許洪波 馬繼生 趙碩碩

(雄安雄創(chuàng)數(shù)字技術(shù)有限公司)

近些年，以人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)為代表的數(shù)字科技席卷全球，物理城市和與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字城市正形成兩大體系平行發(fā)展、交互作用。數(shù)字城市為了服務(wù)物理城市而存在，物理城市因?yàn)閿?shù)字城市變得高效有序，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，CIM 是數(shù)字孿生技術(shù)的核心基礎(chǔ)支撐之一。2021 年5 月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)導(dǎo)則》（修訂版）。

雄安新區(qū)作為城市信息模型（CIM）平臺(tái)的第一批試點(diǎn)城市，從2018 年11 月至今，建設(shè)了BIM 綜合管理平臺(tái)、CIM 的建設(shè)協(xié)同管理平臺(tái)、基于CIM 的綜合管廊智能化管理平臺(tái)等系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)上相繼開(kāi)展了報(bào)建審批、數(shù)字化建設(shè)管理、城市智能治理等領(lǐng)域的CIM 平臺(tái)應(yīng)用，顯著提高了行政審批效率、BIM 模型生產(chǎn)質(zhì)量、施工建設(shè)進(jìn)度，同時(shí)降低了工程建設(shè)返工成本和建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)管理溝通成本。從整體上基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)的規(guī)劃理念。

雄安新區(qū)雄東片區(qū)是東北部雄縣組團(tuán)重要組成部分和新區(qū)先期建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域之一，規(guī)劃面積18 平方公里，劃分為五個(gè)部分，其中第一部分A 單元作為先行區(qū)域進(jìn)行建設(shè)。在施工過(guò)程中，房建、道路、管廊管線的給水、雨水、污水、再生水、燃?xì)狻崃?、電力通訊等各個(gè)專(zhuān)業(yè)同步施工建設(shè)，存在作業(yè)面與專(zhuān)業(yè)施工上相互干擾影響，施工隊(duì)伍云集交錯(cuò)，導(dǎo)致在建設(shè)過(guò)程中存在現(xiàn)場(chǎng)管理混亂、調(diào)度溝通效率低、施工管線碰撞多等問(wèn)題。因此，急需通過(guò)數(shù)字化手段，增強(qiáng)工程現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化管理能力，解決時(shí)空錯(cuò)位的工程問(wèn)題。2021 年8 月30 日經(jīng)雄安新區(qū)管委會(huì)批準(zhǔn)，以雄東片區(qū)為試點(diǎn)推行基于CIM 的數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺(tái)，并在容西片區(qū)和啟動(dòng)區(qū)同步開(kāi)展前期準(zhǔn)備工作。

1.CIM 技術(shù)發(fā)展

2011 年，查爾姆斯理工大學(xué)的吉爾在《The backbone of a City Information Model (CIM): Implementing a spatial data model for urban design》中提出城市信息模型的概念[1]。

H C Melo 等 人 在Implementation of City Information Modeling (CIM) concepts in the process of management of the sewage system in Piumhi,Brazil（H C Melo1,S M G G Tomé1,M H Silva2,et al.,2019）提到以CIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)防措施為重點(diǎn)的城市生活污水管網(wǎng)管理的新模式，結(jié)合BIM、GIS 的軟件能力構(gòu)建污水管道模型，用以診斷污水管網(wǎng)，提高管理決策的質(zhì)量，但由于在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)未考慮集成相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，缺少對(duì)看不見(jiàn)的數(shù)據(jù)、非精確測(cè)量數(shù)據(jù)和堵塞水井中獲得數(shù)據(jù)的感知，限制了所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)模型及應(yīng)用[3]。

在國(guó)外學(xué)術(shù)界提出的城市信息模型概念的影響下，國(guó)內(nèi)CIM 的研究與實(shí)踐方興未艾。2015 年，同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士在城市信息模型（CIM）概念的基礎(chǔ)上，面向未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提出了城市智能模型（City Intelligent Model）的概念，將城市信息模型的數(shù)據(jù)整合、分析、表達(dá)等工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了智能應(yīng)用方向，重點(diǎn)解決城市運(yùn)行發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題。

2020 年1 月開(kāi)始，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦等部委印發(fā)了一系列政策指導(dǎo)文件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了CIM 基礎(chǔ)平臺(tái)在全國(guó)各地的開(kāi)發(fā)建設(shè)[3]。

2.建設(shè)管理需求

雄東片區(qū)先期建設(shè)區(qū)域總建筑面積約220 萬(wàn)平方米，其中地上建筑面積136 萬(wàn)平方米，地下建筑面積84 萬(wàn)平方米，總樓棟數(shù)218 棟，市政道路24 條，綜合管廊5 條，纜線管廊8 條，建設(shè)工期僅有416 日歷天。

在施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)地上地下、市政房建同步實(shí)施，施工隊(duì)伍眾多，在場(chǎng)人數(shù)最高多達(dá)2 萬(wàn)人，普遍存在現(xiàn)場(chǎng)管理難度大、調(diào)度溝通耗時(shí)、管線碰撞問(wèn)題多等典型問(wèn)題，急需數(shù)字化、在線化的管理系統(tǒng)提供輔助決策。

3.創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景

2021 年8 月30 日經(jīng)雄安新區(qū)管委會(huì)批準(zhǔn)，以雄東片區(qū)為試點(diǎn)推行基于CIM 的數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺(tái)，并加快推進(jìn)在容西片區(qū)開(kāi)展數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)建設(shè)。

以數(shù)字孿生為理念，以CIM 技術(shù)為基礎(chǔ)，匯聚片區(qū)項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程的BIM、GIS、IoT 數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)輔助決策、碰撞分析、事件協(xié)同、現(xiàn)場(chǎng)管理等管理功能，實(shí)現(xiàn)行業(yè)主管部門(mén)（規(guī)建局）、建設(shè)單位（雄安集團(tuán)）、施工單位、設(shè)計(jì)單位等數(shù)據(jù)互通與業(yè)務(wù)協(xié)同，豐富項(xiàng)目管理手段，提升管理效率，創(chuàng)新工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的進(jìn)度、質(zhì)量、安全等場(chǎng)景的線下與線上一體化管理模式。以項(xiàng)目基本需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于CIM 的數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺(tái)應(yīng)用框架，用于指導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及項(xiàng)目全過(guò)程管理，如圖1 所示。

圖1 應(yīng)用框架設(shè)計(jì)圖

3.1 線上管理，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程指揮調(diào)度

通過(guò)匯聚雄東片區(qū)的BIM 模型數(shù)據(jù)、傾斜攝影、正射影像數(shù)據(jù)并疊加融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生施工場(chǎng)景建設(shè)，改變以往過(guò)去的現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片、準(zhǔn)備會(huì)議材料、確定開(kāi)會(huì)場(chǎng)地并結(jié)合施工圖紙的傳統(tǒng)調(diào)度模式，通過(guò)CIM 數(shù)據(jù)模型可遠(yuǎn)程巡查現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)展，并結(jié)合BIM 模型實(shí)現(xiàn)施工與設(shè)計(jì)融合（如圖2 所示），管控施工質(zhì)量，支撐管理方線上實(shí)時(shí)對(duì)項(xiàng)目的整體遠(yuǎn)程指揮調(diào)度。

圖2 BIM 管線模型與傾斜攝影實(shí)地融合應(yīng)用

3.2 現(xiàn)場(chǎng)管理，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)管控力度

片區(qū)級(jí)的施工現(xiàn)場(chǎng)管理，以連接高點(diǎn)視頻監(jiān)控和接入無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)巡檢為主要巡檢工具，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的正射影像、BIM 數(shù)據(jù)和人工智能算法，立體巡查施工進(jìn)度，智能分析施工安全隱患，輔助工地現(xiàn)場(chǎng)管理調(diào)度決策。

3.3 碰撞分析，提升地下管線施工效率和質(zhì)量

基于碰撞檢查模塊，對(duì)不同項(xiàng)目間不同專(zhuān)業(yè)的各階段BIM 模型進(jìn)行碰撞分析，預(yù)見(jiàn)性發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題，在系統(tǒng)中生成碰撞點(diǎn)，推送至設(shè)計(jì)與施工單位，同時(shí)支持線上解決方案反饋，為建設(shè)指揮時(shí)序調(diào)度提供技術(shù)支撐，有效避免施工返工，高效保障施工進(jìn)度與質(zhì)量。

3.4 模地校驗(yàn)，保障未來(lái)城市運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量

通過(guò)竣工測(cè)量的建筑、管線及重要設(shè)施的點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集，結(jié)合匯交的BIM 模型，在數(shù)字化建設(shè)協(xié)同平臺(tái)上進(jìn)行空間計(jì)算，全空間、全方位和全要素的自動(dòng)查驗(yàn)?zāi)５匾恢滦??？商嵘⒐を?yàn)收效率，保障BIM 質(zhì)量，為未來(lái)城市運(yùn)營(yíng)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.碰撞檢測(cè)算法應(yīng)用

碰撞檢測(cè)分析為雄東片區(qū)的地下管網(wǎng)施工時(shí)序、作業(yè)面管理等方面提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。目前，在管網(wǎng)碰撞分析的算法方面，基于包圍盒的碰撞檢測(cè)算法得到了普遍的應(yīng)用。經(jīng)典的包圍盒類(lèi)型有包圍球（Sphere）、軸對(duì)齊包圍盒（Axis-Aligned Bounding Box，簡(jiǎn)稱(chēng) AABB）、方向包圍盒（Oriented Bounding Box，簡(jiǎn)稱(chēng) OBB）[4-5]。

包圍盒可以看作是一類(lèi)簡(jiǎn)單的幾何體，常用于包圍具有復(fù)雜形狀的對(duì)象。其中，常見(jiàn)的有球體和盒體。在上述幾種常見(jiàn)的包圍盒中，包圍球是構(gòu)造難度相對(duì)容易的一個(gè)，且碰撞檢測(cè)速度最快。但是，由于包圍球具有緊密型差的缺點(diǎn)，所以很少采用此方法進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

軸對(duì)齊包圍盒是上述包圍盒中構(gòu)造難度最低的一種，但是由于軸對(duì)齊包圍盒與包圍球都具有緊密性較差的缺點(diǎn)，所以在碰撞檢測(cè)過(guò)程中可能增加大量的計(jì)算，降低碰撞檢測(cè)效率。

方向包圍盒可以隨著對(duì)象的幾何特性任意調(diào)整其軸向，所以可以更加緊密地包圍對(duì)象，使得碰撞檢測(cè)過(guò)程的包圍盒對(duì)的數(shù)量降低。但是，方向包圍盒的構(gòu)造過(guò)程較為繁瑣，需要尋找最優(yōu)方向以及此方向上盒體最小尺寸。由于方向包圍盒樹(shù)的每層節(jié)點(diǎn)的特征都各不相同，所以對(duì)于樹(shù)的構(gòu)建較為繁瑣，并且方向包圍盒的相交測(cè)試比軸對(duì)齊包圍盒相交測(cè)試的計(jì)算復(fù)雜度更高。

通過(guò)對(duì)不同碰撞檢測(cè)算法的比較，總結(jié)出各類(lèi)包圍盒在構(gòu)造技術(shù)難度、存儲(chǔ)體量、相交計(jì)算難度、緊密度、物體變化后包圍盒的計(jì)算量等方面的優(yōu)劣程度以及其對(duì)剛體或變形體適用性。

由于城市地下管網(wǎng)的所有管線幾乎是平行于空間坐標(biāo)系，并且軸對(duì)齊包圍盒具有各邊平行于坐標(biāo)軸的特性，同時(shí)，軸對(duì)齊包圍盒構(gòu)造簡(jiǎn)單并且適用于剛體的碰撞檢測(cè)，所以本系統(tǒng)通過(guò)基于改進(jìn)后的軸對(duì)齊包圍盒進(jìn)行管網(wǎng)的碰撞檢測(cè)分析。

在軸對(duì)齊包圍盒的碰撞檢測(cè)階段，通過(guò)遍歷軸對(duì)齊包圍盒樹(shù)來(lái)進(jìn)行管線的精確位置碰撞檢測(cè)算法研究。軸對(duì)齊包圍盒樹(shù)的構(gòu)造相關(guān)因素如下：包圍盒種類(lèi)、樹(shù)的度數(shù)以及樹(shù)的構(gòu)造方式。對(duì)于包圍盒種類(lèi)的選擇為軸對(duì)齊包圍盒，二叉樹(shù)作為樹(shù)的度數(shù)，樹(shù)的構(gòu)造方式為自頂向下，并且根據(jù)在對(duì)象中值處分割確定分割平面，得到一顆平衡二叉樹(shù)，即軸對(duì)齊包圍盒樹(shù)，并且通過(guò)遍歷軸對(duì)齊包圍盒樹(shù)最終確定管線碰撞的具體位置，在具體位置上打上三維標(biāo)記點(diǎn)，輸出碰撞分析結(jié)果。

5.CIM 技術(shù)應(yīng)用成效

2021 年9 月至2022 年 6 月，通過(guò)雄安CIM 數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺(tái)，匯聚雄東片區(qū)項(xiàng)目的GIS、BIM 及規(guī)劃數(shù)據(jù)，協(xié)同建設(shè)指揮部組織管理，實(shí)現(xiàn)建設(shè)片區(qū)三維可視化場(chǎng)景建設(shè)，將傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度指揮的管理模式提升為線上與線下結(jié)合的新型項(xiàng)目管理模式。通過(guò)碰撞分析，發(fā)現(xiàn)并避免1740 處碰撞和接駁問(wèn)題，有效減少施工返工成本，保障工程建設(shè)按計(jì)劃完工，為各片區(qū)項(xiàng)目建設(shè)階段施工管理與指揮調(diào)度提供關(guān)鍵技術(shù)支撐和輔助決策，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)決策、信息共享、協(xié)同作業(yè)，有力支撐新區(qū)各片區(qū)工程建設(shè)工作，得到雄東片區(qū)指揮部高度認(rèn)可，并推動(dòng)本平臺(tái)在啟動(dòng)區(qū)和容西片區(qū)項(xiàng)目建設(shè)中開(kāi)展雄安CIM 數(shù)字化建設(shè)協(xié)同平臺(tái)部署應(yīng)用，繼續(xù)支撐新區(qū)項(xiàng)目建設(shè)工作。

6.結(jié)語(yǔ)

CIM 是數(shù)字孿生城市建設(shè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，也是近些年新型智慧城市建設(shè)的熱點(diǎn)。結(jié)合雄安新區(qū)高質(zhì)量建設(shè)管理的需求，本文以基于CIM 的數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺(tái)在雄東片區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目實(shí)踐，系統(tǒng)分析了CIM 技術(shù)發(fā)展歷程，實(shí)踐了線上線下一體化管理的創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景模式和碰撞檢測(cè)分析算法的應(yīng)用，保障了片區(qū)項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)度與質(zhì)量，本平臺(tái)未來(lái)可繼續(xù)豐富建設(shè)進(jìn)度、質(zhì)量和安全方面的數(shù)字化場(chǎng)景應(yīng)用，促進(jìn)新區(qū)數(shù)字孿生城市建設(shè)與發(fā)展。