轨道交通是城市公共交通乃至整个城市系统运行中不可或缺的部分,随着城市建设日益智慧化,未来城市建设将以信息基础设施建设为中心,城市轨道交通建设信息集成化程度面临挑战[1]。本文试图探讨BIM和GIS技术的数据共享与交互集成,充分发挥两种技术优势,以解决城市轨道交通建设中的接口问题,实现协同管理。
(1)微观和宏观结合。BIM技术着重于对模型内部信息的存储与分析管理,包括建筑物的几何信息、建筑构件的物理特性、功能特性以及相关项目的生命周期信息,但存在宏观建模能力较差、无法加载大范围地理空间数据的弊端[2]。GIS技术侧重于地理空间环境信息的宏观表达,能处理海量地形数据,但不能创建精细化内部微观模型。因此,将BIM与GIS技术结合并整合外内部信息,对城市轨道交通建设的车站选址、出入口选位、施工场地布置、设备运输路径、管线搬迁和道路翻交等提供有效的帮助。
(2)实现集成化应用。城市轨道交通是一个综合性复杂系统,信息量大,易形成信息孤岛,信息共享程度对于项目建设协同管理的影响较大[3]。通过GIS实现车-路互动,通过BIM实现人-车互动,两者集成最终实现人-车-路三者信息集成化应用。在该平台上,项目参与方均可利用轨道交通信息模型,达到设计分析可视化、施工管理精确化和运营维护智能化的目的[4]。集成技术不仅能通过扩大信息面消除信息孤岛,而且能够扩大城市轨道交通与其它领域合作的空间。
(1)思维观念。思维观念上的阻碍主要源于保守的行业领域思维。目前,GIS是具有完整链条的空间数据集成平台,包括标准、数据、平台、空间数据库和服务发布等。因此,GIS与BIM的集成更加关注将BIM导入GIS中后如何实现数据接入和数据共享问题。BIM技术应用则侧重于与某一特定的构筑对象具体业务的紧密联系[5],两者对于集成应用有不同的理念,存在“思想呼吁融合,行动有所保守”的思想阻碍。同时,行业间也存在着界限和知识体系不互通等问题。BIM和GIS融合首先需要从思想上改变,打破固有的、保守的思维观念。
(2)数据壁垒。BIM和GIS集成实现信息共享,在技术上需要构建一个数据沟通平台。其中,BIM是在IFC的标准体系下建立和管理数据,IFC标准是国际协同联盟建立的一个标准名称[6],支持不同软件和平台之间的数据交换和共享,不因软件系统的废弃而流失信息。在GIS中,City GML编码标准是地理信息行业的通用数据法则,GML是1999年提出的一种开放性元语言。随着行业应用诉求不断增长,GIS的研究对象从2D到3D甚至到多维,由其开发的基于3D建模的City GML编码标准主要用来表现城市三维对象的通用信息[7],两者区别如表1所示。
由于两者使用了截然不同的数据模型标准和技术,在对模型的表达方式、适应专业领域及语义信息表达等方面均有一定的差别。同时,不同软件文件在网格处理、空间参考和格式转换上也存在一定的冲突。因此,只有解决数据沟通的技术问题,才能从根本上打破两者之间的信息壁垒。
表1 BIM与GIS数据标准对比
具体方面IFCCity GML几何表达边界描述边界描述构造实体几何拉伸或旋转形成的扫描体语义信息表达 仅用一个LOD表示,注重建筑细节接结构空间关系多层次的语义信息分类(LOD0-LOD4,共5类)模型外观纹理极少,以材质呈现为主多个LOD层级都有丰富纹理尺寸表达单个实体或建筑设施为主大范围体系
由于集成思维方式和集成使用者的侧重点不同,形成了不同类型的集成模式,主要包括以下几种模式:
(1)在GIS应用中集成BIM功能。以GIS软件为平台进行二次开发,将BIM数据集成到GIS系统中并以此为基础,在GIS软件中开发BIM的相关功能应用,即以GIS作为集成平台,侧重点包括:①利用BIM数据进行细节化三维建模;②根据城市轨道交通的相关信息进行功能开发,如成本管理、进度控制、资源分析等;③通过集成平台能够实现GIS系统室内三维导航[8]。
(2)在BIM应用中集成GIS功能。该模式下的集成指是将GIS数据集成到BIM的应用系统中,并在此基础上开发相关功能,从而使开发后的BIM系统可服务于海量地理数据下的宏观应用,即以BIM作为集成平台,侧重点包括:①辅助枢纽进行选位设计;②对总体设计方案进行评判;③精准定位地理位置、地形修改与整合等。
(3)GIS与BIM的深度集成。GIS与BIM的深度集成需要一个全新的系统架构,该系统需要重新设计逻辑、功能要求以及网络环境。将GIS和BIM的优势特色功能融合,实现从建筑内到建筑外部环境、地上到地下的一体化管理。
BIM和GIS技术集成主要解决数据交互这一核心问题,可以从两个方面着手:一方面是数据仍各自储存,以搭建沟通平台的方式实现信息资源共享,另一方面是融合各自数据标准,搭建“格式工厂”实现数据互通。
(1)系统集成:用特定技术将各个相分离的软件系统中的功能信息集成到系统中,使资源能够高度共享。GIS与BIM数据仍将分开存储,主要有以下3种数据存储类型:①基于数据库的系统集成:建立数据库接口层平台,实现两者集成的基本操作,包括增加、删除、更新和查询等。新开发的系统集成软件平台需要在上述接口平台上开发相应功能[9];②基于网络服务—Web Service的系统集成:标准与开放的Web Service技术作为一种常用网络服务技术,能够使用户无缝获取不同软件后台数据[10]。因此,有必要为GIS和BIM数据编写相应的网络服务数据接口,并统一封装所有数据接口,从而提供GIS-BIM整个系统后台数据服务;③基于数据接口的系统集成:该集成方法需要对GIS软件和BIM软件单独进行开发,两个系统借助于对方的开放性数据接口共享数据。
(2)数据标准集成:IFC、City GML分别为BIM和GIS中模型数据存储与共享的通用标准,前者强调多种几何表达方式和丰富的语义形容机制,后者则能够对地理空间对象进行多角度表达,以及进行协同对象几何和语义信息表达。由以上分析可以得出,这两种数据标准中几何和语义信息表达机制是GIS与BIM数据标准集成的基础。City GML与IFC之间的标准化信息映射能够最大程度实现两者集成,其中多语义信息映射是实现IFC和City GML两者信息相互映射的关键步骤,如图1所示。
在城市轨道交通建设中,应根据实际需求选择适当的集成模式和数据集成方法。根据不同的集成平台,从基于已有单一软件的应用模块、GIS和BIM的系统集成平台以及自主研发数据集成应用大型系统等角度进行集成。
(1)单一软件平台。基于项目已有GIS或BIM软件,且在软件提供二次开发接口的前提下,开发人员可以进行二次开发,在开发中集成另一个应用模块。以BIM软件为例,即开发基于BIM软件的GIS应用模块,首先,确定项目在GIS领域的应用需求,并基于软件系统开发方法和工作流程设计GIS应用模块,包括需求分析、概要设计、详细设计、编码、测试、交付、验收和维护等步骤[11]。其次,GIS和BIM软件技术开发人员需配合完成相应的开发工作。GIS应用模块开发完后,对用户组织进行培训,以区分相同环境下GIS应用功能与软件自带的BIM应用功能的不同。
(2)多个软件平台。当项目同时具备GIS和BIM软件时,可构建基于GIS和BIM的系统集成平台,其核心任务是解决系统间数据接口转换和数据交换问题,实现过程可归纳为以下几点:①确定软件后台数据的逻辑架构是否对外开放,能否转化为标准数据格式。即使上述条件不符合,软件还是可以通过二次开发接口读取数据,也可以使用信息系统集成方法;②由于两种软件数据中包含的信息不同,有必要确定GIS和BIM软件各自数据类型和具体内容;③确定数据标准集成具体方案,主要为前文所论述的集成方法;④制定具体集成应用流程:如果项目需要GIS和BIM用户协同化工作,或者需要对软件分别进行拓展应用,那么应额外编制特定的方案流程;⑤根据软件开发工程方法和流程实现软件二次开发并实施;⑥测试及应用培训。
图1 IFC与City GML信息映射流程
(3)自主研发平台。若项目具有自主研发能力,可采用GIS与BIM深度集成模式,构建全新的系统开发模型,从而确定包含GIS和BIM信息内容的新模型以及映射关系,对GIS和BIM信息从数据标准上进行融合,自主研发过程如下:①确定GIS和BIM集成系统所有的功能应用需求;②确定系统应用流程,包括工作流和数据流,并依此建立相应的系统操作流程;③基于City GML框架建立工程集成信息模型,并且根据项目实际需要确定GIS与BIM的集成信息模型;④应用软件开发;⑤软件应用培训。
为了适应城市轨道交通建设发展需求,充分利用BIM技术模型几何信息准确、属性信息丰富以及易于管理和维护等优点,结合GIS在空间分析、统筹管控和场景展示等优势,建立完备的轨道交通三维模型,实现大规模场景展示,从而有利于提高城市轨道交通建设信息化水平。
(1)碰撞检查及设计优化。轨道交通设计技术趋于成熟,但是不同专业间的协调还存在一定难度。一方面,构建全专业整合模型后,利用三维模型进行管线碰撞检查,通过漫游方式开展逻辑规则检测,形成碰撞报告记录并开展图纸会审工作,提前进行管线碰撞检查,提早发现问题既可以在后续工作中提高效率,也可以将其理解为2D向3D转变的过程。在设计变更过程中,通过该方式,任一环节变化对其它环节在工程进度和造价上的影响一清二楚。另一方面,集成应用BIM+GIS技术可精确计算设计方案工程量和核定施工变更工程量[12]。通过集成技术对数据进行校核,提早发现设计前期“错、漏、碰、缺”等界面问题,避免后期施工返工和变更等情况出现。
(2)管线施工综合排布。依据设计文件,利用搭建好的模型并按设计和施工规范要求,对轨道建设沿线相关设施及设备间通信、电力、变电等各专业管线和设备进行综合排布,以系统思想统筹整体布局,在功能性和净空、美观性两个层面都能够满足要求,从而实现智能化测量和智能化施工。
通过集成技术可以实现轨道交通全线、施工设备和施工区域内其它建筑模型构建,将BIM模型与周围建筑进行比较,从而有效掌握施工现场与周边建筑情况。借助无人机拍摄的倾斜摄影技术和多视图三维重建技术,对倾斜摄影与正射影像数据进行三维建模,生成真实坐标下的轨道周边三维场地环境模型,运用GIS技术提前设置相关场地影响区域,提早实现实地建筑三维模型可视化,以呈现出项目建造完成效果,从而有利于施工方案部署优化。
BIM模型和系统施工管理平台的构建使得传统二维进度形象表达向三维可视化转变,从而更易于管理者和建设单位获取、理解建筑信息特点,同时在不增加施工单位工作量的前提下,使协同施工管理系统能够较好地融合上报数据同BIM模型的双向关联[13]。在轨道交通施工进度数据录入之后,后台程序会自动将进度数据转化为网格ID数据,更新道路属性表,重新设置文件的网格颜色属性。在网页端刷新后,三维窗口将会用不同颜色表示道路的不同进度,其中,红色表示未完成部分,绿色表示已完成部分。通过技术集成可以任意选择时间段查看施工程度和内容,了解施工提前、正在施工和施工滞后3种状态,真正实现了4D进度模拟,辅助建设单位科学管理项目进度。
在轨道交通项目建设施工方案制定与实施过程中,涉及设计总包、各标段的工点设计单位、施工单位、运营单位等,跨专业或跨部门沟通和协调的工作量大,需要一个基于多部门统一协同管理平台进行配合。
轨道交通协同管理平台基于集成技术和施工管理系统建立[14],承载BIM模型数据、倾斜摄影数据、数字高程数据、卫星影像与航拍正射影像数据,同时通过建立清晰的业务逻辑关系形成业务管理、过程控制和项目决策3个不同维度的项目管理体系。管理平台可根据自身需求为项目配置流程,将规划许可、施工复验、跟踪测量、竣工验收以及档案管理等环节衔接在一起并定制相应的工程资料规范。同时,系统及时收发上下级通知以便于查看流程表单,如设计联系单、施工联系单等。构建平台以便于实时掌控项目情况,实现规划、测量、档案等多部门统一管理,减少各部门之间沟通协调的信息损失,通过标准化工作流程和管理掌握项目进度,使流程流转速度更快[15]。
基于轨道交通施工方案管理需要,利用BIM模型展示设计方案各阶段项目建造效果,辅助方案制定,并且通过比较不同的施工方案,根据不同的需求选择最优方案。各部门通过平台能够实时查看方案设计效果,及时提出建议,从而提高工作效率,并将所有施工方案输入电子数据库中,为未来翻新、改造、扩建提供有效的历史信息[16]。
某市在构建市域线与城区线两级线网时,呈现“两横两纵”布局,轨道交通占整个公共交通的比例达40%以上。某线为该市率先建设的地铁线,在建设中引入BIM +GIS集成技术,统筹项目规划、设计、施工、运维全过程,建设轨道工程数据中心,构建智慧化轨道建设与运营管理云平台。
(1)集成BIM+GIS的云平台建设。本项目以GIS作为数据整合集成平台并开发BIM功能模式,基于多个软件以系统集成方法实现集成平台构建,全面诠释了BIM和GIS核心是对信息有效利用与表达,构建了一个存储大数据的 “云平台”,该平台建设以数据价值为核心。地铁作为公共资源基础平台,汇集了大量实时数据与信息,基于BIM技术和GIS的有机结合对地铁全线数据进行搜集、显示、管控,搭建地铁云智能运维平台,实现数据全程有效传递和保护。
(2)BIM技术应用。BIM技术应用目标是生成勘测、设计、施工、生产和运营维护阶段的BIM大数据,并分析和使用这些数据,具体包括:①勘测阶段:生成项目实施周围地形、管线和建构筑物的BIM数据,并勘察BIM数据应用;②设计阶段:全专业BIM模型生成,碰撞检查和设计纠错,BIM管线综合深化设计,BIM性能化分析,工程量统计;③施工阶段:施工进度模拟、施工工艺模拟,施工过程BIM模型调整,工程量统计,竣工模型;④运营阶段:BIM模型数据录入与BIM模型维护。
(3)GIS平台应用。GIS作为整个全线数据整合平台,主要具有以下功能:①基础地理信息数据管理:基于某市地理坐标系、沿线高清航拍图和地籍房籍数据等基础信息,实现一张图管理;②地下综合管线管理:根据沿线地下综合管线勘测数据,统一到GIS平台中进行管理,基于先进的二三维一体化GIS地下综合管线管理,实现便捷查询、三维可视化表达和断面图自动生成等;③轨道线路规划设计方案管理:对轨道线路站点、区间段走向、标高等规划内容进行一张图管理,建立图形空间规划要素数据引擎;④轨道沿线物业开发规划管理:对轨道集团所属的、与某线关系紧密的沿线物业开发用地等规划信息进行一张图管理;⑤CAD-GIS-BIM集成协同:根据基于GIS的某线相关空间要素对象索引,与BIM数据库实现联动,保持平台数据的实时一致性;⑥某线实施竣工图GIS化管理:通过对方案变更的实时记录,实现一张图管理,为后续智慧轨道资产管理奠定了良好基础。上述功能模块采用了最新的云GIS技术架构进行部署,在B/S+移动APP/S的架构上进行综合开发。目前,国内三维GIS基本只实现了C/S架构,因此该项目具有一定的开拓性和创新性。
(4)运营维护方案。为构建大型云智能管理平台,投入BIM与物联网的力量将数据整合到一个平台上,该平台以32个无缝显示屏与后台支持系统进行呈现,将全线地铁视频监控、实时数据分析、系统设备管理、风险预警等统一到控制中心,实现多部门统一协同管理,处理过程简单快捷、管理直观便捷。
在该地铁项目建设中集成BIM+GIS技术,使项目建设全程信息实现整合和互通,全方位展示地铁线全景全貌,实现了技术集成下轨道交通全寿命周期的信息协同,促进了工程管理能力提高,也为以地铁为代表的长线工程和大规模区域性智慧交通工程建设提供了借鉴。
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