BI M和GI S技術在智慧城市建設中的應用

王元鑫

（中國土木工程集團有限公司，北京100080）

1 引言

隨著社會經濟的發展， 人們對城市建筑水平提出更高的要求，智慧型城市建設屬于重要發展方向。 傳統的數字城市建模方法在當前的智慧城市建設中缺乏可行性， 在此背景下，BIM 技術和GIS 技術相結合的技術應用方案更具可行性。 基于此，探討BIM 技術和GIS 技術在智慧城市建設中的應用策略具有重要意義。

2 BI M技術和GI S技術結合應用的優勢

BIM 技術和GIS 技術在功能上具有互補的關系。 BIM 技術是數字化動態管理信息的技術，將其應用于建筑工程中，可涵蓋建筑工程的各項內部信息，但由于缺乏定位功能，難以實現全面化的空間信息管理；GIS 技術是與地理環境分析有關的技術，其優勢在于可高效處理空間信息，但難以獲得建筑內部信息。因此，BIM 技術和GIS 技術綜合應用可兼顧內部信息管理和空間信息管理兩項要求， 有效提高三維建模質量以及分析精度，降低工程成本[1]。

GIS 技術有效推動了智慧城市的發展，若結合BIM 技術，可實現對智慧城市項目建設全生命周期的全方位管理， 例如，在規劃審批、建設監管、運營管理等方面均有突出的應用效果。

具體而言，BIM 技術和GIS 技術綜合應用方式的優勢體現在以下4 方面：（1）提供管理和空間分析功能。 （2）提供二維、三維一體化的基礎底圖，為施工提供參考。（3）提供各BIM單體間的連接網絡管理功能，在智慧城市項目中，涵蓋市政道路、地下管線等。 （4）提供BIM 數據管理功能，尤其是在大規模建筑群中，BIM 技術和GIS 技術具有其他技術難以比擬的優勢。 以“BIM+3DGIS”模式為例，包含精準的城市三維建模、實時的人流監控以及全面的傳感網絡等， 能夠給智慧城市的規劃設計、建設、運營管理提供重要的指導。

因此，BIM 技術和GIS 技術相融合的方式具有良好的應用效果，適用于城市規劃設計、市政基礎設施建設、環境模擬、災害管理等領域，在BIM 技術和GIS 技術相結合的技術應用模式下，提高智慧城市的建設水平和服務水平。

3 項目概況

某城市公園項目，占地面積395 hm2，包含4 個生態修復區，具體建設內容為道路、橋梁、隧道、水庫、園林。 園區內景觀橋24 座，遷改暗涵長1.42 km，湖底隧道長1.75 km，道路長18 km，種植苗木數量達300 余種。

4 智慧建造管控平臺

智慧建造可選擇的軟件和硬件豐富， 各自的數據類型各異，可能因數據類型的差異而無法正常流通數據，出現數據孤島。 針對該問題，建立1 個智慧建造管控平臺，將碎片式的信息化管理集成至智慧建造管控平臺， 提高對BIM 應用、BIM+GIS 應用、BIM+IOT 應用各子系統的集成化水平， 突出信息集成化特點，在項目管理中深入融合信息化技術。

智慧建造管控平臺的功能豐富， 可根據項目特點開發相應的功能板塊，融合GIS 廠商、大數據廠商等模塊，對外提供統一的、開放的API 數據接口環境，打破各專業系統間的信息壁壘，加快信息的流通與共享，統一整合多維度的數據并進行疊加分析，提取利用價值的數據。 智慧建造管控平臺擁有屬于自身的數據生態系統，集成項目概況、資料管理、協同管理、進度管理、環境監測、人員定位、車輛定位、人員考勤、視頻監控、試塊養護、深基坑監測及無人機應用共計12 個模塊[2]。

5 BI M技術和GI S技術的應用方法

5.1 無人機地形測量

無人機設備采用大疆經緯M300+賽爾PSDK 102S， 適配清華山維EPS2016 軟件， 用無人機采集項目施工區域的地理空間數據后，通過軟件生成三維地形模型，再從模型中導出地理點云數據，利用CAD 軟件提供原始地形數據，例如，場地等高線、坐標點，以便開展地形設計工作。

項目施工現場征拆工作進度不一， 需要根據工程現狀進行分區，有序實施。 由于難以按照豎向設計一次完成堆坡造景作業，需分多次進行，施工內容煩瑣。 項目作業面積大，工期緊張， 在指定時間內精準完成測量作業是項目進程得以正常推進的重要前提。 若采用人工測量方法，整個項目范圍的測量作業量達到600 余人次，調整為“無人機+GIS”的測量技術后，可縮短95%的測量時間，測量耗時僅為2 d，原因在于可利用Civil3D 生成地形模型，利用模型直觀反映項目場地內的地形條件，在對比分析施工地形和設計地形后，確定填挖高差，計算土方工程量并規劃施工方式，有效提高土方作業效率。

5.2 地形設計優化

根據土方不外棄的原則以及公園建設的生態要求進行地形豎向控制。地形設計優化采用的是Rhino+Grasshopper，以參數化、可視化的方式構建地形模型，可呈現堆坡造型變化對湖岸線、林跡線產生的影響，方便設計人員掌握地形條件并靈活調節地形設計方案。 通過應用Civil3D 軟件，可疊合比較地形設計模型和原始地形，確定兩者的差異，合理調節豎向高度。根據高精度的地形設計要求，利用軟件進行優化設計，將豎向高程精度控制在厘米級，并保證土方平衡差小于5×104m3。

5.3 場地規劃

聯合應用湖底下穿隧道BIM 模型和無人機傾斜攝影三維地形模型，模擬施工路線，檢驗各類設施的布置方式是否合理。 根據模擬分析結果優化分布不合理的設施，制訂臨時設施搭設方案，一方面充分發揮出臨時設施的應用價值，另一方面避免現場材料二次搬運的煩瑣工序。 經過建模分析后，提供三維可視化資料，以便項目施工活動的有效進行[3]。

5.4 虛擬場景

項目實施階段的干擾因素多，景觀方案的控制難度高，需要在短時間內呈現高質量的景觀效果、 通過項目景觀元素展現地方文化特色以及控制成本，為實現前述提及的多項目標，項目采取如下措施：（1）根據綠植初設圖紙可知，園區內有100余種灌木和300 余種喬木，按1∶1 的比例對其進行建模，形成直觀性、可視性的苗木模型庫。 （2）對苗木種植虛擬還原，從苗木搭配方式、樹種間距等角度對比分析園區苗木栽植方案，調整設計方案，共完成500 余處優化。 以設計方案為準，通過虛擬化、數字化的方式建造未來場景，在尚未建設時便獲得沉浸式體驗感，完工情況與建模情況，如圖1 所示。

圖1 施工現場與模型

5.5 進度管理

工作人員可通過管控平臺進度管理模塊查看項目各結構的生產管理信息，根據信息判斷項目實際進度。 管理員可通過手機端記錄材料出入庫、勞動力投入等信息，實際信息與預期存在偏差時，隨即預警糾偏。 管控平臺進度管理模塊自動記錄各道工序起始時間，方便工程人員根據工作需要追溯數據，為質量缺陷的處理、工程索賠等活動的開展提供重要依據。 在應用計劃時間/ 實際時間關聯模型后，可對比分析項目實際進度與計劃進度，若存在偏差則及時調整。

5.6 協同管理

得益于協同管理功能，參與方可通過線上發起辦公流程，進行工序驗收、安全巡查等日常管理工作。 以短信的形式向參與人員告知工作流程，各相關主體在線上參與項目管理，保證管理效果的同時提高管理效率。 協同管理的方式突破空間和時間的束縛，方便管理人員隨時隨地對項目采取管理措施，有效保障了管理的實效性。

5.7 環境管理

防護生態環境是項目建設的重要目標， 在本項目中采用到環境監測模塊，可實時監測PM2.5、PM10等環境指標，并接入政府監管系統，方便政府部門掌握環境條件，采取監管措施。環境監測模塊可通過平臺推送預警消息， 及時向工程人員告知可能超出許可范圍的環境監測指標，快速處治。 以粉塵濃度偏高為例，平臺及時告知管理人員，聯動現場智能降塵設備進行降塵[4]。

5.8 人員管理

項目人員管理主要通過人員考勤模塊實現， 管理人員可利用平臺查看各區域人員數量、各工種人員數量等，結合工程建設任務調度管理工程人員。 通過人員考勤模塊的應用，有效避免人員閑置的情況，提高了人力資源利用水平。

5.9 定位管理

項目定位管理主要采用的是定位模塊，在“BIM+GIS”技術的孿生場景中動態展現人員分布狀況， 對各施工危險點進行實時定位，加強對危險施工點位的安全巡視，充分保障人員的人身安全。 此外，在施工車輛上安裝定位裝置，在衛星定位系統的配合下，可及時查詢車輛的位置，生成車輛運行軌跡，便于管理人員優化車輛運行線路以及調節各道工序的施工時間， 盡可能通過優化管理措施減少交通沖突點， 保障施工安全，提高施工效率。

5.10 “BI M+I OT”應用

5.10.1 試塊智能養護監控系統

項目下穿隧道長1.75 km，最大埋深22 m，需要采用抗滲混凝土建造隧道主體結構，保證隧道的防水效果。 向管控平臺接入試塊養護智能監控系統， 在隧道混凝土施工期間選取試塊并進行跟蹤標記，由于系統的聯動以及數據的高效共享，工作人員可實時查看混凝土試塊的數量、養護狀態、養護預警次數、養護期間的用水量、養護溫度及濕度等信息，通過試塊反映下穿隧道混凝土施工情況， 有利于加強質量控制以及提高施工效率。

5.10.2 深基坑監測系統

下穿隧道周邊為弱膨脹土質， 采取多段同步施工的方案時，在基坑施工期間潛在質量隱患和安全隱患。 基于對施工質量和施工安全的考慮， 在下穿隧道施工中采用基坑位移監控技術，共布設93 個測點，監測數據可被及時傳輸至平臺，供工作人員查看，根據監測數據判斷隧道是否存在位移變化、位移的發展趨勢等。 在本項目中，下穿隧道施工全程共產生5 次預警推送，工程人員及時根據預警信息采取管控措施，有效規避施工風險。

6 結語

綜上所述，本項目屬于重要的城市基礎配套設施，根據高品質的建設要求，項目構建指揮建造管控平臺，在項目設計、建造等階段聯合應用BIM 技術和GIS 技術，有效突破地形營造控制難度高、統籌管理復雜、質量可控性差、效率低等問題。同時，BIM 技術和GIS 技術的信息交流效率高，管理人員可直觀獲取工程信息，判斷工程實際進度以及工作狀況，及時采取針對性的管控措施。 管控平臺增強了項目各部門的協同性，構建立體化的管理模式，管理對象涉及工程人員、工程進度、工程車輛等方面，在全面的管控下，項目各項活動按照計劃如期進行，施工安全得到保障，施工質量符合預期。 實踐證明，BIM技術和GIS 技術的聯合應用方式具有可行性，有推廣價值。