基于BIM与GIS技术在地铁隧道全生命周期中的协同应用的研究

贾斯博

摘要：阐述了BIM+GIS技术在地铁隧道应用的优势，从协同设计规划，施工过程，智能运维管理三个阶段分析GIS+BIM技术对地铁隧道建设的意义，将城市地铁隧道与云计算、大数据、物联网等新技术的融合进行展望。

关键词：BIM+GIS;全生命周期;地铁隧道;协同应用

Abstract： This paper expounds the advantages of BIM+GIS technology in the application of subway tunnel， analyzes the significance of GIS+BIM technology in the construction of subway tunnel from the three stages of collaborative design planning， construction process and intelligent operation and maintenance management， and forecasts the integration of urban subway tunnel with cloud computing， big data， Internet of things and other new technologies.

Key words： BIM+GIS;full life cycle;subway tunnels;the collaborative application

0  引言

当今世界，城市地铁发展迅速，各发达国家超过百万人口的大城市，为了缓解和改善交通，大多通过选择建造地铁的方式。近年来，我国地铁得到大力发展，并将成为我国未来城市基础设施建设的重要内容，随之快速推广的BIM技术与GIS技术相结合，成为地铁隧道的应用趋势。

1 BIM技术、GIS技术应用现状

BIM技术是一种多维的集成技术，侧重于单一建筑的精细化表达，在传统的三维模型基础上建立全生命周期工程信息模型，参与建设各工程方均可从模型中查看或输入自己所需要的信息，完成协同工作，实现建筑全生命周期工程信息集成、交换、共享和管理，BIM的数据库是动态变化的，在应用过程中不断修改、更新、补充。BIM技术在各个方面的优势使得在世界范围应用率极高，广泛应用于建筑科学工程、公路铁路和水路建设等领域。GIS技术起源于20世纪60年代，1960年加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一术语，并建立了全球第一个GIS——加拿大GIS，随后GIS技术在全世界发展起来[1]。在计算机硬件系统的支持下，GIS技术可以实现大空间尺度上的数据管理、分析、决策、计算等功能，如今随着GIS技术的不断成熟，已广泛应用于建筑科学工程、气象水利、交通工程等领域。BIM+GIS技术的融合可实现GIS技术的地理宏观表现与BIM技术的微观精细数字化相结合，充分发挥数据分析、管理功能的特点，在资源共享、决策效率、监控管理、成本控制水平等方面发挥着不可替代的作用[2]。因此，在城市规划、水利工程、轨道与市政工程领域的应用逐年增多。

2  地铁隧道全生命周期GIS+BIM技术的协同应用

2.1 协同规划设计阶段

传统的工程规划设计通过CAD技术的设计与建模，完成了从二维平面到三维立体的空间拓展设计，但也存在很多明显的弊端。城市地铁隧道结构是一个复杂多变的体系，在城市地铁隧道设计中，为保证地铁隧道的安全和使用寿命，需分析地质环境特征，地下空间结构。传统的工程规划设计难以从中获取相关信息。随着GIS技术的不断发展，其数据采集编辑处理功能、空间数据库管理功能、空间分析功能的提高，被应用于城市规划、地铁隧道路线确定等[3]。GIS技术可通过任意坐标系显示空间三维细节，因此在线路规划设计，监测预警等领域也极为重要，利用GIS技术，了解城市发展规模、人口分布、城市历史及现阶段发展进程，提前了解城市水资源分布、地质塌陷、地下水沉降、地面以上受影响的建筑物及其市政设施、易发生自然灾害处等问题，为地铁隧道的规划设计提供参考依据。利用BIM技术考虑地铁隧道内的精细数据，建立高精度的三维可视化模型，并赋予信息，这些信息包括三维实体数据和表面数据，即地铁隧道结构相关工程数据，如隧道中某处衬砌破裂等，可有效的实现隧道工程各参与方的交流决策，所有专业以三维模式一同工作，解决各专业单独设计引发的冲突问题。各参与方设计成果集成于一个项目核心数据库，使数据更精准流畅的进行传递。

2.2 施工过程阶段

如今，我国传统施工因不合理工期、施工环境、生产组织管理链条冗长等因素影响，存在施工组织无序、现场管理混乱、施工设备应用率低等问题;现场出现大量建筑垃圾、灰尘、污水等问题，出现进度滞后问题后无法系统性的进行分析并找到解决方案。对于地铁隧道项目及地理位置，利用GIS技术的三维建模功能可有效展示、獲取、整合、管理周围建筑物信息及环境数据，甚至道路交通信息和天气情况进行高效整合和实时监测，确定施工设备和材料进场的最佳路线，追踪材料材料的运输状态，以实现对成本的全面把控，追踪施工项目进度管理，实时真实，全面的呈现出施工范围内的地理数据。利用BIM技术，进行管线综合碰撞检查，考虑在不同时间段内的施工工序，建立在3D模型基础上融入成本造价信息和时间进度信息，进行5D施工管理，实现全方位一体化管控。

结合GIS+BIM技术，利用Revit软件的API（程序编程调用接口）进行二次开发，可以具体将某隧道区间将风险评价结果展示在BIM平台上，结合周围环境实时监测信息的GIS数据和增加自然灾害信息，针对高、中、低风险区域采用不同的施工工序和施工方案全面分析地铁隧道施工安全风险，通过Web平台进行三维可视化全方位的显示[4]，便于地铁隧道工程各参与方协同工作，当出现施工进出超前或滞后时，结合GIS+BIM系统可以直观显示出属于关键路线工作或非关键路线工作，通过资源配置的调整，如调整人员、材料、机械设备的供给量，方便现场动态管理并有效的保护水土资源。其管控原理、技术手段、具体措施如图1。

2.3 智能运维管理阶段

在建筑全生命周期来看，城市地铁隧道运维周期长，难度大，要求高，重要性突出，然而城市地铁隧道的空间十分有限，传统的地铁隧道运维管理方式主要是依靠人工巡检、信息归档等方式进行人为管理，对于隧道内的突发情况无法精准发现、定位、解决（如照明系统损坏，管线破裂泄露）。同各部门信息共享不及时，导致信息缺乏真实性、准确性。现代工程信息量庞大且繁杂（如隧道维修数据、记录、工艺等），通过人工方式进行整理、分析，效率十分低下且容易出错，使地铁隧道运维风险性增加，很难满足现阶段运维管理的需求。

地铁隧道交付运营后，通过建设方和设计方提供的无纸化电子模型，利用GIS与BIM技术与传感技术等构建可视化虚拟系统，实现全方位运维管控。在运维管理阶段，有研究GIS技术结合有限元动力分析，在宏观程度上完成三维空间分析和可视化定位，可辅助管理人员对突发的危机情况进行处理，提供消防救援方面的重要支持[5]。BIM技术可将工程数据与BIM三维模型进行关联，构建完整的BIM模型编码，前期的勘察、设计、施工资料也将引入运维数据库之中，协助运维管理，保证地铁隧道全生命周期的高效运行。

3  BIM+GIS技术与其他信息技术的结合

3.1 BIM+GIS技术与云计算、大数据技术

在城市数字化急剧发展的时代，BIM与GIS的数据从产生、设计，再到融合。目前GIS产生的数据大多是宏观地理场景的可视化数据，而BIM对微观可视化数据进行补充后，数据结构层次进行了飞跃。BIM的大量建筑模型数据与GIS的宏观地理信息数据融合后会产生海量的数据。数据在集成、传输、储存、计算、交互等方面容易产生集成后数据丢失、可视化效果不佳、部分数据失效等问题[6]。云计算可以提供对海量数据的搜索、分析、查询、整合功能，另外云计算的分布式存储功能也极大的提高了数据资源利用率。分布式管理模式可应用于GIS与BIM融合的各个阶段，也适用于地铁隧道工程各专业，各参与方共享，整合数据，最大限度发挥GIS与BIM在地铁隧道的作用。

3.2 BIM+GIS技术与物联网技术

物联网技术的原理是在互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，采集数据，把数据传输给服务器，服务器存储和处理数据，把数据展示给用户，近年来，物联网技术广泛应用于城市地铁、桥梁等各类工程领域[7]。GIS技术与BIM技术同样都作为互联网与物联网进入整个空间的通道。物联网技术可完成多元数据的收集、追踪和传输，极大程度的拓宽了GIS技术与BIM技术的数据来源，并保证数据来源真实、准确、实时。通过物联网技术实现对地铁隧道内位置，变形数据的监测，及时反馈并作出相应实施方案，为智慧运维打下坚实基础。物联网技术是最大限度提高全生命周期各阶段应用效率的有力保障。

4  结语

BIM与GIS技术的协同应用，实现了地铁隧道基于GIS的宏观地理表现和基于BIM的微观精细化表达的相结合的全生命周期管理，为地铁隧道工程提供全方位数据的支撑，达到了协同设计、优化施工的目的。BIM与GIS技术的协同应用，集合了全生命周期各个阶段的全专业模型，并对地铁隧道工程多维信息关联，对隧道内情况进行动态化监测，实现地铁隧道的数据化管控。BIM与GIS技术与其他新技术的协同应用有很大的经济价值，在未来必定推动建筑行业的数字化、智能化时代到来，进而实现地铁隧道的可视化、一体化、科学化、智能化管理。

参考文献：

[1]徐晓华.基于Silverlight的电子地图的研究与设计[D].浙江工业大学，2009.

[2]陈光，薛梅，胡章杰，刘一臻.轨道交通GIS+BIM三维数字基础空间框架[J].测绘通报，2019（S2）：262-266.

[3]涂文博.基于BIM及GIS技術的铁路选线课程设计改革研究[J].教育教学论坛，2019（07）：126-127.

[4]何高峰，罗先启，张辉，攸巧仙.基于BIM与GIS结合应用的地铁隧道安全预警预报技术[J].城市轨道交通研究，2019，22（07）：161-164.

[5]张兆钦，刘占省，黄春，杜修力，赵雪锋.BIM+GIS技术在城市地下综合管廊全生命周期中的协同应用[J].建筑技术，2019，50（07）：805-808.

[6]王威，陈龙，黄绍宗.基于BIM+GIS技术集成在工程建设和管理中的应用探析——以我国南方某市为例[J].中国建设信息化，2019（17）：67-69.

[7]周扬帆.物联网技术在智慧城市建设中的应用[J].江西建材，2020（01）：8-9.