基于GIS 与BIM 技术的市政综合管廊的运维管理

晏 源，杨斯然，黄佳瑶，李一博

（重庆交通大学，重庆 400074）

目前国内大多数城市的市政综合管廊中安装了给水管道、热力管道、天然气管道、电力电缆、通行线缆等市政公用管线，这种安装方式解决了城市地下管线管理各自为政、维修维护乱挖乱埋、施工过程破坏管道等问题。综合化的市政管廊是城市管道基础设施的发展方向和全新模式，由于市政综合管廊内布满了不同类型、不同公司运营、对社会影响程度不同的管线。一旦高危管线，如天然气管道、集中供暖管道等发生故障，就会产生连锁效应和衍生灾害，危及到居民的生命财产安全，还可能对大范围地区内人们的生产生活造成影响，所以市政综合管廊的运维管理是一项关乎民生的重要工作。通过对现有文献及资料的查阅和研究，我们发现目前国内外对市政综合管廊的研究大多集中在市政综合管廊的可行性分析[1]与规划设计[2]等方面，对于市政综合管廊运维管理相关的研究较少，目前的研究主要是针对某一项技术在管廊管理维护中的运用，而综合运用各项技术对城市市政管廊进行管理的研究几乎一片空白。

1 BIM 技术介绍和特点

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术是一种对工程设计、建造、管理进行数据化显示、展示的工具，通过对各种工程、建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员正确理解和高效应对各种建筑信息，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用[3]。

BIM 技术与传统的CAD 软件相比，其可以插入、提取和修改的特点更加适应项目全生命周期的建设运营，而且效率更高。BIM 技术是一场建筑领域的技术革新，是建筑行业的一道分水岭。

1.1 BIM 技术的可视化

BIM 是一种可以展现三维效果的可视化模型，相较于CAD 技术的二维可视化，BIM 技术的可视化更为先进、直观、易于理解，这样能使工作者更好地理解建筑空间的拓扑关系，更加便捷地对对象进行管理。BIM 技术的可视化不仅包含构件的大小、位置和颜色等属性信息，还包含了构件之间的互动性和反馈性等拓扑关系。

1.2 BIM 技术的协调性

BIM 技术具有较高的可协调性，还具有覆盖项目全周期的特点，同一个项目不同领域的工程师可以利用BIM 所构建的模型在建筑物构造前、中、后期对各专业的碰撞问题进行协调、管理及交互，生成协调数据，并进行共享、以便更好的对项目进行操作。

1.3 BIM 技术的运行特点

BIM 技术能够对项目的全寿命周期进行操作和管理。通过BIM 收集和储存建筑信息，同时兼容数据库中的信息，有助于运维管理阶段各项工作的协同开展与研究。由于BIM技术的这些特点，因此将其运用于城市市政综合管廊这样的运维周期性公共基础建设是一种趋势。

2 GIS 技术介绍和特点

GIS（Geographic Information System 或Geo-Information system，地理信息系统）是一种结合地理学与地图学、遥感和计算机科学，可以广泛应用于各种不同领域，用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统技术。该技术不仅可以有效地对具有空间属性的各种资源环境信息进行管理，还可以对资源环境管理进行模拟实验并进行理论分析，可以有效地在时域内对资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较。

GIS 能够结合各方面要素，综合环境、经济、人口等各方面数据对地形、经济、交通以及既有建筑物的分布情况等信息进行精细化描述，可以使用多种坐标系在不同纬度来展示空间对象的各种细节。当运用GIS 与地下管线进行空间建模和数据叠加时，GIS 可以通过与遥感数据的集成和多维数据的综合考虑，模拟出不同的路线规划，通过对各方案的比较和选择做出优化，最终拟定最优方案。同时，将市政综合管廊的地理信息（如空间分布、地质结构、城市区域分工等）、周围环境（如人口密度、管线的几何物理等信息）以及相关的国家标准、地区标准、因地制宜的策略等信息录入到GIS中，通过建模进行分析和风险预测控制，可以实现安全风险管理。另外GIS 具有空间定位的功能，运用GIS 技术的空间定位功能，可以将GIS 的数据与力学分析模型相结合，实现对管道薄弱点的空间分析和可视化定位。由于GIS 具有空间管理属性，所以目前GIS 运用最广的还是帮助管理人员进行地区或城市精度范围的危及反应和灾害管理以及交通流的预测、物流的路径规划等。

3 BIM 技术和GIS 技术的不足

BIM 技术可以运用于城市市政综合管廊内部各类信息的管理，但在准确定位大场地范围内的物体、连接不同的复杂物体、周边地形信息管理以及空间查询等方面存在不足，它主要用于对市政管廊内传感器所获取到的信息如温度、湿度、管道的衰老程度等进行分析和综合处理，以判断管道是否完好、什么时候可能损坏并提前预警。

GIS 技术主要运用于处理大尺度范围的工作，对宏观环境下的位置加以定位和对维修管理人员提供引导。其精度不足以支撑城市市政综合管廊内部精细化运维管理，无法通过GIS 数据库对设备各项信息进行处理，预测各种管道寿命以及判断是否需要维护。

4 BIM 技术与GIS 技术的结合

GIS 技术可以提供管廊周围环境的宏观模型，为管廊内部结构的区域管理、空间管理、灾害管理提供宏观信息，可以为安全管理、应急管理和逃生线路做好规划。BIM 技术提供管廊内部精细化模型，为设备更换维修做出预警和远程问题分析，为维修人员做出问题的预判，提供数据基础和模型支持，更高效地及早发现问题并做好预防，做到有备无患。通过二者的结合，可以使市政综合管廊运维管理效率得到显著提高。但是BIM 和GIS 两者背后的技术和标准不同，两者各自依托其对应的数据库，这两者的结合必然会出现一些问题，如数据的交互、标准的选取、同步化方式以及城市市政管廊内的环境建模等问题。

5 BIM 技术与GIS 技术结合面临的挑战

5.1 数据与标准

在对物联网、BIM、GIS 数据进行集成时，由于各类的建模标准、交互标准、管理数据标准、技术数据标准、档案存储数据标准等不同，会导致集成后数据丢失、可视化效果不佳、无法分析等情形。这无疑会影响整个系统的运作，在实现技术结合中，首要任务便时数据的交互和标准的选取。

5.2 大数据信息分析

除了BIM 系统和GIS 系统，市政综合管廊运维管理还需要整合火灾报警系统、安全防范系统、环境与设备监控系统、通信系统、预警与报警系统等各个子系统。一方面，需要处理各类数据来源的交互操作性问题，另一方面，需要解决不同数据的结构复杂和数量庞大的问题。同时，各项传感器的综合运算如果在系统中进行处理，必然会增加系统的负荷量，可以利用单片机进行分布式运算，只将运算后的数据传回控制中心。

6 技术设想

在管廊连接处设置位移传感器，监控管廊的沉降问题；在管线的接口内外设置压力传感器，监控管线的泄漏情况；在管廊内部设置分布式光纤传感器，监控地震等自然灾害的影响，通过单片机进行分布计算，然后将计算后的数据上传至相应的GIS 数据库、BIM 数据库、入廊管线数据库等子系统的数据库中。对这些数据进行统计分析，再由此制订不同的技术方案。将这些技术方案提供给市政综合管廊运维体系、入廊管线管理体系、总和管廊应急抢险体系，最后管理者根据实际情况在相应的体系中选取最优的决策方案。

7 前景与展望

城市市政综合管廊项目运维周期长、难度大、安全要求高、重要性突出，所以要求采用极高水平的技术，确保其运维管理。目前国内外对市政综合管廊的运维管理常常只采用某一种技术，这样不能兼顾其他的要求，往往降低了管理效率。虽然目前的发展状况仍然有不少的问题，但是多种技术的融合应用于市政基础设施建设是未来发展趋势，一些问题都会慢慢被解决。