基于BIM+GIS的城市轨道交通建设管理智慧平台

2019-11-07济南轨道交通集团有限公司李虎李罡张志强

中国勘察设计 2019年10期

■济南轨道交通集团有限公司李虎李罡张志强

山东同圆数字科技有限公司王效磊

城市轨道交通从设计到运营，一般分为线网规划、建设规划、可行性研究、设计、施工、验收、试运营、正式运营等阶段，是一个体量庞大、系统复杂、多专业、多门类、多参与方的系统工程。城市轨道交通作为城市基础配套设施的重要组成部分，不仅需要关注自身建设及数据体系的完善，也要满足后期智慧城市建设的资源整合条件需求。

搭建基于BIM+GIS的城市轨道交通建设管理智慧平台的目标是实现轨道建设工程的信息处理、数据整合分析、智慧管理，通过轨道交通建设信息集成技术的应用和不断完善，促进跨行业、跨部门的多源信息资源深度共享，为智慧城市建设助力。

该研究依托济南轨道交通工程实践，搭建基于BIM+GIS的城市轨道交通建设管理智慧平台，集成并融合BIM、GIS多源数据，预先以可视化的方式表现轨道交通规划设计形象面貌，并通过空间比对、空间分析、交通分析、方案比选等方式，为轨道交通规划设计提供分析结果、分析参数，为最终的规划设计提供决策支持，并利用IOT以及RFID、二维码等技术支持后期管理。

项目背景

2018年5月，住建部印发《城市轨道交通工程BIM应用指南》（以下简称《指南》），《指南》适用于城市轨道交通工程新建、改建、扩建等项目的BIM创建、使用和管理。城市轨道交通工程宜在工程可行性研究、初步设计、施工图设计和施工等建设全过程应用BIM，并实现工程的数字化交付。《指南》还明确了各个阶段及各参与单位开展数字化应用的主要工作内容。

2019年4月，国家发展改革委发布《产业结构调整指导目录（2019年本，征求意见稿）》，在“城镇基础设施”章节中明确提出了城市道路及智能交通体系建设，基于大数据、物联网、GIS等为基础的城市信息模型相关技术开发与应用。

济南市轨道交通第一期建设规划于2015年1月获得批复，包括R1线、R2线一期、R3线一期三条市域快线，全长80.6公里。截至目前，R1线已开通运营，R3线一期将于2019年下半年开通，R2线作为济南地铁首条无人驾驶地铁线路，正按计划推进建设。济南市轨道交通第二期建设规划正在申报审批过程中。

重点难点分析

轨道交通建设的常见问题

决策风险大。传统的规划方案决策往往在数据精准性及分析透彻性方面支持力度不够，很容易因为基础条件不充分造成决策失误，对整个城市的交通枢纽甚至城市规划合理性产生巨大的影响。设计过程的方案决策及施工过程的方案决策对专业技术能力要求高，传统设计及管理方式存在局限性，问题反馈搁置、反馈周期长可能会造成决策风险，产生问题后期修正的可能性小、修正成本巨大。

城市轨道工程建设体量大、涉及区域广。城市轨道交通工程建设是一项综合性工作，具有牵涉面广、复杂性强、责任重大等特点，通常受城市规划、地形地貌、工程地质及水文地质条件、地面与地下建筑物和地面交通状况等多方面因素影响。传统的基于二维平面的方案比选和设计方法通常难以整合城市三维建筑物、地质、道路、管网等重要信息，容易出现方案比选失误、设计出现偏差的情况。例如，新建工程与城市既有地下管网、建筑物交通设施等发生冲突，进而发生设计变更，可能导致大量拆迁、改造和改移工作，对工程建设及沿线区域的环境产生重大影响。

城市轨道项目成本大，成本管控难。前期设计成本分析、过程采购管理、结算管理、后期运维成本把控环环相扣，传统的项目管理方式及管理手段造成的数据断层，是成本难控的主要原因之一。实现成本数据的精确统计及数据成本的生长关联，是成本把控的有效手段。

协同管理难。轨道交通项目参与单位众多，各个参与单位、参与专业的协同管理程度决定了项目最终的管理效果，对于一个可以实现融合集成各参与单位、各个阶段、各个板块等不同管理需求的管理流程、管理手段有着迫切需求。

质量管控难。轨道交通的工作量巨大，无论是对于设计阶段的设计质量把控还是施工阶段的施工质量把控，参与人、管理人的水平不同造成质量管控效果也会不同，使得整个工程的质量管控变得更加困难。

工期要求紧。轨道交通建设多基于基本成熟的城市体系、交通体系，轨道建设工期要求较为紧迫，以最大限度地减少对居民正常生活、交通运输状况、管网配套设施的影响，更好地服务人民。

数据断层。目前，国内城市轨道交通的信息化建设还有很大的进步空间，对交通组织及未来需求分析的可支持性差，集成调度智能化弱；对社会经济、社会心理、区域发展分析的数据可利用性弱，尚未发挥其应有的价值。

运维管理难。传统的被动运维方式由于反馈时效性、信息完整性等因素的存在，可能造成交通瘫痪、事故安全等隐患。

信息化程度低。无论是前期决策、设计、施工，还是后期运营，问题造成的主要原因在于对人的过度依赖。这就要求通过工作方式的变革、工作流程的规范形成业务互补、技能互补、资源互补、信息互补的生态合作方式，降低人对项目的主体影响，整合生态的优势资源服务项目的管理过程，有效保障项目的顺利运行。

济南轨道交通建设的特殊性难题

济南地铁建设曾在不少相关报道中被喻为“全球地铁建设难度最大”。线路途径泉水密集区，工程建设与泉水保护实现平衡较为困难。从1988年济南首次提出修建轨道交通到如今首条地铁开通，从来没有一座城市像济南这样，为是否修建地铁而反复纠结，济南轨道交通筹建部门甚至曾两度被撤销。2002年，济南市邀请中国科学院、中国工程院多位院士，专题研讨地铁建设与地下水保护，最后得出“应当慎重研究”、“充分论证和规划”的结论，加之趵突泉当时停喷900多天，济南市轨道交通筹建处随后被撤销。直至2009年7月，《泉水影响研究报告》出炉，《报告》明确划分出济南不宜修建地铁的敏感区域，探明局部路段修建地铁的适宜埋深条件，在敏感区域外修建地铁不会影响保泉。

安全穿越“毛细血管”密布的泉脉修建地铁，并且不破坏地下水文环境，技术难度可想而知。数字技术的应用无疑为轨道建设工程提供了重要的技术支撑，尤其是地理信息系统(GIS)技术为轨道交通的规划布置、方案比选、数据精准分析提供了精准的、科学的数字依据，为后续工作开展打下了坚实的基础。

基于BIM+GIS的城市轨道交通建设管理智慧平台的应用

搭建城市轨道交通建设管理智慧平台，应用BIM、GIS、大数据等技术降低项目建设规划决策风险，应用IOT等技术为后期管理提供先进的管理手段，将先进技术手段与轨道交通工程实施紧密结合，使轨道交通工程建设踏上智能化、智慧化管理的新征途。（图1）

典型应用点

（1）智慧地质

●多源异构数据融合

支持地形数据、影像数据、地上景观、三维地质模型等多源、异构数据一体化展示，真正实现地上、地表、地下三维模型一体化展示，为轨道交通线路规划设计、重大工程论证、市政工程建设提供全维度信息的决策依据。（图2）

图1 平台架构图

图2 多源异构数据融合

图3 辅助规划分析——地铁口可视分析

图4 水文地质分析——剥层分析

●辅助规划分析

系统实现的双屏对比、淹没分析、剖切分析以及拆迁分析等地理分析功能，能够为设计人员在方案论证、地铁口选址、空间关系论证、拆迁成本估算等方面提供决策依据。（图3）

●水文地质分析

提供基于三维地质数据的可视化处理与分析工具，实现对模型时空展布特征的三维可视化再现，并能够对这些模型进行剖切、开挖或者模拟漫游，增强地质分析的直观性和准确性，从而减少地下工程设计、施工面临的地质风险，更好地为城市规划、建设、运行和管理服务。通过平台的水文地质分析功能，在规划设计之初就完全避开了趵突泉、大明湖等泉水敏感区，在敏感区域外修建地铁不会影响保泉。（图4）

（2）智慧管理

●BIM管理

BIM管理是平台上应用站点、区间、基地BIM的基础环境，保证BIM模型及信息的全面展示，并以BIM作为信息关联的UI关联相关的信息。平台先对BIM进行安全的轻量化转换，保证BIM的模型和信息无损地集成到平台里。通过应用数模分离的解决思路，将BIM与其自身的数据库进行分离，同时又保持关联，这样所有的关联功能就可以通过数据库作为中转，实现任意信息与BIM的关联，从而实现BIM模型漫游、剖切、显隐功能，对比、分类显示、测量等功能。

●物资管理

对站点、区间、基地的物资进行统一化管理，包括物资BIM对应、物资信息管理、物资库存管理等。物资与BIM的一一对应，实现了利用BIM对线下物资进行统一的信息化管理，通过物资台账列表可快速定位至BIM中的位置，不但可以利用BIM的信息化属性对物资信息进行统计及清单式管理，同时利用“BIM+数据库+二维码”技术，实现对线下物资参数信息的扩展及动态编辑，通过各阶段的整合实现资产全生命周期的管理，大大提高了物资管理的信息化水平。（图5）

（3）智慧建造

●进度管理

计划进度按时间自动提前并进行进度预警，改变了施工管理人员事后管理的工作方式，可以提前对工作计划作出部署；结合BIM进度对比，提供直观的形象面貌，为施工管理人员调整进度计划提供决策依据；通过对项目进度进行闭环管理，保证工作进度的落实。（图6）

●盾构管理

盾构管理模块集盾构推进状态、推进参数、视频监控及监测报表于一体，支持对盾构机施工过程中推进进度、推进参数、风险源信息、监测点信息、视频监控及第三方监测日报等进行统一化展示，便于决策层全面掌控盾构施工进度、避免各类风险、降低可控成本，最终实现对盾构的智慧化管理。（图7）

现阶段工作成果

（1）实践应用案例

图5 物资管理

图6 进度管理

为实现宝华街项目通道的顺利建设，平台前后依次将宝华街附近精细地形、高分影像、精细模型、管线模型以及红线等数据集成至系统，形成了具有全要素、全空间、全方位的三维可视化场景，基本再现了宝华街实际分布的现状，其场景浏览、量算分析、方案对比等功能，为工作人员调整方案设计以及工程的开展提供了有力支撑。（图8）

（2）报优宣传

公司联合同圆设计集团参加了2018年度山东省建筑信息模型（BIM）技术应用大赛，“BIM+GIS技术在轨道交通中拓展应用”荣获技术创新组一等奖，“基于BIM技术的物资编码系统在济南轨道交通工程中的应用”荣获创新组二等奖。“济南轨道交通R2线工程全生命周期BIM应用”参加了2019年创新杯BIM应用大赛，荣获拓展类BIM应用第三名。此外，项目还分别在第十一届中国（济南）国际信息技术博览会、第四届济南电子商务产业博览会参展。（图9）

（3）技术创新研发

公司联合山东同圆数字科技有限公司成功申请《济南轨道交通设备编码系统》计算机软件著作权。《基于BIM+GIS的城市轨道交通建设管理智慧平台研究与应用》通过了山东省交通厅的课题申报，《基于 BIM+GIS的城市轨道交通建设管理智慧平台》通过了工信厅技术创新项目的申报。（图10）

图7 盾构管理-推进参数

图8 数字技术辅助R2线可行性研究评审

应用展望

新设计

借助制造业数字化的成功经验，通过GIS+BIM的综合运用，实现数字化样品验证及展现，辅助决策、指导施工，为决策提供更多选择、更多支持、更优方向，实现设计协同管理、设计管理前置，集成经济指标数据、几何尺寸信息、部分非几何辅助信息等。

新建造

数字化施工模拟、数字化加工制造、数字化工序模拟和虚拟可视化手段的有机结合，通过软件和数据形成轨道交通建设的“数字化生产线”，数字加工+数字施工有效保证了施工进度及施工质量。同时，通过项目的不断实践，生产流程不断完善升级再造，通过平台实现对人员、机械、材料、环境等各要素的实时感知、分析、决策和智能执行，打造“智慧工地”。