CIM 在雄安新区建设管理中的创新应用

许洪波 马继生 赵硕硕

(雄安雄创数字技术有限公司)

近些年，以人工智能（AI）、物联网（IoT）、大数据等新技术为代表的数字科技席卷全球，物理城市和与之对应的数字城市正形成两大体系平行发展、交互作用。数字城市为了服务物理城市而存在，物理城市因为数字城市变得高效有序，数字孪生技术应运而生，CIM 是数字孪生技术的核心基础支撑之一。2021 年5 月，住房和城乡建设部颁布了《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》（修订版）。

雄安新区作为城市信息模型（CIM）平台的第一批试点城市，从2018 年11 月至今，建设了BIM 综合管理平台、CIM 的建设协同管理平台、基于CIM 的综合管廊智能化管理平台等系统，在业务上相继开展了报建审批、数字化建设管理、城市智能治理等领域的CIM 平台应用，显著提高了行政审批效率、BIM 模型生产质量、施工建设进度，同时降低了工程建设返工成本和建设现场管理沟通成本。从整体上基本实现了数字城市与现实城市同步规划、同步建设的规划理念。

雄安新区雄东片区是东北部雄县组团重要组成部分和新区先期建设的重点区域之一，规划面积18 平方公里，划分为五个部分，其中第一部分A 单元作为先行区域进行建设。在施工过程中，房建、道路、管廊管线的给水、雨水、污水、再生水、燃气、热力、电力通讯等各个专业同步施工建设，存在作业面与专业施工上相互干扰影响，施工队伍云集交错，导致在建设过程中存在现场管理混乱、调度沟通效率低、施工管线碰撞多等问题。因此，急需通过数字化手段，增强工程现场精细化管理能力，解决时空错位的工程问题。2021 年8 月30 日经雄安新区管委会批准，以雄东片区为试点推行基于CIM 的数字化建设协同管理平台，并在容西片区和启动区同步开展前期准备工作。

1.CIM 技术发展

2011 年，查尔姆斯理工大学的吉尔在《The backbone of a City Information Model (CIM): Implementing a spatial data model for urban design》中提出城市信息模型的概念[1]。

H C Melo 等 人 在Implementation of City Information Modeling (CIM) concepts in the process of management of the sewage system in Piumhi,Brazil（H C Melo1,S M G G Tomé1,M H Silva2,et al.,2019）提到以CIM 技术实现预防措施为重点的城市生活污水管网管理的新模式，结合BIM、GIS 的软件能力构建污水管道模型，用以诊断污水管网，提高管理决策的质量，但由于在系统规划设计时未考虑集成相应物联网设备，缺少对看不见的数据、非精确测量数据和堵塞水井中获得数据的感知，限制了所开发的数据模型及应用[3]。

在国外学术界提出的城市信息模型概念的影响下，国内CIM 的研究与实践方兴未艾。2015 年，同济大学吴志强院士在城市信息模型（CIM）概念的基础上，面向未来发展趋势，提出了城市智能模型（City Intelligent Model）的概念，将城市信息模型的数据整合、分析、表达等工作重点转向了智能应用方向，重点解决城市运行发展过程中的问题。

2020 年1 月开始，住房和城乡建设部联合工业和信息化部、中央网信办等部委印发了一系列政策指导文件和技术标准，促进了CIM 基础平台在全国各地的开发建设[3]。

2.建设管理需求

雄东片区先期建设区域总建筑面积约220 万平方米，其中地上建筑面积136 万平方米，地下建筑面积84 万平方米，总楼栋数218 栋，市政道路24 条，综合管廊5 条，缆线管廊8 条，建设工期仅有416 日历天。

在施工过程中，现场地上地下、市政房建同步实施，施工队伍众多，在场人数最高多达2 万人，普遍存在现场管理难度大、调度沟通耗时、管线碰撞问题多等典型问题，急需数字化、在线化的管理系统提供辅助决策。

3.创新应用场景

2021 年8 月30 日经雄安新区管委会批准，以雄东片区为试点推行基于CIM 的数字化建设协同管理平台，并加快推进在容西片区开展数字化协同平台建设。

以数字孪生为理念，以CIM 技术为基础，汇聚片区项目建设全过程的BIM、GIS、IoT 数据，开发辅助决策、碰撞分析、事件协同、现场管理等管理功能，实现行业主管部门（规建局）、建设单位（雄安集团）、施工单位、设计单位等数据互通与业务协同，丰富项目管理手段，提升管理效率，创新工程建设项目全生命周期的进度、质量、安全等场景的线下与线上一体化管理模式。以项目基本需求为基础，设计了基于CIM 的数字化建设协同管理平台应用框架，用于指导系统开发及项目全过程管理，如图1 所示。

图1 应用框架设计图

3.1 线上管理，实现施工现场的远程指挥调度

通过汇聚雄东片区的BIM 模型数据、倾斜摄影、正射影像数据并叠加融合，实现数字孪生施工场景建设，改变以往过去的现场拍摄照片、准备会议材料、确定开会场地并结合施工图纸的传统调度模式，通过CIM 数据模型可远程巡查现场施工进展，并结合BIM 模型实现施工与设计融合（如图2 所示），管控施工质量，支撑管理方线上实时对项目的整体远程指挥调度。

图2 BIM 管线模型与倾斜摄影实地融合应用

3.2 现场管理，加强施工现场的实时管控力度

片区级的施工现场管理，以连接高点视频监控和接入无人机实时巡检为主要巡检工具，结合施工现场的正射影像、BIM 数据和人工智能算法，立体巡查施工进度，智能分析施工安全隐患，辅助工地现场管理调度决策。

3.3 碰撞分析，提升地下管线施工效率和质量

基于碰撞检查模块，对不同项目间不同专业的各阶段BIM 模型进行碰撞分析，预见性发现设计过程中的错、漏、碰、缺等问题，在系统中生成碰撞点，推送至设计与施工单位，同时支持线上解决方案反馈，为建设指挥时序调度提供技术支撑，有效避免施工返工，高效保障施工进度与质量。

3.4 模地校验，保障未来城市运营的数据质量

通过竣工测量的建筑、管线及重要设施的点位数据采集，结合汇交的BIM 模型，在数字化建设协同平台上进行空间计算，全空间、全方位和全要素的自动查验模地一致性。可提升竣工验收效率，保障BIM 质量，为未来城市运营奠定数据基础。

4.碰撞检测算法应用

碰撞检测分析为雄东片区的地下管网施工时序、作业面管理等方面提供了关键技术支撑。目前，在管网碰撞分析的算法方面，基于包围盒的碰撞检测算法得到了普遍的应用。经典的包围盒类型有包围球（Sphere）、轴对齐包围盒（Axis-Aligned Bounding Box，简称 AABB）、方向包围盒（Oriented Bounding Box，简称 OBB）[4-5]。

包围盒可以看作是一类简单的几何体，常用于包围具有复杂形状的对象。其中，常见的有球体和盒体。在上述几种常见的包围盒中，包围球是构造难度相对容易的一个，且碰撞检测速度最快。但是，由于包围球具有紧密型差的缺点，所以很少采用此方法进行碰撞检测。

轴对齐包围盒是上述包围盒中构造难度最低的一种，但是由于轴对齐包围盒与包围球都具有紧密性较差的缺点，所以在碰撞检测过程中可能增加大量的计算，降低碰撞检测效率。

方向包围盒可以随着对象的几何特性任意调整其轴向，所以可以更加紧密地包围对象，使得碰撞检测过程的包围盒对的数量降低。但是，方向包围盒的构造过程较为繁琐，需要寻找最优方向以及此方向上盒体最小尺寸。由于方向包围盒树的每层节点的特征都各不相同，所以对于树的构建较为繁琐，并且方向包围盒的相交测试比轴对齐包围盒相交测试的计算复杂度更高。

通过对不同碰撞检测算法的比较，总结出各类包围盒在构造技术难度、存储体量、相交计算难度、紧密度、物体变化后包围盒的计算量等方面的优劣程度以及其对刚体或变形体适用性。

由于城市地下管网的所有管线几乎是平行于空间坐标系，并且轴对齐包围盒具有各边平行于坐标轴的特性，同时，轴对齐包围盒构造简单并且适用于刚体的碰撞检测，所以本系统通过基于改进后的轴对齐包围盒进行管网的碰撞检测分析。

在轴对齐包围盒的碰撞检测阶段，通过遍历轴对齐包围盒树来进行管线的精确位置碰撞检测算法研究。轴对齐包围盒树的构造相关因素如下：包围盒种类、树的度数以及树的构造方式。对于包围盒种类的选择为轴对齐包围盒，二叉树作为树的度数，树的构造方式为自顶向下，并且根据在对象中值处分割确定分割平面，得到一颗平衡二叉树，即轴对齐包围盒树，并且通过遍历轴对齐包围盒树最终确定管线碰撞的具体位置，在具体位置上打上三维标记点，输出碰撞分析结果。

5.CIM 技术应用成效

2021 年9 月至2022 年 6 月，通过雄安CIM 数字化建设协同管理平台，汇聚雄东片区项目的GIS、BIM 及规划数据，协同建设指挥部组织管理，实现建设片区三维可视化场景建设，将传统的现场调度指挥的管理模式提升为线上与线下结合的新型项目管理模式。通过碰撞分析，发现并避免1740 处碰撞和接驳问题，有效减少施工返工成本，保障工程建设按计划完工，为各片区项目建设阶段施工管理与指挥调度提供关键技术支撑和辅助决策，实现数据决策、信息共享、协同作业，有力支撑新区各片区工程建设工作，得到雄东片区指挥部高度认可，并推动本平台在启动区和容西片区项目建设中开展雄安CIM 数字化建设协同平台部署应用，继续支撑新区项目建设工作。

6.结语

CIM 是数字孪生城市建设的基础支撑技术，也是近些年新型智慧城市建设的热点。结合雄安新区高质量建设管理的需求，本文以基于CIM 的数字化建设协同管理平台在雄东片区的建设项目实践，系统分析了CIM 技术发展历程，实践了线上线下一体化管理的创新应用场景模式和碰撞检测分析算法的应用，保障了片区项目建设的进度与质量，本平台未来可继续丰富建设进度、质量和安全方面的数字化场景应用，促进新区数字孪生城市建设与发展。