2019年BIM技術會議:由CIM到城市地下空間的數字孿生研究(44頁).pdf
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上傳人:大寶
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2021-01-19
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1、由CIM到城市地下空間的 數字孿生研究 北京城建勘測設計研究院有限責任公司 北京城建智慧工程院 主講人:唐超 博士后/副研究員 2019年 11 月29 日 一一BIMCIM 目 錄 CONTENTS 二二CIM數字孿生 三三城市空間數字孿生地下空間數字孿生 四四地下空間數字孿生的發展和應用 BIM相關概念01 BIM是建筑信息模型(Building Information Modeling)的英文縮寫,是一種利用數字化手段對建 筑項目的實體與功能特性進行表達,通過多維仿真的數 字化、可視化平臺,將項目相關各種信息集成形成工程 數據模型的方法。 BIM發展階段02 國內BIM經過十余年的發展,2、從 1998年-2005年的 “概念導入期”,到 2006 年-2010年“理論研究 與初步應用階段”,再到 2011 年至今的“快速發 展及深度應用階段”。 概念導入期主要是 IFC 標準研究和 BIM 概念產生; 理論研究與初步應用階段主要是針對 BIM 技術、標 準及軟件研究,并且 BIM 技術在大型項目中開始試 用;快速發展及深度應用階段表現為 BIM 開始大規 模運用于工程實施中,政策大力支持 BIM發展, BIM 應用軟件越來越多,圍繞“BIM+”的深度應 用越來越多。 BIM技術應用03 u 設計階段: 方案比選;布局優化;環境模擬;能耗分析 u 投標階段: 模型創建;方案展示;3、施工模擬;提量計價 大型設備運輸路徑模擬 復雜節點模擬土方開挖模擬 管線綜合 碰撞檢查&設計錯誤檢查 建筑模型 u 施工階段: 三維場布;模架設計碰撞檢查;管線綜合;方案展示;進度管控模型算量;階段核算 u 運維階段: 運維模型創建;設備設施運行監控;隱蔽工程管理;應急管理 CIM相關概念04 從理論和實證來看,“BIM+互聯網”改變建筑業,已無懸 念。與此同時,隨著智慧城市建設成為政府的重頭戲,一個 更宏大的技術概念CIM(City Imformation Modeling) 將開始興起。 從之前20年以來的智慧城市建設經驗來看,建設智慧城市 要從將城市數字化或先建成一個數字化的城市開始,否4、則大 量的智慧城市應用無發展開,應用價值受限。 BIMGISIOT物聯網云平臺 CIM 1 城市基礎數據庫 從這個數據庫中可以快速定位一個園區、一棟建筑,快速查詢建筑模型之中的所 有相關數據。 2 可計算 對于城市量級可計算,才能產生高價值的應用,框選一個街區,有多少棟樓,有 多少建筑面積,容積率多少,人口數量多少,有多少家單位,擁有多少車輛等數 據等及時的統計出來。 3 定義城市和建筑的空間數據 BIM+GIS+IOT,將城市的空間數據庫進行了準確的定義。通過BIM-GIS將人所活 動的城市進行數字化,通過IOT將人真正的同整個城市聯系起來。 4 所有數據同CIM相關聯 城市中所有的數據,人5、口、教育、管理都將同基礎模型相關聯,獲取更高的城市 運維效率。 5 可視化 提升城市運維效率和管理體驗。 6 可感知 所有的物聯網數據同城市空間關聯,數據可視化,快速關聯。 7 可開放 經過授權,可以讓相關部門和使用人員進行關聯,產生社會和經濟價值。 CIM相關概念05 BIM基礎數據集成06 從建設階段采集BIM基礎數據,節約成本、縮短工期、精細化管理 建筑是城市的組合單元,龐大數量的建筑單元構成 城市,BIM模型不僅將建筑外觀信息,結構信息進行可視化展示,同時也囊括了建筑在設計-施工-使用期間的所有數據,成為信息數據和可視化數據的 載體。 GIS基礎數據集成07 城市地理信息數據包括文字、6、數字、符號、語言、圖像、影像等,它具有可識別性、可存儲性、可擴充性、可壓縮性、可傳遞性及可轉換性,是城市基礎信息的最大載體。 IOT基礎數據集成08 在建筑行業中,通過傳感器的數據回傳,以互聯網為依托,融合在建筑行業中,通過傳感器的數據回傳,以互聯網為依托,融合BIM-GISBIM-GIS數據數據,對數據進行精準分析。定位模塊、視頻監控、環 境監測等硬件設備設施自動采集相應數據,基于物聯網傳輸至后臺數據庫,實現物聯網數據的融合及應用。 物聯網的應用領域涉及到方方面面,在工業、農業、環境、交通、物流、安保等基礎設施領域的應用,有效的推動了這些 方面的智能化發展,使得有限的資源更加合理的使用分配,7、從而提高了行業效率、效益。 城市基礎數據集成09 數據打基礎,融合業務,落實應用,實現智能化,BIM+GIS+IOT數據的融合的CIM大場景展示.通過無 人機技術、物聯網傳感器、建模手段等方式采集城市地上地下模型信息,提供大數據可視化載體,在可視化平臺中整合GIS、BIM、IOT、 5G技術,提升業務應用能力,擴大終端業務覆蓋面,最終形成CIM應用平臺。 一一BIMCIM 目 錄 CONTENTS 二二CIM數字孿生 三三城市空間數字孿生地下空間數字孿生 四四地下空間數字孿生的發展和應用 CIM概念及應用01 城市信息模型(英文City Information Modeling),是以城市信 8、息數據為基數,建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜 合體。從范圍上講是大場景的GIS數據+小場景的BIM數據+物聯 網的有機結合。與傳統基于GIS的數字城市相比,CIM將數據顆 粒度細化到城市單體建筑物內部的一個機電配件、一扇窗,將 傳統靜態的數字城市升級為可感知、動態在線、虛實交互的數 字孿生城市,為城市敏捷管理和精細化治理提供了數據基礎。 CIM是一個跨度很大的概念,涉及 行業包括:規劃,國土,交通,水 利,安防,人防,環境保護,能源 燃氣等各大行業領域和一切智慧城 市相關的領域。 引入數字孿生02 數字孿生城市是數字孿生技術在城市層面的廣泛應用,是基于數據驅 動、軟件定義、平臺支撐、9、虛實交互的城市信息模型(CIM),使數字 城市與現實同步規劃、同步建設,實現全過程、全要素數字化,做到 城市全狀態實時化、可視化、城市管理決策與服務協同化和智能化。 雄安新區、北京副中心均已廣泛應用CIM技術開展數字孿生城市建設 數字孿生相關概念03 當前,以物聯網、大數據、人工智能等新技術為代表的數字浪潮席卷全球,物理世界和與之對應的數字世界 正形成兩大體系平行發展、 相互作用。數字世界為了服務物理世界而存在,物理世界因為數字世界變得高效 有序,數字孿生技術應運而生,從制造業逐步延伸拓展至城市空間,深刻影響著城市規劃、建設與發展。 數字孿生因感知控制技術而起,因綜合技術集成創新而興。數字孿生10、城市是在城市累積數據從量變到質變, 在感知建模、人工智能等信息技術取得重大突破的背景下,建設新型智慧城市的一條新興技術路徑,是城市 智能化、運營可持續化的前沿先進模式, 也是一個吸引高端智力資源共同參與,從局部應用到全局優化,持 續迭代更新的城市級創新平臺。 “云-網-端”三大層次 端側實現群智感知、可視可 控;網側實現泛在高速、天 地一體;云測實現隨需調度, 迭代學習 技術角度 形成虛實對應、相互映射、 協同交互的復雜巨系統, 實現孿生城市的“六化發展” 城市發展 基于多源數據融合的城市信 息模型是核心,城市全域部 署的智能設施和感知體系是 前提,支撐孿生城市高效運 行的智能專網是保障,實現11、 智能操控的城市大腦是重點 建設重點 數字孿生技術應用04 數字孿生定義為一種軟件設計模式以數字化方式拷貝一個物理對象,模擬對象在現實環境中的 行為,對產品、制造過程乃至整個工廠進行虛擬仿真目的是了解資產的狀態,響應變化,改善 業務運營和增加價值。 數字孿生的提出和演進05 工業互聯網的基礎模型和技術依托于數字孿生體(Digital Twin),雖然這個概念產生于軍事領域,但很快得到 了領先工業企業的認同,并投入大量資源做研究,其中,美國通用電氣和德國西門子最為積極。從可以找到的 書面證據來看,2011年3月美國空軍研究實驗室(AFRL,Air Force Research Laborator12、y)做的一次演講,明確 提到了數字孿生體,是最早的提出機構。 數字孿生對智能制造及智慧城市應用前景廣 闊,并且近年飛行事故催生數字孿生技術價 值。 探索數字孿生“城市大腦”06 阿里云研究中心發布了城市大腦探索“數字孿生城市”白皮書,白皮書里特別提到,人類文明歷史上 ,每一次科技大爆發都會重新決定全球城市的經濟排名。未來,城市的數據資源會變成城市發展的戰略 性資源,甚至比土地資源更重要。計算能力會成為城市新的發展動力,城市擁有的計算力總量甚至會決 定城市發展的排名與潛力。 一一BIMCIM 目 錄 CONTENTS 二二CIM數字孿生 三三城市空間數字孿生地下空間數字孿生 四四地下空間數字孿生13、的發展和應用 數字孿生城市出現的背景01 傳統條塊化智慧城市建設方式已現疲態 信息技術加速突破驅動集成創新出現拐點 數字孿生成為城市智能化升級的重要方向 部分城市率先探索實踐數字孿生理念 我國智慧城市建設升級具備現實基礎 數字孿生城市通過空天、 地面、地下、河道等各 層面的傳感器布設,實 現對城市道路、橋梁、 井蓋、燈蓋、建筑等基 礎設施的全面數字化建 模,以及對城市運行狀 態的充分感知、動態監 測,形成虛擬城市在信 息維度上對實體城市的 精準信息表達和映射 精準映射 城市基礎設施、各類部 件建設即有痕跡,城市 居民、來訪人員上網聯 系即有信息。未來數字 孿生城市中,在城市實 體空間可觀察各類14、痕跡, 在城市虛擬空間可搜索 各類信息,城市規劃、 建設以及民眾的各類活 動,不僅在實體空間, 而且在虛擬空間得到極 大擴充,虛實融合、虛 實協同將定義城市未來 發展新模式。 虛實交互 孿生城市針對物理城 市建立相對應的虛擬 模型,并以軟件的方 式模擬城市人、事、 物在真實環境下的行 為,通過云端和邊緣 計算,軟性指引和操 控城市的交通信號控 制、電熱能源調度、 重大項目周期管理、 基礎設施選址建設。 軟件定義 通過在“數字孿生城市” 上規劃設計、模擬仿真 等,將城市可能產生的 不良影響、矛盾沖突、 潛在危險進行智能預警, 并提供合理可行的對策 建議,以未來視角智能 干預城市原有發展軌跡 和運15、行,進而指引和優 化實體城市的規劃、管 理、改善市民服務供給, 賦予城市生活“智慧”。 智能干預 數字孿生城市的內涵特征02 數字孿生城市的總體架構03 數字孿生模式下,提供了一種能力,包括實時、動態、精準、定位、可視化展示,仿真、驗證、回溯,協同、聯動等。城 市的運行狀態將與以往大為不同,可以肯定的是,未來科學發現和智慧應用將會不斷涌現,使我們的生活充滿了驚喜體驗 。 典型 場景 A B C “規建管”協同管控,助力一張藍圖干到底 虛實互動以虛控實,支撐城市一盤棋治理 情景交融以人為本,升級個性主動服務體驗 數字孿生城市的典型場景04 數字孿生城市可一定程度上對城市的人事物進行前瞻性預判,進16、而通過智能交互,實現城市內各類主 體的適應性變化和城市的最優化運作。其核心是高精度、多耦合的城市信息模型。通過加載其上的全 量全域數據,在城市系統內匯集交融,產生新的涌現,實現對城市規律的識別,為改善和優化城市系 統提供有效的指引 城市初始建模的方法 空中城市 3D 模型 地面高精度 3D模型 室內 3D 模型 城市信息模型的構成 城市三維地理信息模型 BIM 建筑信息模型數據 CIM 城市信息模型 模型與數據的協同運行 多源異構城市模型數據 匯聚中心 CIM 數據發布服務 數字孿生城市核心:高精度城市信息模型05 當前城市在感知業務領域,處于各自為政、條塊分割、煙囪林立、 信息孤島的狀態,數17、字孿生城市 將針對不同的應用場景,統籌感知體系建設,統一采集匯聚,實現城市動態數據整合與共享,形成全 域覆蓋、動靜結合、三維立體的規范化、智能化、全聯接的感知布局,實現物理城市在數字城市的精 準映射。 全域布局 智能設施空間布局 標識體系和編碼設計 物聯設備連接管理平臺 數字孿生城市前提:全域布局的智能設施06 提出網絡新需求 融合接入、融合指揮、城市感知、專網專用、資源共享、物理隔離融合接入、融合指揮、城市感知、專網專用、資源共享、物理隔離 接入智能專網 推進推進 5G 網絡的大規模商用、推進有線網絡萬兆接入、網絡的大規模商用、推進有線網絡萬兆接入、 智能專網須全程全網支持智能專網須全程全網18、支持 IPv6、智能專網應制定相應級別網域保護要求、智能專網應制定相應級別網域保護要求 網絡延伸增強 一部分是政務外網及互聯網的補充和延伸一部分是政務外網及互聯網的補充和延伸 另有部分是出于對政務外網或互聯網在某些功能或特性方面的增強另有部分是出于對政務外網或互聯網在某些功能或特性方面的增強 高效運行的智能專網 為支撐數字孿生城市的高效運行,滿足城市各類智能化運行場景需求,保障城市全域空間布局的智能 化設施感知信息流動,須建設地上地下全通達、 有線無線全接入、萬物互聯全感知的城市智能專網 ,才能滿足數字城市與物理城市虛實融合孿生并行的運行模式需求。 數字孿生城市支撐:高效運行的智能專網07 數19、字孿生城市通過城市大腦,匯聚與交融不同來源的數據,如實記錄呈現城市動態,盡可能預見到政 策干預對各個子系統的影響,充分考慮各種規避行為、時間延遲和信息損失等問題,將“自學習、自 優化”功能融入城市管理過程之中,最終達到增加城市系統整體福利的理想效果。 數字孿生模式下城市大腦緊密 圍繞城市信息模型(CIM)和 疊加在模型上的多元數據集合, 充分運用人工智能和深度學習 的技術來治理城市。 PART 1 大腦凸顯自主學習與集中調度 城市全要素數據治理、城市信 息模型和人工智能支撐下的大 腦平臺,組成了數字孿生城市 大腦。 全域數據治理、城市信息模型、 人工智能賦能 PART 2 一體三翼構建數字孿生20、城市大 腦 城市畫像、居民畫像在數字孿 生模式下才能實現。 城市大腦實現運行管理“一盤 棋”。 PART 3 創新全景全要素城市治理新模 式 數字孿生城市重點:智能操控的城市大腦08 城市地下空間是一個巨大而豐富的空間資源, 城市地下空間可開發的資源量為可供開發的 面積、合理開發深度與適當的可利用系數之 積。 地下空間的利用對改善地面環境起著重要作 用。在發展地下交通、降低城市大氣污染的 同時,還應提倡建設城市地下市政管線公用 隧道,將自來水、排污管、供熱管、電纜和 通信線路納入其中,可縮短路線長度達30%, 還易于檢查和修理,不影響地面土地的使用。 城市地下空間數字孿生09 一一BIMCIM21、 目 錄 CONTENTS 二二CIM數字孿生 三三城市空間數字孿生地下空間數字孿生 四四地下空間數字孿生的發展和應用 城市地下空間數字孿生01 “十三五”時期,我國將建立和完善城市地下空間規劃體 系,推進城市地下空間規劃制訂工作。到2020年,不低 于50%的城市完成地下空間開發利用規劃編制和審批工 作,補充完善城市重點地區控制性詳細規劃中涉及地下 空間開發利用的內容。 地鐵,地下管廊是地下空間利用的典范,同時也是人民 生活中不可或缺的部分。 以北京為例,預計到2019年底,北京地鐵總長度為699.3 公里。北京軌道交通日客運量突破1375.38萬人次。所 以,地鐵工程、管廊的建設也成為至關22、重要的一環。 02軌道交通勘察大數據北京市鉆孔密度分布圖 根據鉆孔信息 和地質調查資 料,同時融合 地表BIM模型、 結構BIM模型, 智能化構建地 質、地表、建 筑物一體化的 全矢量三維巖巖 土工程土工程BIMBIM模模 型型。 02綜合物探手段在地質勘察中的應用 u 綜合物探方法探查斷層構造 u 綜合物探方法探查巖溶不良地質情況 u 綜合物探方法探查踩空塌陷區 u 綜合物探方法解決場地條件限制 地質體數字孿生02 地下管線體數字孿生03 (3)工點建模情況 云山道站結構 模型 欣嘉園站結構 模型 地鐵車站數字孿生04 地鐵車站數字孿生04 整體 模型 結構結構 建筑建筑 機電機電 通過BI23、M模型校核預留洞口 的尺寸、位置、數量,從而 減少因返工而造成成本浪費。 相比傳統的設計和工程量統 計方式,BIM技術可實現工 程量的自動檢索、實時統計, 從而可通過對應的計價規則 提高估算、概算和預算的精 準度和時效性。 地鐵隧道數字孿生05 使用三維激光掃描技術對地鐵隧道進行掃描。 可得到以下成果: 1、隧道數字正射影像 2、隧道環片收斂變形情況 3、隧道環片錯臺分析情況 4、隧道環片滲漏水情況 5、隧道環片裂縫情況 6、隧道環片襯砌脫落情況 7、隧道環片與列車行駛限界凈空情況 地質體數字孿生數據地下管線數字孿生數據地鐵施工BIM數據地鐵運營隧道數據 地下交通空間 規劃設計管理平臺盾構施工24、管理平臺運營監測管理平臺 管理層 數據層 安全隱患管理平臺 地下空間數據支撐管理05 規劃設計管理平臺05 打造準確直觀的軌交工程虛擬環境,實現宏觀的三維地表場景與微觀的BIM模型完美融合,真實展示地上、地下工 程環境,再現線路、車站與周邊環境的相對位置關系,指導規劃設計與施工。 地鐵隧道盾構管理平臺05 盾構系統一方面便于管理者全面掌握盾構管理的各項具體信息實現遠程監控,降低管理難度,優 化現有資源;另一方面便于現場施工人員對具體盾構機和施工現場進行監控能夠實現對異常施工 情況和施工安全隱患的迅速反應,保障施工進度和安全。 建立地鐵隧道監測數據管理平臺,能夠實時關注隧道健康信息,了解運營情況25、。通過三維激光掃描可以監測管道內變形,并快速提取隧道斷 面數據,三維激光掃描的引入大大節省人力勞動時間,節約成本 武漢地鐵2、4號線 北京槐房水廠 蘇州地鐵1號線 南寧地鐵1、2號線 長沙地鐵 北京地鐵 運營監測管理平臺05 安全風險與隱患進行分級、分類、系統化管理 智慧工程院為天津地鐵和濱鐵1號線建立了隱患排查系統。 利用PC端和移動端相結合的方式,實時監控施工現場的隱患。 安全隱患排查管理系統05 智能系統、綜合管廊統一管理 共覆蓋管廊管理業務實時監控、安防管理、辦公通訊、日常管理、資產管理、應急處置、大數據分析等7 個領域,同時支持業務定制、模塊擴展。 大屏展示大數據分析管理應用 傳感器數據采集設備自動控制 數據分析 決策反饋 全面感知 智能分析 智慧運維 綜合管廊系統06 謝 謝 Thank you