，对规划方案的设计与修改提供真实可靠的辅助；轨道交通场地周围环境三维场景的建立，生动展示场地的规划情况，辅助施工单位前期规划，有助于非专业人士直观地了解规划情况。

3.3 轨道交通预制PC构件设计及管理

图1 协同施工平台首页

图2 无人机影像与设计图纸联动查看

图3 轨道交通场景建立

图4 PC构件管理

图5 轨道交通建设项目虚拟建造

图6 BIM模型编辑

利用BIM技术贯穿PC构件从设计加工、出厂、进场、安装、质检到验收的全过程，实现对桥梁、互通立交等PC构件的高效管理，如图4所示。运用BIM技术对生产的PC构件订单进行管理，对PC构件的材料、高度、宽度、体积等参数进行设计，可以自动生成订单列表。订单列表内容通过项目管理平台批量打印PC构件的二维码，二维码中详细包含构件的各种属性信息，减少传统手段中Excel表格的制定，减轻管理人员对于文件的管理存放。

BIM平台对海量数据进行管理，检测PC预制构件的信息，及时对精度不达标的构件进行预警，通过地图展示反馈其堆放位置。构件质量控制完成后，现场项目部通过BIM平台把项目现场待安装PC构件需求反馈给信息控制系统，构件生产人员扫描二维码自动生成构件生产流程步骤，及时做好项目采料，安排生产计划、成品堆放等准备工作，准时完成直接送达项目现场的任务。现场工作人员通过扫描二维码查看PC构件的具体信息，信息控制系统会记录每一块预支构件的运输情况，将下一节拍的作业数据返回至仓库和生产组。

在项目建设中，将PC构件安装在正确位置后，PC构件信息自动录入BIM管理平台，包括PC构件的计划、安装时间，确定责任人、责任单位，构件属性等相关信息。在BIM管理平台能够及时查看PC构件在建设项目工程的具体安装位置，实时查看构件的详细信息，达到构件粒度级别的精细化管理，实现PC构件的全生命周期管理。

3.4 轨道交通建设项目虚拟建造及进度动态管理

通过BIM技术，可以实现施工场地轨道交通建筑模型、施工车辆、施工区域内其他建筑的模型建立，完成了与轨道交通建设项目BIM模型的数据深化工作。将BIM模型与周围建筑进行比较，可以有效帮助掌握施工现场与周边建筑的情况（图5）。辅助无人机拍摄的倾斜摄影影像，采用多视图三维重建技术对倾斜摄影数据与正射影像数据进行三维建模，生成真实坐标下的轨道周边三维场地环境模型，运用GIS技术提前设置相关场地影响区域，提前对实地建筑三维模型进行可视化与编辑，实时呈现项目建造完成的效果（图6），同时也有利于施工方案部署的优化。通过数据校核发现设计前期的“错、漏、碰、缺”等问题，避免后期出现施工返工和施工变更等情况。

传统的施工进度管理方法，是通过建设单位定期上报的甘特图和网络图来实现，表达方式不够直观和灵活。BIM模型和系统施工管理平台的建立，使得传统的二维进度形象表达向三维可视化转变。3D模型相对于2D具有更直观，更易于管理者和建设单位获取和理解建筑信息的特点，将3D建筑模型与时间维度集成实现4D可视化与模拟技术是BIM技术在进度管理中应用的最为重要方面。

在不增加施工单位上报进度工作量的前提下，协同施工管理系统较好地融合上报数据同BIM模型的双向关联，通过Web端上报进度参数数据，最终在服务器端自动实现上报进度的三维动态模拟。同时也可以任意选择时间段，来查看施工程度和内容，对施工滞后、施工提前、正在施工三种状态通过不同的颜色进行表达，真正实现了项目从维护拆除到主体结构封顶的4D进度模拟，辅助建设单位科学管理项目各项进度，如图7所示。

3.5 轨道交通施工方案管理

轨道交通的BIM技术工作，涉及设计总包、各标段的工点设计单位、施工单位、运营单位等，需要各方进行互相配合，通力合作，才能够顺利实施项目的设计方案。在项目的施工方案制定与实施过程中，沟通和协调的工作量大，各部门的方案立足于本领域，跨专业或跨部门间施工方案往往需要共同建立相应的沟通和协调的流程，保障方案设计的合理性与可实施性。

基于轨道交通施工方案管理需要设计一个基于多部门统一的施工方案管理平台，利用BIM模型能够展示方案设计各个阶段项目建造的效果，辅助方案的制定，并且通过不同施工方案的比较，根据不同需求选择最优方案；各部门通过平台能够实时查看方案的效果，提高方案的传递效率，及时对施工方案提出建议及审批，提高各部门的工作效率。所有施工方案将进入电子数据库中，便于资料存档和后期运维管理，为未来进行翻新、改造、扩建过程提供有效的历史信息。

BIM协同平台同时可根据自己的需求为项目配置流程，并定制相应的工程资料规范，实现实时上报，平台自动记录上报时间，系统实现及时收发上下级通知，以便于及时查看流程表单。例如设计联系单、施工联系单等方案，根据不同权限查看的流程单与流程消息不同，实时掌控项目情况，流程流转更快捷，如图8所示。

4.结束语

建设智慧城市、智慧轨道还存在许多急需解决的问题。BIM技术在轨道交通管理的应用尚不成熟，需要轨道建设项目的各参与单位和人员有一个较长的熟悉和适应过程。政府各部门和建设主管部门由于不同的业务职责和管理范围决定了各部门对数据和信息的类型、精度和数据范围需求的不同，因此需要建立信息细度的划分和相应的数据标准。

BIM技术的出现，使得管理工作重心更为明确，而不再是把大量精力放在计划进度和实际进度的调整上，管理的重心开始偏向施工进度的控制、进度偏差原因分析、调控手段等。本研究结合轨道交通站点施工项目的特点，结合宁波轨道交通3号线一期明楼站的施工管理实践，结合轨道交通BIM模型，实现轨道交通建设项目的精细化施工管理；借助GIS技术，将航拍的正射影像、三维地质模型、管线模型等加入管理系统中，为系统提供地理环境分析、空间地理信息支持和大场景渲染。真正实现工程标准化、精细化的管理，解决信息定向集成、分发及可视化的问题，使管理效率大大提高。

自“十三五”后，根据社会经济发展要求，我国政府聚焦结构升级，推进产业项目建设和基础设施项目建设，智慧城市轨道交通的建设，可以加快城市经济转型升级，推动创新型城市建设。城市轨道交通作为智慧城市建设中城市核心的基础设施建设，利用BIM和GIS技术实现轨道交通的信息化、数字化以及智能化建设符合中央关于新型城镇化建设的精神，符合建设绿色生态城市的需要，具有广阔的发展前景。

图7 施工进度动态模拟

图8 轨道交通施工方案管理