CIM在智慧城市建造中的應(yīng)用研究

文_范杭茹（閩南理工學(xué)院，實(shí)驗(yàn)教師，實(shí)驗(yàn)師）

20世紀(jì)90年代提出的智慧城市理念，旨在推進(jìn)城市智能化、科技化及創(chuàng)新化發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)政府大力推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)。其中數(shù)字城市從工業(yè)化發(fā)展為信息化，充分利用計(jì)算機(jī)和信息手段融合社會(huì)各方完成交互管理，實(shí)現(xiàn)城市管理的智慧創(chuàng)新，從而改善居民生活環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)前信息技術(shù)水平不斷提高，智能信息化管理工具、GIS技術(shù)、可視化模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目全壽命周期各階段。在此背景下，城市信息模型（CIM）的概念應(yīng)運(yùn)而生。

一、CIM研究動(dòng)態(tài)

（一）國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

城市信息模型（City Information Modeling）簡(jiǎn)稱CIM，是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)為基礎(chǔ)，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來(lái)多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體。建筑信息模型（Building Information Modeling）簡(jiǎn)稱BIM，是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立建筑模型，并通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物真實(shí)信息的技術(shù)。學(xué)術(shù)界指出，CIM是群體，BIM是單體，BIM多用于工程項(xiàng)目，CIM則是其升級(jí)版，把視野從單體建筑拉高到建筑群。當(dāng)然，要拉高到這個(gè)層面，僅僅有CIM技術(shù)是不夠的，還需GIS、BIM等多種技術(shù)的有機(jī)融合，運(yùn)用BIM技術(shù)的可視化、模擬性特點(diǎn)，及GIS的精確尺寸定位、環(huán)境識(shí)別等功能，將具體要素信息實(shí)時(shí)傳遞至建筑信息模型中，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)信息化和智能化管理。

智慧城市建設(shè)開啟于2012年，目前已有500多個(gè)城市提出要建設(shè)智慧城市，國(guó)家也出臺(tái)相應(yīng)政策文件推動(dòng)新型智慧城市的建設(shè)。2016年，習(xí)近平總書記提出新型智慧城市的概念。

（二）發(fā)展現(xiàn)狀

在推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)的過(guò)程中，大部分城市的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)之間存在信息化基礎(chǔ)薄弱問(wèn)題，彼此工作獨(dú)立分離，信息無(wú)法交互，導(dǎo)致城市管理平臺(tái)的運(yùn)維系統(tǒng)缺乏可視化、數(shù)字化，管理難度較大且管理體系不夠完善。在這樣的境況下，國(guó)內(nèi)的大批專家學(xué)者提出將BIM、GIS、CIM等技術(shù)進(jìn)行融合，利用BIM模型展示建筑構(gòu)件詳細(xì)信息，借助GIS技術(shù)搜集周邊場(chǎng)景數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目在外圍的規(guī)劃設(shè)計(jì)和場(chǎng)景分析。二者結(jié)合后實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外精確管理，再融合CIM平臺(tái)，從單個(gè)建筑管理發(fā)展到城市管理。專家們?cè)诖朔矫孀隽嗽S多的研究，如張文勝等在3D GIS和BIM的基礎(chǔ)上開發(fā)橋梁鐵路的信息管理平臺(tái)；李福健結(jié)合BIM和GIS建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道周邊的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；劉萬(wàn)斌利用SuperMap三維系統(tǒng)，完成意外事故情況下如何安全逃生的模擬分析。此外，還有很多專家的研究也都利用其優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)收集、信息反饋，提前解決運(yùn)維問(wèn)題。

（三）城市試點(diǎn)

傳統(tǒng)管理平臺(tái)過(guò)于依賴人工，其工作效率低、設(shè)備使用少，無(wú)法滿足城市建設(shè)需求。智慧城市管理平臺(tái)利用BIM、GIS、CIM技術(shù)解決傳統(tǒng)問(wèn)題，但真正落地實(shí)施難度大，目前仍處于研究探索階段，沒(méi)有形成完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)首批試點(diǎn)城市，如廣州、廈門、杭州、南京等取得顯著成效。比如廈門將BIM技術(shù)與CIM平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，應(yīng)用在建筑行業(yè)之中，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目審批申報(bào)、工程審圖交底；南京利用GIS技術(shù)進(jìn)行空間信息尺寸定位，獲取三維及二維空間數(shù)據(jù)信息。

二、CIM城市智慧管理平臺(tái)的建立

在推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)的過(guò)程中存在著很多難點(diǎn)，主要集中在以下幾個(gè)方面。第一，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重復(fù)建設(shè)、缺少商業(yè)模式創(chuàng)新。第二，城市管理工作復(fù)雜且工序較多，參與方在不同時(shí)空中保持獨(dú)立，信息共享和交互較少，容易形成信息孤島。第三，目前我國(guó)的科技發(fā)展水平相對(duì)落后，較難實(shí)現(xiàn)新型智慧城市管理的要求。因此，我國(guó)提出新型智慧城市建設(shè)發(fā)展路徑，思考如何將信息技術(shù)手段進(jìn)行有機(jī)融合，把計(jì)算機(jī)技術(shù)、可移動(dòng)技術(shù)、GIS技術(shù)、BIM技術(shù)集成于CIM城市智慧管理平臺(tái)，搭建一個(gè)公眾全面參與和信息交互融合的智慧管理平臺(tái)，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，以提升居民幸福感。

三、技術(shù)融合創(chuàng)新

（一）某城市管理平臺(tái)介紹

以某城市為案例，設(shè)置以CIM為載體的綜合服務(wù)管理體系。在城市管理平臺(tái)利用BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)等現(xiàn)代手段，通過(guò)智慧城市模型，進(jìn)行信息化和智能化管理，使用傳感器、視頻探測(cè)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市管理的監(jiān)督，采集各方信息。最終將采集到的信息數(shù)據(jù)匯總于管理平臺(tái)中，為城市管理工作提供可靠依據(jù)。

（二）某城市平臺(tái)構(gòu)建方案

按照國(guó)家推行的新型智慧城市要求，從以下多個(gè)方面進(jìn)行方案打造。

1.構(gòu)建統(tǒng)一樣板，使用相同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和命名要求，確保協(xié)同過(guò)程中溝通無(wú)障礙。樣板要求使用相同的項(xiàng)目基點(diǎn)、標(biāo)高、軸網(wǎng)等。

2.以BIM和CIM技術(shù)作為基礎(chǔ)，借助BIM 5D軟件打造數(shù)字化智慧平臺(tái)，使全壽命階段各參與方能夠及時(shí)上傳數(shù)據(jù)，并能隨時(shí)調(diào)閱，也可以在現(xiàn)有的廣聯(lián)達(dá)、品茗等軟件公司的全咨平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行操作。

3.使用VR和AR新技術(shù)，借助二維碼和VR攝像頭等方式以第三視角精確直觀地將時(shí)間和空間的具體信息形象表達(dá)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化的表達(dá)形式，打造數(shù)字化智慧城市。

4.應(yīng)用自制的城市信息收集裝置，將其分布于城市各個(gè)角落，隨時(shí)隨地全方位完成圖像數(shù)據(jù)采集工作，并及時(shí)自動(dòng)上傳至云端，打造自動(dòng)化城市監(jiān)視管理系統(tǒng)。

（三）某城市平臺(tái)實(shí)施規(guī)劃

針對(duì)集成化CIM城市智慧管理平臺(tái)的實(shí)施規(guī)劃，主要分為以下幾點(diǎn)。

1.以城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，包含地理環(huán)境數(shù)據(jù)，建筑物構(gòu)件信息等內(nèi)容為基礎(chǔ)建立三維可視化數(shù)據(jù)信息模型，盡量提高模型精度。

2.使用VB、C語(yǔ)言等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，結(jié)合軟件公司現(xiàn)成的BIM 5D管理平臺(tái)，建立多維數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)整合城市多方資源信息和模型數(shù)據(jù)，打造一個(gè)具有統(tǒng)一模板標(biāo)準(zhǔn)的三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足城市空間精準(zhǔn)定位需求，以支撐CIM城市智慧管理平臺(tái)的使用功能。

3.將AR、VR、云數(shù)據(jù)等多種新興技術(shù)有機(jī)融合，利用這些手段通過(guò)第三視角“穿越”城市各個(gè)角落，從而將CIM城市智慧管理平臺(tái)功能規(guī)劃打造得更加智能化、工業(yè)化。

4.在推進(jìn)CIM城市智慧管理平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，完善平臺(tái)的組成構(gòu)件，形成一個(gè)包含整體的核心系統(tǒng)，即三維渲染模型的展示平臺(tái)，涵蓋大型數(shù)據(jù)庫(kù)、集成系統(tǒng)、AI智慧引擎等功能。操作流程如圖1所示。

圖1 操作流程圖

CIM城市智慧管理平臺(tái)的關(guān)鍵點(diǎn)在于集成數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，其包含的信息有城市基礎(chǔ)建設(shè)信息、公眾參與方數(shù)據(jù)、二維及三維空間定位數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和市民參與數(shù)據(jù)等信息。其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 CIM城市智慧管理平臺(tái)架構(gòu)圖

四、以某大廈項(xiàng)目管理為例

（一）項(xiàng)目背景

某大廈項(xiàng)目位于福建省泉州市，占地面積8467.48平方米，地上建筑面積70238.87平方米，地下建筑面積33003.86平方米，建筑總高度為119.9米，建筑層數(shù)為29層。地下室耐火等級(jí)為一級(jí)，一共有16個(gè)防火分區(qū)。建筑等級(jí)一級(jí)，屋面防水等級(jí)Ⅰ級(jí)。項(xiàng)目以框架剪力墻結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度7度。

項(xiàng)目緊鄰市區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離路牙較近，周邊已建建筑較多，為保障居民的出行安全，項(xiàng)目管理需利用BIM技術(shù)進(jìn)行全壽命周期的合理規(guī)劃，按照實(shí)際情況提前完成模擬設(shè)計(jì)。

（二）“一碼式”運(yùn)維方式

在建立云數(shù)據(jù)平臺(tái)過(guò)程中，項(xiàng)目利用平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，精確掌握項(xiàng)目的工期、工程量、人員、材料、設(shè)備等數(shù)據(jù)；模型中構(gòu)件信息完整，涵蓋幾何尺寸信息、強(qiáng)度、外觀顏色、紋理、性能等方面信息。項(xiàng)目竣工后，后期運(yùn)維只需要通過(guò)BIM模型就能了解構(gòu)件信息，并能隨時(shí)還原數(shù)據(jù)，由此提高綜合管理能力。通過(guò)二維碼和云端信息平臺(tái)，將紙質(zhì)信息轉(zhuǎn)換為電子信息，進(jìn)一步加強(qiáng)管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息共享。運(yùn)維流程如圖3所示。

圖3 運(yùn)維流程

（三）VR技術(shù)

利用VR技術(shù)與BIM技術(shù)進(jìn)行融合，利用二者優(yōu)勢(shì)，展示沉浸式的虛擬仿真環(huán)境，幫助使用者、設(shè)計(jì)者能夠隨時(shí)隨地對(duì)城市管理項(xiàng)目進(jìn)行漫游體驗(yàn)。如某大廈項(xiàng)目中采用Revit模型，先導(dǎo)出Fbx格式文件，再導(dǎo)入Navisworks軟件，最后結(jié)合施工進(jìn)度表制作模型生長(zhǎng)動(dòng)畫。采用Navisworks軟件，一是完成工程項(xiàng)目中如剪力墻、梁、板、柱等主要構(gòu)件的模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等施工過(guò)程，以及預(yù)制構(gòu)件、機(jī)電工程的暖通與橋架拼裝工藝、工法的施工模擬動(dòng)畫；二是對(duì)工程項(xiàng)目中復(fù)雜節(jié)點(diǎn)技術(shù)交底；三是解決實(shí)際施工中的協(xié)調(diào)合作。利用VR虛擬場(chǎng)景平臺(tái)技術(shù)輔助各參與單位更加直觀了解項(xiàng)目具體情況，不會(huì)產(chǎn)生信息孤島，達(dá)到技術(shù)與項(xiàng)目之間的完美協(xié)同。以三維模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景，利用漫游平臺(tái)，將構(gòu)件詳細(xì)信息上傳云端，形成數(shù)據(jù)匯總，最終搭建數(shù)字化模型信息庫(kù)。

（四）大廈項(xiàng)目管理應(yīng)用價(jià)值

大廈項(xiàng)目從施工開始到竣工結(jié)束，采用Project編制施工進(jìn)度計(jì)劃，再導(dǎo)入廣聯(lián)達(dá)斑馬夢(mèng)龍網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃軟件，并根據(jù)案例工程完成雙代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖的繪制。在編制過(guò)程中，一是可通過(guò)GTJ軟件進(jìn)行部分土建工程算量，并在實(shí)際的施工定額基礎(chǔ)上編制進(jìn)度計(jì)劃；二是以BIM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，查找在項(xiàng)目工程進(jìn)度管理中存在的問(wèn)題，對(duì)其提出整改措施；三是基于BIM 4D技術(shù)完成計(jì)劃進(jìn)度的仿真模擬和驗(yàn)證，實(shí)時(shí)可視化地把控工程進(jìn)度。通過(guò)BIM模型和工程進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)項(xiàng)目的施工方案進(jìn)行全面仿真分析，對(duì)不足之處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和深化處理，從而提出最佳的施工方案，提高資源利用率。

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)使用優(yōu)化后的方案進(jìn)行施工交底，可提高施工質(zhì)量。利用BIM技術(shù)的三維可視化功能改變傳統(tǒng)文案交底模式，其中重難點(diǎn)方案使用建模模擬，幫助工人直觀感受施工工藝要求。以綜合管線優(yōu)化為例，通過(guò)管線調(diào)整和深化設(shè)計(jì)處理，使得水衛(wèi)管道的整體成本比原計(jì)劃節(jié)省80多萬(wàn)元。從導(dǎo)出的碰撞檢測(cè)報(bào)告中可以看到無(wú)預(yù)留孔洞有1411處，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)度優(yōu)化后，可節(jié)約穿孔施工期12天左右，節(jié)約成本40余萬(wàn)元。

在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段使用廣聯(lián)達(dá)BIM 5D平臺(tái)、Lumion及Revit軟件，集成設(shè)備具體信息，這些信息從項(xiàng)目開始到竣工驗(yàn)收，由各參與方及各個(gè)專業(yè)提供。同時(shí)使用第三者漫游的方式幫助使用者清晰地了解內(nèi)部布局情況，一旦出現(xiàn)設(shè)備故障或者緊急狀況，能夠迅速做出應(yīng)急反應(yīng)，降低安全隱患。運(yùn)用720云平臺(tái)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行360°三維動(dòng)態(tài)制作，便于施工時(shí)進(jìn)行三維可視化交底。運(yùn)用草料二維碼生成專屬二維碼，錄入設(shè)備信息，便于后期現(xiàn)場(chǎng)云端運(yùn)維管理。應(yīng)用價(jià)值如圖4所示。

圖4 應(yīng)用價(jià)值

（五）城市圖像數(shù)據(jù)采集

前文以城市中某大廈項(xiàng)目作為案例，詳細(xì)闡述了信息管理的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于城市而言，搭建CIM城市智慧管理平臺(tái)關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)庫(kù)。而數(shù)據(jù)庫(kù)則需要采用智能化方式，構(gòu)建三維可視化模型，將信息進(jìn)行數(shù)字化和系統(tǒng)化整合。這種方式對(duì)于城市信息管理極為便利，在管理數(shù)據(jù)過(guò)程中，將圖像采集裝置安裝在不同位置，可以迅速完成圖像收集及集成化處理。但是這一方式容易受天氣因素影響，一旦遭遇惡劣天氣，易導(dǎo)致圖像采集裝置前視鏡頭的清晰度變差。

為解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型的圖像數(shù)據(jù)信息采集裝置。其工作原理是通過(guò)主體上端設(shè)置能夠水平前后移動(dòng)的擋雨板，在控制器、驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及濕度傳感器等多重設(shè)備的配合作用下，及時(shí)感觸空氣中相對(duì)濕度，當(dāng)濕度數(shù)值達(dá)到控制器設(shè)置數(shù)值時(shí)，就能夠命令控制器完成控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工作，帶動(dòng)整個(gè)擋雨板向前方移動(dòng)，該方式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遮擋雨滴的功能。當(dāng)濕度小于控制器設(shè)定的限定數(shù)值時(shí)，能夠幫助控制器控制擋雨板移動(dòng)至原始位置。內(nèi)部裝置圖如圖5所示，裝置效果圖如圖6所示。

圖5 內(nèi)部裝置圖

圖6 裝置效果圖

五、總結(jié)和展望

面對(duì)當(dāng)前我國(guó)智慧城市推進(jìn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，應(yīng)積極查找國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，提出CIM城市智慧管理平臺(tái)的創(chuàng)建，并對(duì)其架構(gòu)內(nèi)容和實(shí)施方案詳細(xì)講解，結(jié)合具體項(xiàng)目案例在全壽命周期各個(gè)階段的詳細(xì)應(yīng)用，分析平臺(tái)優(yōu)勢(shì)所在。同時(shí)使用自制的城市圖像數(shù)據(jù)收集裝置完成對(duì)城市全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，數(shù)據(jù)即時(shí)上傳云端，構(gòu)建大型數(shù)據(jù)庫(kù)。在平臺(tái)的打造過(guò)程中將海量數(shù)據(jù)信息通過(guò)AI智慧引擎實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)查詢、瀏覽、時(shí)空定位、資料查找統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等功能。再加以AR、VR技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真模擬設(shè)計(jì)，多維動(dòng)態(tài)展示，使設(shè)計(jì)更智能化、直觀化，并輔助綠建功能，如日照節(jié)能分析、城市規(guī)劃管理、綠色環(huán)保指標(biāo)、景觀設(shè)計(jì)分析，爭(zhēng)取發(fā)揮出最大價(jià)值，實(shí)現(xiàn)利益最大化。