摘要：南宁市作为国家第二批地下综合管廊试点城市之一，为了加快管廊建设和投入运营，需要在管廊规划、设计、施工过程中高效管理这些工程，并能在管廊投入运营后保证安全高效地运行，本文基于BIM和GIS技术，提出系统总体架构、数据库结构以及各模块功能设计，将规划和建设全过程相关联的信息集成于该系统上，通过可视化和物联网，为工程项目前期规划、设计、招投标、施工建造、运营、维护等全生命周期的精细化管理提供技术支撑，实现物理设备与虚拟信息的互联互通，全面提升规划的合理性、设计的精确性、施工的安全性、管理的高效性、成本的可控性和运维的智能性，并最终程序实现和部署于南宁管廊项目，为今后同类型项目提供技术参考。
关键字：建筑信息模型；地理信息系统；地下管廊；信息系统
1 引言
在过往的城市市政工程建设中，地下管线有给水、排水、电力、通信、燃气、热力等多种类型，建设投资分属不同主体，“各自为政”地铺设在道路的浅层地下，在扩容、增容、维护时，就需要不断开挖马路。综合管廊，就是地下城市管道综合走廊，即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通讯，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理。通过建设地下综合管廊，能把所有的管线都纳入一个“腔体”内，这样既解决了“马路拉链”、“空中蜘蛛网”等问题，又有利于延长管线使用周期、寿命和进行维护。
BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术是近年来出现并引领建筑数字技术走向更高层次的一项新技术，它以工程项目的各项信息数据为基础，建立起包含这些信息工程项目的三维模型，在规划设计、建设施工、运营管理等项目全生命周期内为各方参与者提供一个信息化、可视化的协作平台[1-2]。GIS（Geographic Information System，地理信息系统）技术可实现对综合管廊坐标数据的采集、存储、管理、分析和表达，解决管廊环境监测中感知、图形、图像、文本等多源异构数据的有效集成问题，将地下综合管廊的走向以及出入口位置精确的在地图上标注出来，可以实现相关的智能分析与应用[3-4]。
因此，在国内全面推动综合管廊建设的形势下，有必要基于BIM+GIS技术，建立可视化统一管理信息平台，并整合管廊通风、消防、排水、电气等系统，构建互联互通的高度灵活、信息化、集约化的管廊智慧运营管理系统，最终实现“智慧管廊”的目标[4]。
2 系统总体设计
2.1 总体目标
结合物联网，打造一个基于BIM+GIS技术的管廊建设全生命周期的综合信息管理平台。从管廊工程合理规划、设计协同、施工管理、技术管理、成本管理、质量管理、安全管理、材料管理、采购管理、合同管理、到最后的竣工交付等，实现项目建造的全过程跟踪，为工程项目前期规划、设计、招投标、施工建造、运营、维护等全过程全生命周期的精细化管理提供技术支撑。利用BIM 技术、GIS 技术和物联网的有效结合，实现物理设备与虚拟信息的互联互通，全面提升规划的合理性、设计的精确性、施工的安全性、管理的高效性、成本的可控性和运维的智能性。该系统实现管廊工程的信息化规划、参数化设计、标准化建设、精细化管理和智慧化运维的目标。
2.2 系统架构
系统采用感知层、基础设施层、平台层、应用层、用户层多层体系架构，各层之间相对独立，可按需独立建设，如图1所示。
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图1 系统架构图
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图2 数据库架构图
Fig.2 Frame of the Database
系统在管理方面，通过标准规范、体制建设、标准体系、管理规范来保障系统建设和运行；在安全方面，通过安全保障、安全技术体系、安全管理实施及运行机制来保障系统安全、稳定地运行。
3 系统数据库设计
数据库系统为系统提供存储、维护、检索数据的功能，把业务所需的数据按一定模式、结构组织存储起来，满足应用系统对于信息访问和信息处理的要求，使业务系统可方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息。按内容进行分类，可划分为：传感器数据、GIS地理信息数据、BIM对象数据、业务系统数据、系统管理数据等。数据库架构如图2所示。
（1）传感器数据：包括管廊内的消防系统、安防系统、设备环境监测系统、通信系统等各种传感器的自动数据采集到的各类型数据。
（2）BIM对象数据：以地下综合管廊的各项相关信息数据为基础进行BIM建模，包括管廊主体BIM模型、管线BIM模型、管廊附属设施BIM模型，模型以三维数字技术展现，融合了建筑信息，为协同工作提供坚实的基础；模型需要在不同项目阶段由业务系统根据业务流程进行人工更新。
（3）GIS地理信息数据：包括电子地图、数字正射影像、数字高程模型、三维模型、管廊设计施工专题数据、土层地质专题数据、地下管线专题数据以及其他城市规划和土地专题数据等。
（4）业务系统数据：包括规划、建设、运维等应用系统所产生的数据，主要在系统运行后，通过用户输入、流程计算、分析统计等形成。
（5）系统管理数据：包括用户数据、安全管理数据、网络管理数据等。
4 系统功能设计
地下综合管廊信息管理系统建设的关键在于满足管廊建设的各阶段涉及的各个主体对管理和协作的不同诉求。以BIM技术为信息的基础载体，构建一个围绕管廊的全生命周期展开各项活动的综合管理平台。打通各协作部门之间沟通的隔阂，消除协作过程中各方信息不对称、传递不及时的问题，由此减少规划、设计、施工、运营中不必要的失误和返工，全面提高管理、协作的效率，降低风险、压缩成本。
4.1 规划与地质系统
将地质数据、地下空间规划数据、地面GIS数据进行整合，在规划设计前，通过碰撞监测和肉眼识别，提前发现可能遇到的实施障碍，提高规划效率，在规划设计完成后，检测规划的可行性和合理性，从而优化设计。同时，对管廊工程在规划阶段涉及的各类文件、资料、数据进行集中管理，实现管廊工程的平面、断面、关键节点的科学规划，提高规划的准确性和合理性。其中包括规划资料管理、三维模型展示、快速规划、规划检查、规划库管理、审核管理、成果管理。
（1）规划资料管理
规划资料管理模块对管廊规划阶段相关资料进行录入、管理、分析，并输出相关结果。根据管理资料类别的不同，此模块下设三个子模块：电子资料管理、规划数据录入、规划模型管理。
（2）三维模型展示
各类模型通过专业来进行分类，在三维界面中可以通过开关实现模型显示的自定义组合。对模型进行缩放、平移、旋转，实现快速查看预设视角的模型。通过点击构件，可以查看构件的具体信息和相关资料。对模型进行剖切查看，可以观察内部详细模型。通过选中BIM模型，可以查看与其关联的图纸、规范、文档等各种类型信息。
（3）快速规划
用于帮助各规划人员和规划审核人员直观地查看管廊规划方案，并能通过模型中的 GIS 数据信息和管廊BIM数据信息对管廊规划方案的合理性进行验证和讨论，确保规划方案符合实际情况，包括平面路径设定、竖向路径设定、断面规划、规划模型生成、规划模型分析模块。
（4）规划检查
导入已经根据初步图纸完成的精确的BIM模型，保存为一个规划方案，在 GIS 场景中查看BIM模型，通过各专业模型的自由组合，可视化方式比较规划方案之间的差别，观察模型与周边环境的关系，并进行碰撞检查，检查本次规划是否合理，配合各类文字、图像、录音等多媒体信息保存和意见导出,辅助决策确定最终方案。
（5）规划库管理
存储了管廊规划相关的各类信息库，包括平面规划库、断面规划库、关键廊外节点规划库、管线库，用于辅助新管廊规划时案例的查询，为规划人员提供数据的支撑。
（6）审核管理
审核管理是各管理责任方对各阶段的输入结果进行审核，其中包括平面规划方案审核、断面规划方案审核、关键节点规划方案审核、各管线单位审核和管廊主管单位审核。
4.2 设计管理系统
该系统主要针对管廊设计人员，充分利用规划阶段所积累的各类资料、规划方案和各方的审核意见，对各管廊工程进行管廊主体设计，实现廊体的总体设计、管线协同设计、廊内附属设施设计以及管廊结构设计，并对各类设计成果进行有序管理，方便资料的随时查阅以及提交最终设计方案进行管廊施工。设计的结果作为成果保存在案例库中，方便日后根据条件筛选，快速匹配最合适的管廊设计，提高设计水平，加速设计效率。
4.3 成本管理系统
成本管理系统是对管廊全生命周期过程中所产生的成本进行管理，对各类成本进行自动化精细分析，找出各阶段资金使用不合理之处，优化资金使用，将管廊的规划、设计、施工、运行、维护成本降至最低，包括工程可研阶段、初设阶段、招投标阶段、实施阶段、竣工阶段和分析汇总模块。
4.4 招标管理系统
借助BIM模型的可视化和可算量，可以辅助招投标，从而控制造价、降低成本。另一方面可以管理各家供应商和对应的产品，对应的产品可以通过BIM模型族库形式递交，可以快速比对产品是否符合招标要求，并放入整体模型进行查看，提高招标效率，降低采购风险和施工风险。通过成本管理系统中招标工程量数据开展管廊工程的招标工作，并且将招标工作过程中所涉及的各类文件资料和信息进行管理。
4.5 施工管理系统
施工管理系统是对施工过程中的人员、材料、机械、施工质量、施工安全、施工进度、工程变更等进行统筹管理。在管廊工程施工过程中，由管廊建设单位、参建设计单位、监理单位、施工单位、咨询单位利用管廊施工BIM模型对施工过程中出现的问题进行发布，并且依照既定的工作流程将发现的问题进行解决，实现管廊工程问题的闭环管理，保证管廊施工质量和施工进度。
（1）远程监控
主要将现场各类监控设施与系统进行对接。通过实时监控，记录及分析数据变化趋势，并与预警值进行对比，将现场风险事件即时进行报警。
（2）进度管理
利用BIM模型对各条线路工程施工进度进行管理，包括对施工进度计划进行制作，对进度中各计划完成情况进行追踪，对已完成的进度进行统计，以及在发现某些进度计划与实际进度产生偏差时，采取相应的措施调整未来的进度计划。
（3）变更管理
对施工过程中的各类变化通过BIM模型进行查看和管理。通过对比施工过程中不同时期的BIM模型，发现管廊设计方案的更改之处，并对所有更改部位进行统计，结合其他工程信息，自动出具设计变化清单和工程量进度清单，从而掌握管廊工程实际情况，避免造成工程浪费。
4.6 运维管理系统
运维管理是系统的重要部分，利用GIS技术、BIM技术和物联网技术对管廊运行状况进行监控，并将管廊运行中各项工作进行智能化管理，保证管廊安全、高效地运行。
（1）营运计费系统
将不同单位入廊管线信息进行管理，记录管线单位信息、管线租用信息及管线缴费情况等信息，并将信息与管廊模型内的管线模型进行关联，形成营运计费可视化BIM模型。通过BIM模型，可视化选择需要查看和编辑、输入租赁合同等的管线计费信息。
（2）管廊资产管理系统
系统保存了所有资产信息，并与BIM部件进行关联。可以根据三维可视化查看、更新、调取、编辑资产清单等内容，即建立一套与实际综合管廊资产一致的虚拟资产可视化BIM模型。
（3）运维作业派单管理
提前设置运维派单类别、流程、标准等固定措施，根据运维需要对作业人员进行派单管理，运维人员根据派单任务和三维模型交底可对运维派单整个过程进行痕迹化、封闭化事件管理，可视化选择设备，调出所需查看的设备图纸、维护保养手册、生产厂家、备存备件、安装施工验收表等电子资料，及时发送信息给运维中心。
4.7 管廊监测系统
通过结合GIS技术、BIM技术和物联网技术，实现在网页端、移动端上对各条管廊内部的设施设备的可视化实时监控。通过对各个系统的设定，可以实现系统自动预警、报警，并推送到相关人员的移动终端，从被动监控转化为主动监控，全面提高管廊的内部安全和应急响应效率。
（1）消防系统
消防系统通过现场感应器采集廊内消防设施信息，对廊内消防情况进行监控。其内容包括火灾报警系统数据监测、电气火灾监测、防火门数据监测、自动灭火数据监测、应急广播系统和消防电话系统。
（2）安防系统
安防系统对廊内实时画面、入侵报警、人员定位、电子巡更、机器人巡检进行实时监测。其内容包括视频监控系统、入侵报警监测、人员定位监测、电子巡更监测和机器人巡检系统。
（3）设备环境监控系统
设备环境监控系统对廊内设备、环境、沉降位移等信息进行实时监测。包括设备监测、环境监测、燃气监测、沉降位移监测。
4.8 文件管理系统
实现对各类文件、标准、技术、人才资料等综合汇总，为日后的其他项目提供大量的资料和参考数据。建立专家库名单，收集所有相关专家的联系方式及擅长领域等信息，进行分类汇总，便于遇上工程难题时，可快速找到对应的专家，提高问题解决效率。实现对规划、设计、招投标、施工、运维的所有成果数据进行大数据的分析，提供决策参考。
5 案例实现
本系统依据上述设计，采用B/S模式，网页部分服务端采用JAVA语言编写，同时利用超图软件的iServer 9D作为后台地图服务，GIS部分采用全前端JavaScript编写，BIM部分采用Unity3D软件开发。移动端部分分别采用Android Studio和Xcode开发。该系统地图界面如图3所示，包括二三维电子地图。图4为BIM视图界面。
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图4 地下管廊信息系统BIM界面
Fig.4 BIM UI of Utility Tunnel Information System
6 结束语
近年来，BIM技术、GIS技术和物联网技术被工程建筑业的各位专家大力推崇，构成了建筑全方面全维度的信息化。本文所设计与实现的地下综合管廊信息管理系统是一个基于GIS+BIM+IOT技术的管廊建设全生命周期的综合信息管理平台，从管廊工程合理规划、设计协同、施工管理、技术管理、成本管理、质量管理、安全管理、材料管理、采购管理、合同管理、到最后的竣工交付，实现项目建造的全过程跟踪，达到管廊工程的信息化规划、参数化设计、标准化建设、精细化管理和智慧化运维的目标。
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作者简介：阮明（1983—），男，广西南宁人，硕士，高级工程师，主要研究方向为地理信息系统应用和三维仿真技术。
基金项目：南宁市科学研究与技术开发计划项目重大科技专项（20173118）；南宁市科学研究与技术开发计划项目重点研发计划（20173162-4）.
论文作者:阮明,钱婷
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/17
标签：模型论文; 数据论文; 系统论文; 信息论文; 技术论文; 管线论文; 地下论文; 《基层建设》2019年第31期论文;