基于BIM+GIS的城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺

■濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司 李虎 李罡 張志強(qiáng)

山東同圓數(shù)字科技有限公司 王效磊

城市軌道交通從設(shè)計(jì)到運(yùn)營，一般分為線網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)規(guī)劃、可行性研究、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、試運(yùn)營、正式運(yùn)營等階段，是一個(gè)體量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、多專業(yè)、多門類、多參與方的系統(tǒng)工程。城市軌道交通作為城市基礎(chǔ)配套設(shè)施的重要組成部分，不僅需要關(guān)注自身建設(shè)及數(shù)據(jù)體系的完善，也要滿足后期智慧城市建設(shè)的資源整合條件需求。

搭建基于BIM+GIS的城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)軌道建設(shè)工程的信息處理、數(shù)據(jù)整合分析、智慧管理，通過軌道交通建設(shè)信息集成技術(shù)的應(yīng)用和不斷完善，促進(jìn)跨行業(yè)、跨部門的多源信息資源深度共享，為智慧城市建設(shè)助力。

該研究依托濟(jì)南軌道交通工程實(shí)踐，搭建基于BIM+GIS的城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺，集成并融合BIM、GIS多源數(shù)據(jù)，預(yù)先以可視化的方式表現(xiàn)軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)形象面貌，并通過空間比對、空間分析、交通分析、方案比選等方式，為軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)提供分析結(jié)果、分析參數(shù)，為最終的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供決策支持，并利用IOT以及RFID、二維碼等技術(shù)支持后期管理。

項(xiàng)目背景

2018年5月，住建部印發(fā)《城市軌道交通工程BIM應(yīng)用指南》（以下簡稱《指南》），《指南》適用于城市軌道交通工程新建、改建、擴(kuò)建等項(xiàng)目的BIM創(chuàng)建、使用和管理。城市軌道交通工程宜在工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和施工等建設(shè)全過程應(yīng)用BIM，并實(shí)現(xiàn)工程的數(shù)字化交付?！吨改稀愤€明確了各個(gè)階段及各參與單位開展數(shù)字化應(yīng)用的主要工作內(nèi)容。

2019年4月，國家發(fā)展改革委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年本，征求意見稿）》，在“城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施”章節(jié)中明確提出了城市道路及智能交通體系建設(shè)，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等為基礎(chǔ)的城市信息模型相關(guān)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。

濟(jì)南市軌道交通第一期建設(shè)規(guī)劃于2015年1月獲得批復(fù)，包括R1線、R2線一期、R3線一期三條市域快線，全長80.6公里。截至目前，R1線已開通運(yùn)營，R3線一期將于2019年下半年開通，R2線作為濟(jì)南地鐵首條無人駕駛地鐵線路，正按計(jì)劃推進(jìn)建設(shè)。濟(jì)南市軌道交通第二期建設(shè)規(guī)劃正在申報(bào)審批過程中。

重點(diǎn)難點(diǎn)分析

軌道交通建設(shè)的常見問題

決策風(fēng)險(xiǎn)大。傳統(tǒng)的規(guī)劃方案決策往往在數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性及分析透徹性方面支持力度不夠，很容易因?yàn)榛A(chǔ)條件不充分造成決策失誤，對整個(gè)城市的交通樞紐甚至城市規(guī)劃合理性產(chǎn)生巨大的影響。設(shè)計(jì)過程的方案決策及施工過程的方案決策對專業(yè)技術(shù)能力要求高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)及管理方式存在局限性，問題反饋擱置、反饋周期長可能會造成決策風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生問題后期修正的可能性小、修正成本巨大。

城市軌道工程建設(shè)體量大、涉及區(qū)域廣。城市軌道交通工程建設(shè)是一項(xiàng)綜合性工作，具有牽涉面廣、復(fù)雜性強(qiáng)、責(zé)任重大等特點(diǎn)，通常受城市規(guī)劃、地形地貌、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地面與地下建筑物和地面交通狀況等多方面因素影響。傳統(tǒng)的基于二維平面的方案比選和設(shè)計(jì)方法通常難以整合城市三維建筑物、地質(zhì)、道路、管網(wǎng)等重要信息，容易出現(xiàn)方案比選失誤、設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差的情況。例如，新建工程與城市既有地下管網(wǎng)、建筑物交通設(shè)施等發(fā)生沖突，進(jìn)而發(fā)生設(shè)計(jì)變更，可能導(dǎo)致大量拆遷、改造和改移工作，對工程建設(shè)及沿線區(qū)域的環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

城市軌道項(xiàng)目成本大，成本管控難。前期設(shè)計(jì)成本分析、過程采購管理、結(jié)算管理、后期運(yùn)維成本把控環(huán)環(huán)相扣，傳統(tǒng)的項(xiàng)目管理方式及管理手段造成的數(shù)據(jù)斷層，是成本難控的主要原因之一。實(shí)現(xiàn)成本數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)成本的生長關(guān)聯(lián)，是成本把控的有效手段。

協(xié)同管理難。軌道交通項(xiàng)目參與單位眾多，各個(gè)參與單位、參與專業(yè)的協(xié)同管理程度決定了項(xiàng)目最終的管理效果，對于一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)融合集成各參與單位、各個(gè)階段、各個(gè)板塊等不同管理需求的管理流程、管理手段有著迫切需求。

質(zhì)量管控難。軌道交通的工作量巨大，無論是對于設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量把控還是施工階段的施工質(zhì)量把控，參與人、管理人的水平不同造成質(zhì)量管控效果也會不同，使得整個(gè)工程的質(zhì)量管控變得更加困難。

工期要求緊。軌道交通建設(shè)多基于基本成熟的城市體系、交通體系，軌道建設(shè)工期要求較為緊迫，以最大限度地減少對居民正常生活、交通運(yùn)輸狀況、管網(wǎng)配套設(shè)施的影響，更好地服務(wù)人民。

數(shù)據(jù)斷層。目前，國內(nèi)城市軌道交通的信息化建設(shè)還有很大的進(jìn)步空間，對交通組織及未來需求分析的可支持性差，集成調(diào)度智能化弱；對社會經(jīng)濟(jì)、社會心理、區(qū)域發(fā)展分析的數(shù)據(jù)可利用性弱，尚未發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。

運(yùn)維管理難。傳統(tǒng)的被動(dòng)運(yùn)維方式由于反饋時(shí)效性、信息完整性等因素的存在，可能造成交通癱瘓、事故安全等隱患。

信息化程度低。無論是前期決策、設(shè)計(jì)、施工，還是后期運(yùn)營，問題造成的主要原因在于對人的過度依賴。這就要求通過工作方式的變革、工作流程的規(guī)范形成業(yè)務(wù)互補(bǔ)、技能互補(bǔ)、資源互補(bǔ)、信息互補(bǔ)的生態(tài)合作方式，降低人對項(xiàng)目的主體影響，整合生態(tài)的優(yōu)勢資源服務(wù)項(xiàng)目的管理過程，有效保障項(xiàng)目的順利運(yùn)行。

濟(jì)南軌道交通建設(shè)的特殊性難題

濟(jì)南地鐵建設(shè)曾在不少相關(guān)報(bào)道中被喻為“全球地鐵建設(shè)難度最大”。線路途徑泉水密集區(qū)，工程建設(shè)與泉水保護(hù)實(shí)現(xiàn)平衡較為困難。從1988年濟(jì)南首次提出修建軌道交通到如今首條地鐵開通，從來沒有一座城市像濟(jì)南這樣，為是否修建地鐵而反復(fù)糾結(jié)，濟(jì)南軌道交通籌建部門甚至曾兩度被撤銷。2002年，濟(jì)南市邀請中國科學(xué)院、中國工程院多位院士，專題研討地鐵建設(shè)與地下水保護(hù)，最后得出“應(yīng)當(dāng)慎重研究”、“充分論證和規(guī)劃”的結(jié)論，加之趵突泉當(dāng)時(shí)停噴900多天，濟(jì)南市軌道交通籌建處隨后被撤銷。直至2009年7月，《泉水影響研究報(bào)告》出爐，《報(bào)告》明確劃分出濟(jì)南不宜修建地鐵的敏感區(qū)域，探明局部路段修建地鐵的適宜埋深條件，在敏感區(qū)域外修建地鐵不會影響保泉。

安全穿越“毛細(xì)血管”密布的泉脈修建地鐵，并且不破壞地下水文環(huán)境，技術(shù)難度可想而知。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用無疑為軌道建設(shè)工程提供了重要的技術(shù)支撐，尤其是地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)為軌道交通的規(guī)劃布置、方案比選、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析提供了精準(zhǔn)的、科學(xué)的數(shù)字依據(jù)，為后續(xù)工作開展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于BIM+GIS的城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺的應(yīng)用

搭建城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺，應(yīng)用BIM、GIS、大數(shù)據(jù)等技術(shù)降低項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃決策風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用IOT等技術(shù)為后期管理提供先進(jìn)的管理手段，將先進(jìn)技術(shù)手段與軌道交通工程實(shí)施緊密結(jié)合，使軌道交通工程建設(shè)踏上智能化、智慧化管理的新征途。（圖1）

典型應(yīng)用點(diǎn)

（1）智慧地質(zhì)

●多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

支持地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地上景觀、三維地質(zhì)模型等多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)一體化展示，真正實(shí)現(xiàn)地上、地表、地下三維模型一體化展示，為軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、重大工程論證、市政工程建設(shè)提供全維度信息的決策依據(jù)。（圖2）

圖1 平臺架構(gòu)圖

圖2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

圖3 輔助規(guī)劃分析——地鐵口可視分析

圖4 水文地質(zhì)分析——?jiǎng)儗臃治?/p>

●輔助規(guī)劃分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的雙屏對比、淹沒分析、剖切分析以及拆遷分析等地理分析功能，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在方案論證、地鐵口選址、空間關(guān)系論證、拆遷成本估算等方面提供決策依據(jù)。（圖3）

●水文地質(zhì)分析

提供基于三維地質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化處理與分析工具，實(shí)現(xiàn)對模型時(shí)空展布特征的三維可視化再現(xiàn)，并能夠?qū)@些模型進(jìn)行剖切、開挖或者模擬漫游，增強(qiáng)地質(zhì)分析的直觀性和準(zhǔn)確性，從而減少地下工程設(shè)計(jì)、施工面臨的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，更好地為城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和管理服務(wù)。通過平臺的水文地質(zhì)分析功能，在規(guī)劃設(shè)計(jì)之初就完全避開了趵突泉、大明湖等泉水敏感區(qū)，在敏感區(qū)域外修建地鐵不會影響保泉。（圖4）

（2）智慧管理

●BIM管理

BIM管理是平臺上應(yīng)用站點(diǎn)、區(qū)間、基地BIM的基礎(chǔ)環(huán)境，保證BIM模型及信息的全面展示，并以BIM作為信息關(guān)聯(lián)的UI關(guān)聯(lián)相關(guān)的信息。平臺先對BIM進(jìn)行安全的輕量化轉(zhuǎn)換，保證BIM的模型和信息無損地集成到平臺里。通過應(yīng)用數(shù)模分離的解決思路，將BIM與其自身的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分離，同時(shí)又保持關(guān)聯(lián)，這樣所有的關(guān)聯(lián)功能就可以通過數(shù)據(jù)庫作為中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)任意信息與BIM的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)BIM模型漫游、剖切、顯隱功能，對比、分類顯示、測量等功能。

●物資管理

對站點(diǎn)、區(qū)間、基地的物資進(jìn)行統(tǒng)一化管理，包括物資BIM對應(yīng)、物資信息管理、物資庫存管理等。物資與BIM的一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了利用BIM對線下物資進(jìn)行統(tǒng)一的信息化管理，通過物資臺賬列表可快速定位至BIM中的位置，不但可以利用BIM的信息化屬性對物資信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及清單式管理，同時(shí)利用“BIM+數(shù)據(jù)庫+二維碼”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對線下物資參數(shù)信息的擴(kuò)展及動(dòng)態(tài)編輯，通過各階段的整合實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)全生命周期的管理，大大提高了物資管理的信息化水平。（圖5）

（3）智慧建造

●進(jìn)度管理

計(jì)劃進(jìn)度按時(shí)間自動(dòng)提前并進(jìn)行進(jìn)度預(yù)警，改變了施工管理人員事后管理的工作方式，可以提前對工作計(jì)劃作出部署；結(jié)合BIM進(jìn)度對比，提供直觀的形象面貌，為施工管理人員調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃提供決策依據(jù)；通過對項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行閉環(huán)管理，保證工作進(jìn)度的落實(shí)。（圖6）

●盾構(gòu)管理

盾構(gòu)管理模塊集盾構(gòu)推進(jìn)狀態(tài)、推進(jìn)參數(shù)、視頻監(jiān)控及監(jiān)測報(bào)表于一體，支持對盾構(gòu)機(jī)施工過程中推進(jìn)進(jìn)度、推進(jìn)參數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)源信息、監(jiān)測點(diǎn)信息、視頻監(jiān)控及第三方監(jiān)測日報(bào)等進(jìn)行統(tǒng)一化展示，便于決策層全面掌控盾構(gòu)施工進(jìn)度、避免各類風(fēng)險(xiǎn)、降低可控成本，最終實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)的智慧化管理。（圖7）

現(xiàn)階段工作成果

（1）實(shí)踐應(yīng)用案例

圖5 物資管理

圖6 進(jìn)度管理

為實(shí)現(xiàn)寶華街項(xiàng)目通道的順利建設(shè)，平臺前后依次將寶華街附近精細(xì)地形、高分影像、精細(xì)模型、管線模型以及紅線等數(shù)據(jù)集成至系統(tǒng)，形成了具有全要素、全空間、全方位的三維可視化場景，基本再現(xiàn)了寶華街實(shí)際分布的現(xiàn)狀，其場景瀏覽、量算分析、方案對比等功能，為工作人員調(diào)整方案設(shè)計(jì)以及工程的開展提供了有力支撐。（圖8）

（2）報(bào)優(yōu)宣傳

公司聯(lián)合同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)參加了2018年度山東省建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用大賽，“BIM+GIS技術(shù)在軌道交通中拓展應(yīng)用”榮獲技術(shù)創(chuàng)新組一等獎(jiǎng)，“基于BIM技術(shù)的物資編碼系統(tǒng)在濟(jì)南軌道交通工程中的應(yīng)用”榮獲創(chuàng)新組二等獎(jiǎng)?！皾?jì)南軌道交通R2線工程全生命周期BIM應(yīng)用”參加了2019年創(chuàng)新杯BIM應(yīng)用大賽，榮獲拓展類BIM應(yīng)用第三名。此外，項(xiàng)目還分別在第十一屆中國（濟(jì)南）國際信息技術(shù)博覽會、第四屆濟(jì)南電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)博覽會參展。（圖9）

（3）技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)

公司聯(lián)合山東同圓數(shù)字科技有限公司成功申請《濟(jì)南軌道交通設(shè)備編碼系統(tǒng)》計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)?！痘贐IM+GIS的城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺研究與應(yīng)用》通過了山東省交通廳的課題申報(bào)，《基于 BIM+GIS的城市軌道交通建設(shè)管理智慧平臺》通過了工信廳技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的申報(bào)。（圖10）

圖7 盾構(gòu)管理-推進(jìn)參數(shù)

圖8 數(shù)字技術(shù)輔助R2線可行性研究評審

應(yīng)用展望

新設(shè)計(jì)

借助制造業(yè)數(shù)字化的成功經(jīng)驗(yàn)，通過GIS+BIM的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣品驗(yàn)證及展現(xiàn)，輔助決策、指導(dǎo)施工，為決策提供更多選擇、更多支持、更優(yōu)方向，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)協(xié)同管理、設(shè)計(jì)管理前置，集成經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)、幾何尺寸信息、部分非幾何輔助信息等。

新建造

數(shù)字化施工模擬、數(shù)字化加工制造、數(shù)字化工序模擬和虛擬可視化手段的有機(jī)結(jié)合，通過軟件和數(shù)據(jù)形成軌道交通建設(shè)的“數(shù)字化生產(chǎn)線”，數(shù)字加工+數(shù)字施工有效保證了施工進(jìn)度及施工質(zhì)量。同時(shí)，通過項(xiàng)目的不斷實(shí)踐，生產(chǎn)流程不斷完善升級再造，通過平臺實(shí)現(xiàn)對人員、機(jī)械、材料、環(huán)境等各要素的實(shí)時(shí)感知、分析、決策和智能執(zhí)行，打造“智慧工地”。

新運(yùn)營

通過BIM+GIS的軌道交通建設(shè)管理智慧平臺可實(shí)現(xiàn)運(yùn)維過程中風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控和站點(diǎn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析，保證軌道系統(tǒng)的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的智能高效、空間利用的科學(xué)管理，降低運(yùn)營成本。

可持續(xù)發(fā)展

利用BIM+GIS+平臺，實(shí)現(xiàn)軌道交通的信息化、數(shù)字化及智能化，不僅解決了軌道交通自身的建設(shè)問題，同時(shí)通過一條條軌道線路的數(shù)字化建設(shè)管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市軌道系統(tǒng)的數(shù)字化，為智慧城市建設(shè)助力，進(jìn)一步推動(dòng)城市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖9 獲獎(jiǎng)證書

圖10 技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)