2019年BIM技术会议：由CIM到城市地下空间的数字孪生研究（44页）.pdf

1、由CIM到城市地下空间的 数字孪生研究 北京城建勘测设计研究院有限责任公司 北京城建智慧工程院 主讲人：唐超 博士后/副研究员 2019年 11 月29 日 一一BIMCIM 目 录 CONTENTS 二二CIM数字孪生 三三城市空间数字孪生地下空间数字孪生 四四地下空间数字孪生的发展和应用 BIM相关概念01 BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的英文缩写，是一种利用数字化手段对建 筑项目的实体与功能特性进行表达，通过多维仿真的数 字化、可视化平台，将项目相关各种信息集成形成工程 数据模型的方法。 BIM发展阶段02 国内BIM经过十余年的发展，

2、从 1998年-2005年的 “概念导入期”，到 2006 年-2010年“理论研究 与初步应用阶段”，再到 2011 年至今的“快速发 展及深度应用阶段”。 概念导入期主要是 IFC 标准研究和 BIM 概念产生； 理论研究与初步应用阶段主要是针对 BIM 技术、标 准及软件研究，并且 BIM 技术在大型项目中开始试 用；快速发展及深度应用阶段表现为 BIM 开始大规 模运用于工程实施中，政策大力支持 BIM发展， BIM 应用软件越来越多，围绕“BIM+”的深度应 用越来越多。 BIM技术应用03 u 设计阶段： 方案比选；布局优化；环境模拟；能耗分析 u 投标阶段： 模型创建；方案展示；

3、施工模拟；提量计价 大型设备运输路径模拟 复杂节点模拟土方开挖模拟 管线综合 碰撞检查&设计错误检查 建筑模型 u 施工阶段： 三维场布；模架设计碰撞检查；管线综合；方案展示；进度管控模型算量；阶段核算 u 运维阶段： 运维模型创建；设备设施运行监控；隐蔽工程管理；应急管理 CIM相关概念04 从理论和实证来看，“BIM+互联网”改变建筑业，已无悬 念。与此同时，随着智慧城市建设成为政府的重头戏，一个 更宏大的技术概念CIM（City Imformation Modeling） 将开始兴起。 从之前20年以来的智慧城市建设经验来看，建设智慧城市 要从将城市数字化或先建成一个数字化的城市开始，否

4、则大 量的智慧城市应用无发展开，应用价值受限。 BIMGISIOT物联网云平台 CIM 1 城市基础数据库 从这个数据库中可以快速定位一个园区、一栋建筑，快速查询建筑模型之中的所 有相关数据。 2 可计算 对于城市量级可计算，才能产生高价值的应用，框选一个街区，有多少栋楼，有 多少建筑面积，容积率多少，人口数量多少，有多少家单位，拥有多少车辆等数 据等及时的统计出来。 3 定义城市和建筑的空间数据 BIM+GIS+IOT，将城市的空间数据库进行了准确的定义。通过BIM-GIS将人所活 动的城市进行数字化，通过IOT将人真正的同整个城市联系起来。 4 所有数据同CIM相关联 城市中所有的数据，人

5、口、教育、管理都将同基础模型相关联，获取更高的城市 运维效率。 5 可视化 提升城市运维效率和管理体验。 6 可感知 所有的物联网数据同城市空间关联，数据可视化，快速关联。 7 可开放 经过授权，可以让相关部门和使用人员进行关联，产生社会和经济价值。 CIM相关概念05 BIM基础数据集成06 从建设阶段采集BIM基础数据，节约成本、缩短工期、精细化管理 建筑是城市的组合单元，庞大数量的建筑单元构成 城市，BIM模型不仅将建筑外观信息，结构信息进行可视化展示，同时也囊括了建筑在设计-施工-使用期间的所有数据，成为信息数据和可视化数据的 载体。 GIS基础数据集成07 城市地理信息数据包括文字、

6、数字、符号、语言、图像、影像等，它具有可识别性、可存储性、可扩充性、可压缩性、可传递性及可转换性，是城市基础信息的最大载体。 IOT基础数据集成08 在建筑行业中，通过传感器的数据回传，以互联网为依托，融合在建筑行业中，通过传感器的数据回传，以互联网为依托，融合BIM-GISBIM-GIS数据数据，对数据进行精准分析。定位模块、视频监控、环 境监测等硬件设备设施自动采集相应数据，基于物联网传输至后台数据库，实现物联网数据的融合及应用。 物联网的应用领域涉及到方方面面，在工业、农业、环境、交通、物流、安保等基础设施领域的应用，有效的推动了这些 方面的智能化发展，使得有限的资源更加合理的使用分配，

7、从而提高了行业效率、效益。 城市基础数据集成09 数据打基础，融合业务，落实应用，实现智能化,BIM+GIS+IOT数据的融合的CIM大场景展示.通过无 人机技术、物联网传感器、建模手段等方式采集城市地上地下模型信息，提供大数据可视化载体，在可视化平台中整合GIS、BIM、IOT、 5G技术，提升业务应用能力，扩大终端业务覆盖面，最终形成CIM应用平台。 一一BIMCIM 目 录 CONTENTS 二二CIM数字孪生 三三城市空间数字孪生地下空间数字孪生 四四地下空间数字孪生的发展和应用 CIM概念及应用01 城市信息模型（英文City Information Modeling），是以城市信

8、息数据为基数，建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综 合体。从范围上讲是大场景的GIS数据+小场景的BIM数据+物联 网的有机结合。与传统基于GIS的数字城市相比，CIM将数据颗 粒度细化到城市单体建筑物内部的一个机电配件、一扇窗，将 传统静态的数字城市升级为可感知、动态在线、虚实交互的数 字孪生城市，为城市敏捷管理和精细化治理提供了数据基础。 CIM是一个跨度很大的概念，涉及 行业包括：规划，国土，交通，水 利，安防，人防，环境保护，能源 燃气等各大行业领域和一切智慧城 市相关的领域。 引入数字孪生02 数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，是基于数据驱 动、软件定义、平台支撑、

9、虚实交互的城市信息模型（CIM），使数字 城市与现实同步规划、同步建设，实现全过程、全要素数字化，做到 城市全状态实时化、可视化、城市管理决策与服务协同化和智能化。 雄安新区、北京副中心均已广泛应用CIM技术开展数字孪生城市建设 数字孪生相关概念03 当前，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，物理世界和与之对应的数字世界 正形成两大体系平行发展、 相互作用。数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因为数字世界变得高效 有序，数字孪生技术应运而生，从制造业逐步延伸拓展至城市空间，深刻影响着城市规划、建设与发展。 数字孪生因感知控制技术而起，因综合技术集成创新而兴。数字孪生

10、城市是在城市累积数据从量变到质变， 在感知建模、人工智能等信息技术取得重大突破的背景下，建设新型智慧城市的一条新兴技术路径，是城市 智能化、运营可持续化的前沿先进模式， 也是一个吸引高端智力资源共同参与，从局部应用到全局优化，持 续迭代更新的城市级创新平台。 “云-网-端”三大层次 端侧实现群智感知、可视可 控；网侧实现泛在高速、天 地一体；云测实现随需调度， 迭代学习 技术角度 形成虚实对应、相互映射、 协同交互的复杂巨系统， 实现孪生城市的“六化发展” 城市发展 基于多源数据融合的城市信 息模型是核心，城市全域部 署的智能设施和感知体系是 前提，支撑孪生城市高效运 行的智能专网是保障，实现

11、 智能操控的城市大脑是重点 建设重点 数字孪生技术应用04 数字孪生定义为一种软件设计模式以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的 行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真目的是了解资产的状态，响应变化，改善 业务运营和增加价值。 数字孪生的提出和演进05 工业互联网的基础模型和技术依托于数字孪生体（Digital Twin），虽然这个概念产生于军事领域，但很快得到 了领先工业企业的认同，并投入大量资源做研究，其中，美国通用电气和德国西门子最为积极。从可以找到的 书面证据来看，2011年3月美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laborator

12、y）做的一次演讲，明确 提到了数字孪生体，是最早的提出机构。 数字孪生对智能制造及智慧城市应用前景广 阔，并且近年飞行事故催生数字孪生技术价 值。 探索数字孪生“城市大脑”06 阿里云研究中心发布了城市大脑探索“数字孪生城市”白皮书，白皮书里特别提到，人类文明历史上 ，每一次科技大爆发都会重新决定全球城市的经济排名。未来，城市的数据资源会变成城市发展的战略 性资源，甚至比土地资源更重要。计算能力会成为城市新的发展动力，城市拥有的计算力总量甚至会决 定城市发展的排名与潜力。 一一BIMCIM 目 录 CONTENTS 二二CIM数字孪生 三三城市空间数字孪生地下空间数字孪生 四四地下空间数字孪生

13、的发展和应用 数字孪生城市出现的背景01 传统条块化智慧城市建设方式已现疲态 信息技术加速突破驱动集成创新出现拐点 数字孪生成为城市智能化升级的重要方向 部分城市率先探索实践数字孪生理念 我国智慧城市建设升级具备现实基础 数字孪生城市通过空天、 地面、地下、河道等各 层面的传感器布设，实 现对城市道路、桥梁、 井盖、灯盖、建筑等基 础设施的全面数字化建 模，以及对城市运行状 态的充分感知、动态监 测，形成虚拟城市在信 息维度上对实体城市的 精准信息表达和映射 精准映射 城市基础设施、各类部 件建设即有痕迹，城市 居民、来访人员上网联 系即有信息。未来数字 孪生城市中，在城市实 体空间可观察各类

14、痕迹， 在城市虚拟空间可搜索 各类信息，城市规划、 建设以及民众的各类活 动，不仅在实体空间， 而且在虚拟空间得到极 大扩充，虚实融合、虚 实协同将定义城市未来 发展新模式。 虚实交互 孪生城市针对物理城 市建立相对应的虚拟 模型，并以软件的方 式模拟城市人、事、 物在真实环境下的行 为，通过云端和边缘 计算，软性指引和操 控城市的交通信号控 制、电热能源调度、 重大项目周期管理、 基础设施选址建设。 软件定义 通过在“数字孪生城市” 上规划设计、模拟仿真 等，将城市可能产生的 不良影响、矛盾冲突、 潜在危险进行智能预警， 并提供合理可行的对策 建议，以未来视角智能 干预城市原有发展轨迹 和运

15、行，进而指引和优 化实体城市的规划、管 理、改善市民服务供给， 赋予城市生活“智慧”。 智能干预 数字孪生城市的内涵特征02 数字孪生城市的总体架构03 数字孪生模式下，提供了一种能力，包括实时、动态、精准、定位、可视化展示，仿真、验证、回溯，协同、联动等。城 市的运行状态将与以往大为不同，可以肯定的是，未来科学发现和智慧应用将会不断涌现，使我们的生活充满了惊喜体验 。 典型 场景 A B C “规建管”协同管控，助力一张蓝图干到底 虚实互动以虚控实，支撑城市一盘棋治理 情景交融以人为本，升级个性主动服务体验 数字孪生城市的典型场景04 数字孪生城市可一定程度上对城市的人事物进行前瞻性预判，进

16、而通过智能交互，实现城市内各类主 体的适应性变化和城市的最优化运作。其核心是高精度、多耦合的城市信息模型。通过加载其上的全 量全域数据，在城市系统内汇集交融，产生新的涌现，实现对城市规律的识别，为改善和优化城市系 统提供有效的指引 城市初始建模的方法 空中城市 3D 模型 地面高精度 3D模型 室内 3D 模型 城市信息模型的构成 城市三维地理信息模型 BIM 建筑信息模型数据 CIM 城市信息模型 模型与数据的协同运行 多源异构城市模型数据 汇聚中心 CIM 数据发布服务 数字孪生城市核心：高精度城市信息模型05 当前城市在感知业务领域，处于各自为政、条块分割、烟囱林立、 信息孤岛的状态，数

17、字孪生城市 将针对不同的应用场景，统筹感知体系建设，统一采集汇聚，实现城市动态数据整合与共享，形成全 域覆盖、动静结合、三维立体的规范化、智能化、全联接的感知布局，实现物理城市在数字城市的精 准映射。 全域布局 智能设施空间布局 标识体系和编码设计 物联设备连接管理平台 数字孪生城市前提：全域布局的智能设施06 提出网络新需求 融合接入、融合指挥、城市感知、专网专用、资源共享、物理隔离融合接入、融合指挥、城市感知、专网专用、资源共享、物理隔离 接入智能专网 推进推进 5G 网络的大规模商用、推进有线网络万兆接入、网络的大规模商用、推进有线网络万兆接入、 智能专网须全程全网支持智能专网须全程全网

18、支持 IPv6、智能专网应制定相应级别网域保护要求、智能专网应制定相应级别网域保护要求 网络延伸增强 一部分是政务外网及互联网的补充和延伸一部分是政务外网及互联网的补充和延伸 另有部分是出于对政务外网或互联网在某些功能或特性方面的增强另有部分是出于对政务外网或互联网在某些功能或特性方面的增强 高效运行的智能专网 为支撑数字孪生城市的高效运行，满足城市各类智能化运行场景需求，保障城市全域空间布局的智能 化设施感知信息流动，须建设地上地下全通达、 有线无线全接入、万物互联全感知的城市智能专网 ，才能满足数字城市与物理城市虚实融合孪生并行的运行模式需求。 数字孪生城市支撑：高效运行的智能专网07 数

19、字孪生城市通过城市大脑，汇聚与交融不同来源的数据，如实记录呈现城市动态，尽可能预见到政 策干预对各个子系统的影响，充分考虑各种规避行为、时间延迟和信息损失等问题，将“自学习、自 优化”功能融入城市管理过程之中，最终达到增加城市系统整体福利的理想效果。 数字孪生模式下城市大脑紧密 围绕城市信息模型（CIM）和 叠加在模型上的多元数据集合， 充分运用人工智能和深度学习 的技术来治理城市。 PART 1 大脑凸显自主学习与集中调度 城市全要素数据治理、城市信 息模型和人工智能支撑下的大 脑平台，组成了数字孪生城市 大脑。 全域数据治理、城市信息模型、 人工智能赋能 PART 2 一体三翼构建数字孪生

20、城市大 脑 城市画像、居民画像在数字孪 生模式下才能实现。 城市大脑实现运行管理“一盘 棋”。 PART 3 创新全景全要素城市治理新模 式 数字孪生城市重点：智能操控的城市大脑08 城市地下空间是一个巨大而丰富的空间资源， 城市地下空间可开发的资源量为可供开发的 面积、合理开发深度与适当的可利用系数之 积。 地下空间的利用对改善地面环境起着重要作 用。在发展地下交通、降低城市大气污染的 同时，还应提倡建设城市地下市政管线公用 隧道，将自来水、排污管、供热管、电缆和 通信线路纳入其中，可缩短路线长度达30%， 还易于检查和修理，不影响地面土地的使用。 城市地下空间数字孪生09 一一BIMCIM

21、 目 录 CONTENTS 二二CIM数字孪生 三三城市空间数字孪生地下空间数字孪生 四四地下空间数字孪生的发展和应用 城市地下空间数字孪生01 “十三五”时期，我国将建立和完善城市地下空间规划体 系，推进城市地下空间规划制订工作。到2020年，不低 于50%的城市完成地下空间开发利用规划编制和审批工 作，补充完善城市重点地区控制性详细规划中涉及地下 空间开发利用的内容。 地铁，地下管廊是地下空间利用的典范，同时也是人民 生活中不可或缺的部分。 以北京为例，预计到2019年底,北京地铁总长度为699.3 公里。北京轨道交通日客运量突破1375.38万人次。所 以，地铁工程、管廊的建设也成为至关

22、重要的一环。 02轨道交通勘察大数据北京市钻孔密度分布图 根据钻孔信息 和地质调查资 料，同时融合 地表BIM模型、 结构BIM模型， 智能化构建地 质、地表、建 筑物一体化的 全矢量三维岩岩 土工程土工程BIMBIM模模 型型。 02综合物探手段在地质勘察中的应用 u 综合物探方法探查断层构造 u 综合物探方法探查岩溶不良地质情况 u 综合物探方法探查踩空塌陷区 u 综合物探方法解决场地条件限制 地质体数字孪生02 地下管线体数字孪生03 （3）工点建模情况 云山道站结构 模型 欣嘉园站结构 模型 地铁车站数字孪生04 地铁车站数字孪生04 整体 模型 结构结构 建筑建筑 机电机电 通过BI

23、M模型校核预留洞口 的尺寸、位置、数量，从而 减少因返工而造成成本浪费。 相比传统的设计和工程量统 计方式，BIM技术可实现工 程量的自动检索、实时统计， 从而可通过对应的计价规则 提高估算、概算和预算的精 准度和时效性。 地铁隧道数字孪生05 使用三维激光扫描技术对地铁隧道进行扫描。 可得到以下成果： 1、隧道数字正射影像 2、隧道环片收敛变形情况 3、隧道环片错台分析情况 4、隧道环片渗漏水情况 5、隧道环片裂缝情况 6、隧道环片衬砌脱落情况 7、隧道环片与列车行驶限界净空情况 地质体数字孪生数据地下管线数字孪生数据地铁施工BIM数据地铁运营隧道数据 地下交通空间 规划设计管理平台盾构施工

24、管理平台运营监测管理平台 管理层 数据层 安全隐患管理平台 地下空间数据支撑管理05 规划设计管理平台05 打造准确直观的轨交工程虚拟环境，实现宏观的三维地表场景与微观的BIM模型完美融合，真实展示地上、地下工 程环境，再现线路、车站与周边环境的相对位置关系，指导规划设计与施工。 地铁隧道盾构管理平台05 盾构系统一方面便于管理者全面掌握盾构管理的各项具体信息实现远程监控，降低管理难度，优 化现有资源；另一方面便于现场施工人员对具体盾构机和施工现场进行监控能够实现对异常施工 情况和施工安全隐患的迅速反应，保障施工进度和安全。 建立地铁隧道监测数据管理平台，能够实时关注隧道健康信息，了解运营情况

25、。通过三维激光扫描可以监测管道内变形，并快速提取隧道断 面数据，三维激光扫描的引入大大节省人力劳动时间，节约成本 武汉地铁2、4号线 北京槐房水厂 苏州地铁1号线 南宁地铁1、2号线 长沙地铁 北京地铁 运营监测管理平台05 安全风险与隐患进行分级、分类、系统化管理 智慧工程院为天津地铁和滨铁1号线建立了隐患排查系统。 利用PC端和移动端相结合的方式，实时监控施工现场的隐患。 安全隐患排查管理系统05 智能系统、综合管廊统一管理 共覆盖管廊管理业务实时监控、安防管理、办公通讯、日常管理、资产管理、应急处置、大数据分析等7 个领域，同时支持业务定制、模块扩展。 大屏展示大数据分析管理应用 传感器数据采集设备自动控制 数据分析 决策反馈 全面感知 智能分析 智慧运维 综合管廊系统06 谢 谢 Thank you