BI M和GI S技术在智慧城市建设中的应用

王元鑫

（中国土木工程集团有限公司，北京100080）

1 引言

随着社会经济的发展， 人们对城市建筑水平提出更高的要求，智慧型城市建设属于重要发展方向。 传统的数字城市建模方法在当前的智慧城市建设中缺乏可行性， 在此背景下，BIM 技术和GIS 技术相结合的技术应用方案更具可行性。 基于此，探讨BIM 技术和GIS 技术在智慧城市建设中的应用策略具有重要意义。

2 BI M技术和GI S技术结合应用的优势

BIM 技术和GIS 技术在功能上具有互补的关系。 BIM 技术是数字化动态管理信息的技术，将其应用于建筑工程中，可涵盖建筑工程的各项内部信息，但由于缺乏定位功能，难以实现全面化的空间信息管理；GIS 技术是与地理环境分析有关的技术，其优势在于可高效处理空间信息，但难以获得建筑内部信息。因此，BIM 技术和GIS 技术综合应用可兼顾内部信息管理和空间信息管理两项要求， 有效提高三维建模质量以及分析精度，降低工程成本[1]。

GIS 技术有效推动了智慧城市的发展，若结合BIM 技术，可实现对智慧城市项目建设全生命周期的全方位管理， 例如，在规划审批、建设监管、运营管理等方面均有突出的应用效果。

具体而言，BIM 技术和GIS 技术综合应用方式的优势体现在以下4 方面：（1）提供管理和空间分析功能。 （2）提供二维、三维一体化的基础底图，为施工提供参考。（3）提供各BIM单体间的连接网络管理功能，在智慧城市项目中，涵盖市政道路、地下管线等。 （4）提供BIM 数据管理功能，尤其是在大规模建筑群中，BIM 技术和GIS 技术具有其他技术难以比拟的优势。 以“BIM+3DGIS”模式为例，包含精准的城市三维建模、实时的人流监控以及全面的传感网络等， 能够给智慧城市的规划设计、建设、运营管理提供重要的指导。

因此，BIM 技术和GIS 技术相融合的方式具有良好的应用效果，适用于城市规划设计、市政基础设施建设、环境模拟、灾害管理等领域，在BIM 技术和GIS 技术相结合的技术应用模式下，提高智慧城市的建设水平和服务水平。

3 项目概况

某城市公园项目，占地面积395 hm2，包含4 个生态修复区，具体建设内容为道路、桥梁、隧道、水库、园林。 园区内景观桥24 座，迁改暗涵长1.42 km，湖底隧道长1.75 km，道路长18 km，种植苗木数量达300 余种。

4 智慧建造管控平台

智慧建造可选择的软件和硬件丰富， 各自的数据类型各异，可能因数据类型的差异而无法正常流通数据，出现数据孤岛。 针对该问题，建立1 个智慧建造管控平台，将碎片式的信息化管理集成至智慧建造管控平台， 提高对BIM 应用、BIM+GIS 应用、BIM+IOT 应用各子系统的集成化水平， 突出信息集成化特点，在项目管理中深入融合信息化技术。

智慧建造管控平台的功能丰富， 可根据项目特点开发相应的功能板块，融合GIS 厂商、大数据厂商等模块，对外提供统一的、开放的API 数据接口环境，打破各专业系统间的信息壁垒，加快信息的流通与共享，统一整合多维度的数据并进行叠加分析，提取利用价值的数据。 智慧建造管控平台拥有属于自身的数据生态系统，集成项目概况、资料管理、协同管理、进度管理、环境监测、人员定位、车辆定位、人员考勤、视频监控、试块养护、深基坑监测及无人机应用共计12 个模块[2]。

5 BI M技术和GI S技术的应用方法

5.1 无人机地形测量

无人机设备采用大疆经纬M300+赛尔PSDK 102S， 适配清华山维EPS2016 软件， 用无人机采集项目施工区域的地理空间数据后，通过软件生成三维地形模型，再从模型中导出地理点云数据，利用CAD 软件提供原始地形数据，例如，场地等高线、坐标点，以便开展地形设计工作。

项目施工现场征拆工作进度不一， 需要根据工程现状进行分区，有序实施。 由于难以按照竖向设计一次完成堆坡造景作业，需分多次进行，施工内容烦琐。 项目作业面积大，工期紧张， 在指定时间内精准完成测量作业是项目进程得以正常推进的重要前提。 若采用人工测量方法，整个项目范围的测量作业量达到600 余人次，调整为“无人机+GIS”的测量技术后，可缩短95%的测量时间，测量耗时仅为2 d，原因在于可利用Civil3D 生成地形模型，利用模型直观反映项目场地内的地形条件，在对比分析施工地形和设计地形后，确定填挖高差，计算土方工程量并规划施工方式，有效提高土方作业效率。

5.2 地形设计优化

根据土方不外弃的原则以及公园建设的生态要求进行地形竖向控制。地形设计优化采用的是Rhino+Grasshopper，以参数化、可视化的方式构建地形模型，可呈现堆坡造型变化对湖岸线、林迹线产生的影响，方便设计人员掌握地形条件并灵活调节地形设计方案。 通过应用Civil3D 软件，可叠合比较地形设计模型和原始地形，确定两者的差异，合理调节竖向高度。根据高精度的地形设计要求，利用软件进行优化设计，将竖向高程精度控制在厘米级，并保证土方平衡差小于5×104m3。

5.3 场地规划

联合应用湖底下穿隧道BIM 模型和无人机倾斜摄影三维地形模型，模拟施工路线，检验各类设施的布置方式是否合理。 根据模拟分析结果优化分布不合理的设施，制订临时设施搭设方案，一方面充分发挥出临时设施的应用价值，另一方面避免现场材料二次搬运的烦琐工序。 经过建模分析后，提供三维可视化资料，以便项目施工活动的有效进行[3]。

5.4 虚拟场景

项目实施阶段的干扰因素多，景观方案的控制难度高，需要在短时间内呈现高质量的景观效果、 通过项目景观元素展现地方文化特色以及控制成本，为实现前述提及的多项目标，项目采取如下措施：（1）根据绿植初设图纸可知，园区内有100余种灌木和300 余种乔木，按1∶1 的比例对其进行建模，形成直观性、可视性的苗木模型库。 （2）对苗木种植虚拟还原，从苗木搭配方式、树种间距等角度对比分析园区苗木栽植方案，调整设计方案，共完成500 余处优化。 以设计方案为准，通过虚拟化、数字化的方式建造未来场景，在尚未建设时便获得沉浸式体验感，完工情况与建模情况，如图1 所示。

图1 施工现场与模型

5.5 进度管理

工作人员可通过管控平台进度管理模块查看项目各结构的生产管理信息，根据信息判断项目实际进度。 管理员可通过手机端记录材料出入库、劳动力投入等信息，实际信息与预期存在偏差时，随即预警纠偏。 管控平台进度管理模块自动记录各道工序起始时间，方便工程人员根据工作需要追溯数据，为质量缺陷的处理、工程索赔等活动的开展提供重要依据。 在应用计划时间/ 实际时间关联模型后，可对比分析项目实际进度与计划进度，若存在偏差则及时调整。

5.6 协同管理

得益于协同管理功能，参与方可通过线上发起办公流程，进行工序验收、安全巡查等日常管理工作。 以短信的形式向参与人员告知工作流程，各相关主体在线上参与项目管理，保证管理效果的同时提高管理效率。 协同管理的方式突破空间和时间的束缚，方便管理人员随时随地对项目采取管理措施，有效保障了管理的实效性。

5.7 环境管理

防护生态环境是项目建设的重要目标， 在本项目中采用到环境监测模块，可实时监测PM2.5、PM10等环境指标，并接入政府监管系统，方便政府部门掌握环境条件，采取监管措施。环境监测模块可通过平台推送预警消息， 及时向工程人员告知可能超出许可范围的环境监测指标，快速处治。 以粉尘浓度偏高为例，平台及时告知管理人员，联动现场智能降尘设备进行降尘[4]。

5.8 人员管理

项目人员管理主要通过人员考勤模块实现， 管理人员可利用平台查看各区域人员数量、各工种人员数量等，结合工程建设任务调度管理工程人员。 通过人员考勤模块的应用，有效避免人员闲置的情况，提高了人力资源利用水平。

5.9 定位管理

项目定位管理主要采用的是定位模块，在“BIM+GIS”技术的孪生场景中动态展现人员分布状况， 对各施工危险点进行实时定位，加强对危险施工点位的安全巡视，充分保障人员的人身安全。 此外，在施工车辆上安装定位装置，在卫星定位系统的配合下，可及时查询车辆的位置，生成车辆运行轨迹，便于管理人员优化车辆运行线路以及调节各道工序的施工时间， 尽可能通过优化管理措施减少交通冲突点， 保障施工安全，提高施工效率。

5.10 “BI M+I OT”应用

5.10.1 试块智能养护监控系统

项目下穿隧道长1.75 km，最大埋深22 m，需要采用抗渗混凝土建造隧道主体结构，保证隧道的防水效果。 向管控平台接入试块养护智能监控系统， 在隧道混凝土施工期间选取试块并进行跟踪标记，由于系统的联动以及数据的高效共享，工作人员可实时查看混凝土试块的数量、养护状态、养护预警次数、养护期间的用水量、养护温度及湿度等信息，通过试块反映下穿隧道混凝土施工情况， 有利于加强质量控制以及提高施工效率。

5.10.2 深基坑监测系统

下穿隧道周边为弱膨胀土质， 采取多段同步施工的方案时，在基坑施工期间潜在质量隐患和安全隐患。 基于对施工质量和施工安全的考虑， 在下穿隧道施工中采用基坑位移监控技术，共布设93 个测点，监测数据可被及时传输至平台，供工作人员查看，根据监测数据判断隧道是否存在位移变化、位移的发展趋势等。 在本项目中，下穿隧道施工全程共产生5 次预警推送，工程人员及时根据预警信息采取管控措施，有效规避施工风险。

6 结语

综上所述，本项目属于重要的城市基础配套设施，根据高品质的建设要求，项目构建指挥建造管控平台，在项目设计、建造等阶段联合应用BIM 技术和GIS 技术，有效突破地形营造控制难度高、统筹管理复杂、质量可控性差、效率低等问题。同时，BIM 技术和GIS 技术的信息交流效率高，管理人员可直观获取工程信息，判断工程实际进度以及工作状况，及时采取针对性的管控措施。 管控平台增强了项目各部门的协同性，构建立体化的管理模式，管理对象涉及工程人员、工程进度、工程车辆等方面，在全面的管控下，项目各项活动按照计划如期进行，施工安全得到保障，施工质量符合预期。 实践证明，BIM技术和GIS 技术的联合应用方式具有可行性，有推广价值。