基于BIM與GIS技術(shù)在地鐵隧道全生命周期中的協(xié)同應(yīng)用的研究

賈斯博

摘要：闡述了BIM+GIS技術(shù)在地鐵隧道應(yīng)用的優(yōu)勢，從協(xié)同設(shè)計規(guī)劃，施工過程，智能運維管理三個階段分析GIS+BIM技術(shù)對地鐵隧道建設(shè)的意義，將城市地鐵隧道與云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的融合進行展望。

關(guān)鍵詞：BIM+GIS;全生命周期;地鐵隧道;協(xié)同應(yīng)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

當(dāng)今世界，城市地鐵發(fā)展迅速，各發(fā)達國家超過百萬人口的大城市，為了緩解和改善交通，大多通過選擇建造地鐵的方式。近年來，我國地鐵得到大力發(fā)展，并將成為我國未來城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，隨之快速推廣的BIM技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，成為地鐵隧道的應(yīng)用趨勢。

1 BIM技術(shù)、GIS技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)是一種多維的集成技術(shù)，側(cè)重于單一建筑的精細(xì)化表達，在傳統(tǒng)的三維模型基礎(chǔ)上建立全生命周期工程信息模型，參與建設(shè)各工程方均可從模型中查看或輸入自己所需要的信息，完成協(xié)同工作，實現(xiàn)建筑全生命周期工程信息集成、交換、共享和管理，BIM的數(shù)據(jù)庫是動態(tài)變化的，在應(yīng)用過程中不斷修改、更新、補充。BIM技術(shù)在各個方面的優(yōu)勢使得在世界范圍應(yīng)用率極高，廣泛應(yīng)用于建筑科學(xué)工程、公路鐵路和水路建設(shè)等領(lǐng)域。GIS技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，1960年加拿大測量學(xué)家R.F.Tomlinson提出了把地圖變成數(shù)字形式的地圖，1963年，又提出GIS這一術(shù)語，并建立了全球第一個GIS——加拿大GIS，隨后GIS技術(shù)在全世界發(fā)展起來[1]。在計算機硬件系統(tǒng)的支持下，GIS技術(shù)可以實現(xiàn)大空間尺度上的數(shù)據(jù)管理、分析、決策、計算等功能，如今隨著GIS技術(shù)的不斷成熟，已廣泛應(yīng)用于建筑科學(xué)工程、氣象水利、交通工程等領(lǐng)域。BIM+GIS技術(shù)的融合可實現(xiàn)GIS技術(shù)的地理宏觀表現(xiàn)與BIM技術(shù)的微觀精細(xì)數(shù)字化相結(jié)合，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)分析、管理功能的特點，在資源共享、決策效率、監(jiān)控管理、成本控制水平等方面發(fā)揮著不可替代的作用[2]。因此，在城市規(guī)劃、水利工程、軌道與市政工程領(lǐng)域的應(yīng)用逐年增多。

2? 地鐵隧道全生命周期GIS+BIM技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用

2.1 協(xié)同規(guī)劃設(shè)計階段

傳統(tǒng)的工程規(guī)劃設(shè)計通過CAD技術(shù)的設(shè)計與建模，完成了從二維平面到三維立體的空間拓展設(shè)計，但也存在很多明顯的弊端。城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜多變的體系，在城市地鐵隧道設(shè)計中，為保證地鐵隧道的安全和使用壽命，需分析地質(zhì)環(huán)境特征，地下空間結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的工程規(guī)劃設(shè)計難以從中獲取相關(guān)信息。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，其數(shù)據(jù)采集編輯處理功能、空間數(shù)據(jù)庫管理功能、空間分析功能的提高，被應(yīng)用于城市規(guī)劃、地鐵隧道路線確定等[3]。GIS技術(shù)可通過任意坐標(biāo)系顯示空間三維細(xì)節(jié)，因此在線路規(guī)劃設(shè)計，監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域也極為重要，利用GIS技術(shù)，了解城市發(fā)展規(guī)模、人口分布、城市歷史及現(xiàn)階段發(fā)展進程，提前了解城市水資源分布、地質(zhì)塌陷、地下水沉降、地面以上受影響的建筑物及其市政設(shè)施、易發(fā)生自然災(zāi)害處等問題，為地鐵隧道的規(guī)劃設(shè)計提供參考依據(jù)。利用BIM技術(shù)考慮地鐵隧道內(nèi)的精細(xì)數(shù)據(jù)，建立高精度的三維可視化模型，并賦予信息，這些信息包括三維實體數(shù)據(jù)和表面數(shù)據(jù)，即地鐵隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)工程數(shù)據(jù)，如隧道中某處襯砌破裂等，可有效的實現(xiàn)隧道工程各參與方的交流決策，所有專業(yè)以三維模式一同工作，解決各專業(yè)單獨設(shè)計引發(fā)的沖突問題。各參與方設(shè)計成果集成于一個項目核心數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)流暢的進行傳遞。

2.2 施工過程階段

如今，我國傳統(tǒng)施工因不合理工期、施工環(huán)境、生產(chǎn)組織管理鏈條冗長等因素影響，存在施工組織無序、現(xiàn)場管理混亂、施工設(shè)備應(yīng)用率低等問題;現(xiàn)場出現(xiàn)大量建筑垃圾、灰塵、污水等問題，出現(xiàn)進度滯后問題后無法系統(tǒng)性的進行分析并找到解決方案。對于地鐵隧道項目及地理位置，利用GIS技術(shù)的三維建模功能可有效展示、獲取、整合、管理周圍建筑物信息及環(huán)境數(shù)據(jù)，甚至道路交通信息和天氣情況進行高效整合和實時監(jiān)測，確定施工設(shè)備和材料進場的最佳路線，追蹤材料材料的運輸狀態(tài)，以實現(xiàn)對成本的全面把控，追蹤施工項目進度管理，實時真實，全面的呈現(xiàn)出施工范圍內(nèi)的地理數(shù)據(jù)。利用BIM技術(shù)，進行管線綜合碰撞檢查，考慮在不同時間段內(nèi)的施工工序，建立在3D模型基礎(chǔ)上融入成本造價信息和時間進度信息，進行5D施工管理，實現(xiàn)全方位一體化管控。

結(jié)合GIS+BIM技術(shù)，利用Revit軟件的API（程序編程調(diào)用接口）進行二次開發(fā)，可以具體將某隧道區(qū)間將風(fēng)險評價結(jié)果展示在BIM平臺上，結(jié)合周圍環(huán)境實時監(jiān)測信息的GIS數(shù)據(jù)和增加自然災(zāi)害信息，針對高、中、低風(fēng)險區(qū)域采用不同的施工工序和施工方案全面分析地鐵隧道施工安全風(fēng)險，通過Web平臺進行三維可視化全方位的顯示[4]，便于地鐵隧道工程各參與方協(xié)同工作，當(dāng)出現(xiàn)施工進出超前或滯后時，結(jié)合GIS+BIM系統(tǒng)可以直觀顯示出屬于關(guān)鍵路線工作或非關(guān)鍵路線工作，通過資源配置的調(diào)整，如調(diào)整人員、材料、機械設(shè)備的供給量，方便現(xiàn)場動態(tài)管理并有效的保護水土資源。其管控原理、技術(shù)手段、具體措施如圖1。

2.3 智能運維管理階段

在建筑全生命周期來看，城市地鐵隧道運維周期長，難度大，要求高，重要性突出，然而城市地鐵隧道的空間十分有限，傳統(tǒng)的地鐵隧道運維管理方式主要是依靠人工巡檢、信息歸檔等方式進行人為管理，對于隧道內(nèi)的突發(fā)情況無法精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)、定位、解決（如照明系統(tǒng)損壞，管線破裂泄露）。同各部門信息共享不及時，導(dǎo)致信息缺乏真實性、準(zhǔn)確性?，F(xiàn)代工程信息量龐大且繁雜（如隧道維修數(shù)據(jù)、記錄、工藝等），通過人工方式進行整理、分析，效率十分低下且容易出錯，使地鐵隧道運維風(fēng)險性增加，很難滿足現(xiàn)階段運維管理的需求。

地鐵隧道交付運營后，通過建設(shè)方和設(shè)計方提供的無紙化電子模型，利用GIS與BIM技術(shù)與傳感技術(shù)等構(gòu)建可視化虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)全方位運維管控。在運維管理階段，有研究GIS技術(shù)結(jié)合有限元動力分析，在宏觀程度上完成三維空間分析和可視化定位，可輔助管理人員對突發(fā)的危機情況進行處理，提供消防救援方面的重要支持[5]。BIM技術(shù)可將工程數(shù)據(jù)與BIM三維模型進行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建完整的BIM模型編碼，前期的勘察、設(shè)計、施工資料也將引入運維數(shù)據(jù)庫之中，協(xié)助運維管理，保證地鐵隧道全生命周期的高效運行。

3? BIM+GIS技術(shù)與其他信息技術(shù)的結(jié)合

3.1 BIM+GIS技術(shù)與云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)

在城市數(shù)字化急劇發(fā)展的時代，BIM與GIS的數(shù)據(jù)從產(chǎn)生、設(shè)計，再到融合。目前GIS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大多是宏觀地理場景的可視化數(shù)據(jù)，而BIM對微觀可視化數(shù)據(jù)進行補充后，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次進行了飛躍。BIM的大量建筑模型數(shù)據(jù)與GIS的宏觀地理信息數(shù)據(jù)融合后會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在集成、傳輸、儲存、計算、交互等方面容易產(chǎn)生集成后數(shù)據(jù)丟失、可視化效果不佳、部分?jǐn)?shù)據(jù)失效等問題[6]。云計算可以提供對海量數(shù)據(jù)的搜索、分析、查詢、整合功能，另外云計算的分布式存儲功能也極大的提高了數(shù)據(jù)資源利用率。分布式管理模式可應(yīng)用于GIS與BIM融合的各個階段，也適用于地鐵隧道工程各專業(yè)，各參與方共享，整合數(shù)據(jù)，最大限度發(fā)揮GIS與BIM在地鐵隧道的作用。

3.2 BIM+GIS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原理是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，采集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器存儲和處理數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)展示給用戶，近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市地鐵、橋梁等各類工程領(lǐng)域[7]。GIS技術(shù)與BIM技術(shù)同樣都作為互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)進入整個空間的通道。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可完成多元數(shù)據(jù)的收集、追蹤和傳輸，極大程度的拓寬了GIS技術(shù)與BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)來源，并保證數(shù)據(jù)來源真實、準(zhǔn)確、實時。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對地鐵隧道內(nèi)位置，變形數(shù)據(jù)的監(jiān)測，及時反饋并作出相應(yīng)實施方案，為智慧運維打下堅實基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是最大限度提高全生命周期各階段應(yīng)用效率的有力保障。

4? 結(jié)語

BIM與GIS技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，實現(xiàn)了地鐵隧道基于GIS的宏觀地理表現(xiàn)和基于BIM的微觀精細(xì)化表達的相結(jié)合的全生命周期管理，為地鐵隧道工程提供全方位數(shù)據(jù)的支撐，達到了協(xié)同設(shè)計、優(yōu)化施工的目的。BIM與GIS技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用，集合了全生命周期各個階段的全專業(yè)模型，并對地鐵隧道工程多維信息關(guān)聯(lián)，對隧道內(nèi)情況進行動態(tài)化監(jiān)測，實現(xiàn)地鐵隧道的數(shù)據(jù)化管控。BIM與GIS技術(shù)與其他新技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用有很大的經(jīng)濟價值，在未來必定推動建筑行業(yè)的數(shù)字化、智能化時代到來，進而實現(xiàn)地鐵隧道的可視化、一體化、科學(xué)化、智能化管理。

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