以GIS和BIM深度集成应用技术为核心的城市地下管网信息管理模式探讨

宋学峰

(北京市中宣市政工程有限公司，北京　100037)



以GIS和BIM深度集成应用技术为核心的城市地下管网信息管理模式探讨

宋学峰

(北京市中宣市政工程有限公司，北京100037)

不同的城市地下管网建设管理部门所采用的信息技术不尽相同，信息管理系统也属于分布式管理系统。各分布式系统之间因应用技术和信息格式不统一而存在信息孤岛现象。以GIS(地理信息系统)和BIM(建筑信息模型)的深度集成应用技术为核心的信息管理传递模式，将上述两种技术从数据和系统层面实现集成应用，解决不同系统之间的数据信息格式的相互转换问题，打破各系统、各部门之间的信息壁垒，实现数据交互与信息共享。基于该集成应用技术的信息管理模式是保障智慧城市地下管网科学、高效、安全运行的有效模式。

GIS； BIM； 深度集成； 智慧城市； 智慧管网； 信息管理模式

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.14

智慧城市建设是涉及基础设施、经济产业、社会民生、资源环境、公共安全等各领域的综合性系统工程，科学发展智慧城市除了积极的政策环境、完善的法规环境外，用先进的创新技术来实现城市建设管理领域高度的信息共享必然会成为智慧城市建设强有力的驱动。城市地下管网等基础设施的信息化管理是智慧城市建设管理的重要内容，对于任何城市，各类地下管线就是城市的地下生命线，承担着能源、通信、防洪、安全等诸多重要的城市功能和使命。

1　我国智慧城市地下管网建设管理背景

我国城市地下管线包括供水、排水、燃气、热力、电力、通讯、广电、工业等8类20多种管线以及综合管廊，其建设和管理涉及多个政府职能和权属部门。在城市地下管线规划、设计、建设、运维等不同阶段，由于各地下管线的权属单位不同，各管理部门所采用的分布式信息管理系统的核心技术不同而造成各部门之间信息壁垒现象严重，出现信息管理不到位、信息沟通不流畅、数据更新不及时等多方面的问题。由此造成城市地下管线交错重叠、杂乱无章，挖断、泄漏、占压等安全问题时有发生，“马路拉链”现象更是层出不穷，这些都严重威胁了城市居民的生命财产安全和城市公共安全，严重影响了城市运行秩序。管线问题如图1所示。

图1　城市地下管线问题示意图

2　城市地下管网建设管理亟待破解的难题

目前我国在城市地下管网建设管理中存在的问题有：信息技术的日新月异导致的国家信息化建设方面的制度、标准和规范的滞后和不完善； 政府职能部门和权属管理部门之间的条块分割严重，协调难度大； 城市各分布式管理系统独立运行，数据资源分散，多部门协同管理困难； 各分布式系统缺乏统一和系统性，各系统之间的信息类型差异造成信息在系统间业务流转时难以共享，系统间业务集成应用困难，无法完全实现城市信息的高度共享，难以为政府综合决策提供完善的一站式在线信息综合服务。

为解决城市地下管网管理的问题，按照国务院要求，大多数城市于2015年底完成了城市地下管线普查工作。但普查之后的信息管理工作还任重道远，不但需要按照统一的标准建立综合信息管理系统和各专业管线信息管理系统来实现信息的实时交换、共建共享和动态更新，更需要将这些信息融合到数字城市与智慧城市建设中去。这就需要发改、规划、建设、管理、安全以及市政、电力、通讯、广电、工业等管线主管部门和权属部门的各分布式管理系统之间实现信息格式的统一和互联。

3　以GIS和BIM深度集成应用技术为核心的信息管理

针对以上难题，国家需要及时建立智慧城市建设体系信息化管理的统一标准体系来促进相关制度、标准和规范的完善； 需要分析整合城市各管理领域的核心系统及其各项信息特征，通过业务集成的方式将各部门间的管理协同起来，将分散的数据资源集成起来。针对目前各分布式系统之间的信息类型差异所造成信息交换难题，只有加强技术创新驱动，不断开发集成应用技术，构建面向应用、用户和产业升级的城市智能化的支撑环境，才能整合跨行业和跨部门的多源异构数据，促进信息资源的深度共享，实现广泛的业务协同。而GIS和BIM的深度集成应用技术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。

3.1GIS和BIM的技术优势对比

通过调查，目前国内城市建设管理相关领域的信息系统大多是以GIS为核心技术的管理系统，GIS作为一种特定的空间管理信息系统，应用比较成熟。GIS在地理信息管理、环境信息管理、规划信息管理、社会信息管理等诸多方面均有所应用，已广泛用来解决资源清查与管理、城市规划与管理、环境监测与评价、灾害预警与损失评估、政务管理宏观决策、测绘地图制图、交通工程规划设计与管理等不同领域的多种问题。

BIM是具有详细建筑功能和特性的三维信息模型，目前BIM已广泛应用于城市建筑微环境规划分析、建筑全专业三维设计、日照采光分析、噪音分析、CFD分析、能耗分析、结构受力分析、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，贯穿工程项目建设全生命期内的规划、设计、招投标、施工、运维的各个阶段，尤其是BIM模型在项目竣工交付后的几十年甚至上百年的设施运行维护管理中的价值越来越受到重视。由于BIM模型包含了建筑物本身及其内部的详细参数信息，在表现复杂的建筑物及其所属机电等配套系统方面有着非常大的信息优势。

由此可见，GIS数据在城市建设领域主要表现道路、建筑、水域、植被等外部空间设施的几何和环境描述信息，是主要解决城市建设宏观领域各种问题的信息应用技术； 而BIM模型在表现复杂的建筑设施本身及其所属机电等配套系统等方面有着非常大的信息优势，是解决城市建设微观领域各种问题的信息应用技术。

3.2 GIS与BIM的深度集成研究

3.2.1GIS与BIM深度集成研究的迫切性

目前我国城市建设领域的城市政务管理、规划管理、土地管理、管网管理等系统大多为数字化管理系统或基于GIS技术、3DGIS应用技术开发的管理系统，部分系统在一定程度上实现了三维可视化并解决了整个城市或区域宏观管理的需求，但在对城市地上地下建筑设施的微观管理领域因其信息数据大量缺失而显得不足； 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的基于BIM技术的信息管理系统，和基于GIS技术的管理系统形成快速并列发展态势。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，所有对两个技术进行深度集成应用研究使其发挥更大的价值显得尤为迫切。

3.2.2GIS与BIM深度集成应用价值

改变我国目前地下管网的管理现状，消除信息壁垒，需建立各系统之间数据信息的交换和传递机制，实现项目从规划建设到运行维护整个生命期内实时的信息共享。针对目前国内城市建设领域各分布式系统现状，统一规划，统一技术、统一信息格式可以保证各方数据交换过程中的准确性、安全性和高效性，为统一的标准管理奠定基础。GIS技术和BIM技术集成应用创新，驱动了信息管理系统之间数据交换和传递的发展与创新，为统一管理标准，实现项目全生命周期应用价值最大化奠定了基础。

图2　GIS和BIM集成研究思路示意图

开展GIS与BIM的深度集成应用技术研究，整合建筑基础设施外部地理环境信息与建筑基础设施自身属性信息于一体，将城市基础设施建设管理领域的宏观管理与微观管理相结合，是智慧城市地下管网建设管理精细化的必然要求。深度集成技术的应用比其单一技术应用在模型质量、分析精度、管理效率、成本控制、安全管理等各个方面均有较大提升，应用领域和空间也有较大的拓展。目前，GIS与BIM深度集成应用研究还属于前沿课题，在不同的国家和组织间就不同的集成应用深度和应用方式的研究均有所开展，其中有的部分实现了应用层面的集成，但在系统和数据层面进行深度集成的研究成果还为数不多，国内清华大学在该技术的深度集成技术研究方面取得了一定的进展并进行了实践应用。

3.2.3GIS与BIM深度集成研究思路

GIS和BIM深度集成应用研究重点是解决两种技术不同数据格式之间的单向或双向转换问题，进而实现两种技术在数据层面和系统层面的集成，达到深度应用集成的目的。BIM技术的主要通用数据格式为IFC标准格式，GIS技术的通用数据格式为GML或CityGML格式。这些数据格式在语义信息的丰富程度、几何表达方式上均有所侧重和不同。IFC具有多种几何表达方式和丰富的构造语义信息； 而CityGML强调多尺度的空间对象表达及其几何拓扑和语义信息。将IFC和CityGML通过转换工具进行转换并定义其相互转换过程中的几何信息过滤方法及其语义映射规则，可保证在数据转换过程中有价值信息的无损传递，为IFC模型和CityGML模型的相互自动转换奠定基础。集成研究思路示意图如图2所示。

4　管网信息传递模式

以GIS和BIM的深度集成应用为核心，建立城市管网建设管理各部门之间的信息传递模式如图3所示。

图3　GIS和BIM集成应用技术为核心的数据信息传递模式

4.1集成应用使宏、微观管理部门实现价值互补

由图4可见，目前GIS技术应用范围主要涉及政府政务管理、规划管理、管网管理及测绘单位等宏观管理部门，GIS应用系统在集成了BIM技术应用后，可使宏观管理与微观管理有效地结合，实现各部门对建设相关信息的动态化管理，提升部门信息化和精细化管理水平； BIM技术应用范围主要涉及项目建设设计、施工以及运维等相关单位的微观管理，BIM技术集成GIS技术后，则可提高长线工程和大规模区域性工程的设计、施工等建设管理能力、资产管理能力以及运维管理能力。

4.2实现管网各部门的信息交换和动态更新

工程项目的BIM模型从初步设计到施工图设计、施工建造及运营维护，各个阶段的信息不断完善并无损传递，BIM与GIS的深度集成可使BIM模型中的信息在规划阶段、建设管理阶段以及运维管理阶段均可向宏观管理各部门进行传递，这就大大提高了基于GIS技术的城市规划与管理、建设管理、环境监测与评价、灾害预警与损失评估、政府政务信息等应用和分析的精细化程度。微观管理领域的设计、施工及运行维护管理运用集成技术可以提升空间信息丰富程度和相应管理信息的拓展，保证了与各部门之间信息传递效率。

集成技术应用实现了各分布式系统的信息交换格式的相互转换和统一，打通了个分布式系统之间的信息通道，各系统间有规则连接保证了数据的共享与传递，保证了信息管理的准确性、完整性和时效性，尤其是实现了竣工交付阶段或管网运行维护部门的管线更新数据信息向管理部门的实时更新与传递，良好的解决了地下管线的动态实时更新问题，实现动态管理。

5　需要进一步解决的问题及建议

城市政务、发改、规划、建设、管理、安全以及市政、电力、通讯、广电、工业等政府部门、建设主管部门和权属部门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，有必要在充分调查与协调的基础上对各部门数据需求按精度、类型、范围、权限进行划分与界定，建立信息细度划分、责权划分管理机制，制定相应的标准，打破信息垄断，该开放的公开、该共享的共享、该专属的保密； 同时，信息化有关部门须进一步缕清与明确各不同部门的管线及其数据信息的权属和管理关系，在明确责、权、利的基础上建立相应保障机制，促进各部门之间的协同工作，提高管理效率。

实现城市管网建设管理各相关单位之间的深度合作的关键是解决其各分布式管理系统之间异构数据信息之间的相互转换和共享，以GIS和BIM集成应用为核心的信息管理模式只是为解决该问题提供了技术保证。只有以技术创新驱动管理的创新，，以及在不同的系统应用和管理工作中寻找GIS和BIM深度集成应用所发挥的价值点，实现各部门间的信息共享和应用价值提升，才能跨越条块分割，打破信息壁垒，消除信息孤岛，实现信息资源的深度共享和广泛的业务协同，才能真正体现智慧城市智慧管网建设管理的核心价值。

[1]智慧城市标准化总体组.《中国智慧城市标准化白皮书(2014)》.

[2]住房城乡建设部信息中心.《中国建筑施工行业信息化发展报告(2015)：BIM深度应用与发展》.

[3]马智亮.BIM新技术深度应用案例的启示[J].建筑， 2015(17).

[4]张建平，余芳强，赵文忠 等.BIM技术在邢汾高速公路工程建设中的研究和应用[J].施工技术， 2014(18)： 92-96.

[5]汤圣君，朱庆，赵君峤.BIM与GIS数据集成：IFC与CityGML建筑几何语义信息互操作技术[C]//bim技术在设计、施工及房地产企业协同工作中的应用国际技术交流会.

Discussion on Information Management Mode of Urban Underground Pipe Network based on GIS and BIM Deep Integrated Application Technology

Song Xuefeng

(BeijingZhongxuanMunicipalEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100037，China)

Different management departments of urban underground pipe network construction use different information technologies, and information management systems also belong to the distributed management systems. The information island phenomenon is not uniform between the distributed systems because of the application technology and the information format. The information management transmission mode with deep application integration technology of GIS (Geographic Information System) and BIM (building information model) as its core realizes integrated application of the above two techniques from data and system, solves the problem between different systems of data format conversion, breaks the barriers of information among various systems and various departments, and thus realizes data exchange and information sharing. Information management mode based on the integrated application technology is an effective model to ensure the scientific, efficient and safe operation of underground pipe network in smart city.

GIS; BIM; Deep Integration; Smart City; Intelligent Network; Information Management Mode

宋学峰(1974-)，男，硕士，高级工程师，北京市中宣市政工程有限公司总工程师。主要研究方向：市政工程施工和BIM技术应用。

TU17

A

1674-7461(2016)04-0080-05