胡睿博, 陳 珂, 駱漢賓, 曾 恬

(華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

當(dāng)前，全球城市人口膨脹、交通擁堵、環(huán)境污染，嚴(yán)重影響居民生活質(zhì)量[1]。2009年，IBM公司首次提出“智慧城市”的概念，為解決城市發(fā)展問(wèn)題提出新的思路和方法，各國(guó)智慧城市的建設(shè)拉開(kāi)序幕。2013年我國(guó)開(kāi)始推動(dòng)智慧城市的試點(diǎn)工作，取得了諸多成效，但仍然存在一些問(wèn)題，包括城市管理部門和參建單位之間信息溝通不流暢、城市多地重復(fù)拆建問(wèn)題嚴(yán)重、缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)等[2]。因此，如何從信息化、數(shù)字化角度為智慧城市發(fā)展提供支撐成為當(dāng)下的迫切需求。

城市信息模型(City Information Modeling，CIM)作為城市的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為新型智慧城市建設(shè)提供了新方法、新途徑、新工具，并成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。2019年國(guó)家發(fā)改委頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》將CIM的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用設(shè)為鼓勵(lì)性產(chǎn)業(yè)。同年，北京、雄安、廣州、南京、廈門被列為CIM平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)城市。2020年7月，住建部等十三個(gè)部委聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確要求，“探索建立表達(dá)和管理城市三維空間全要素的城市信息模型(CIM)基礎(chǔ)平臺(tái)”[3]，著力解決城市多源信息實(shí)時(shí)融合的問(wèn)題，推動(dòng)CIM在新型智慧城市中的落地。

另一方面，關(guān)于CIM的研究也在不斷涌現(xiàn)和深入。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般從4個(gè)方面對(duì)CIM進(jìn)行研究：概念梳理、元素構(gòu)成、數(shù)據(jù)融合、應(yīng)用場(chǎng)景。在概念梳理方面，汪深等[4]指出建筑是城市的微觀組成部分，因此，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是CIM概念中不可或缺的一部分；Lu等[5]進(jìn)一步提出CIM是微觀建筑模型(如BIM)和宏觀城市地理信息(如GIS(Geographic Information System))的結(jié)合體；隨著物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)技術(shù)的發(fā)展，孫樺等[6]認(rèn)為CIM是包括IoT在內(nèi)的城市動(dòng)態(tài)信息的有機(jī)綜合體。在元素構(gòu)成方面，Xu等[7]的描述較為全面，認(rèn)為CIM由5種元素組成：城市附屬設(shè)施(如公園、路燈)、單體建筑(如結(jié)構(gòu)形式、材料類型)、交通(如道路長(zhǎng)度、走向)、機(jī)電管道、水體(如湖泊、河流)。在數(shù)據(jù)融合方面，Wang等[8]總結(jié)了3種典型方式：BIM平臺(tái)為主GIS為輔，GIS平臺(tái)為主BIM為輔，以及創(chuàng)建第三方平臺(tái)，集成GIS數(shù)據(jù)和BIM數(shù)據(jù)。在應(yīng)用場(chǎng)景方面，Song等[9]認(rèn)為CIM技術(shù)能夠應(yīng)用在建設(shè)項(xiàng)目的全生命周期，例如項(xiàng)目初期的時(shí)空規(guī)劃[10]，項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中材料供應(yīng)鏈管理和可視化監(jiān)控[11]，項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)中的能耗評(píng)估[12]。雖然已有文獻(xiàn)對(duì)上述CIM的某些方面進(jìn)行了綜述，但主要側(cè)重于CIM元素構(gòu)成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)[13,14]，尚未對(duì)CIM概念演化及應(yīng)用場(chǎng)景方面的研究進(jìn)展進(jìn)行全面檢索和深入分析。

鑒于此，本文廣泛搜集將CIM應(yīng)用到城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維全過(guò)程的代表性文獻(xiàn)，對(duì)CIM概念發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，在此基礎(chǔ)上，提出CIM的應(yīng)用框架，總結(jié)CIM應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)，為今后CIM的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

本文采用的主要方法為文獻(xiàn)分析法，具體流程如圖1所示。首先，開(kāi)展全面的文獻(xiàn)檢索，隨后通過(guò)閱讀每篇文獻(xiàn)標(biāo)題及摘要，剔除與本文研究目標(biāo)無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)。篩選出目標(biāo)文獻(xiàn)后，進(jìn)一步閱讀正文內(nèi)容，提取相關(guān)信息并進(jìn)行分析。以下將重點(diǎn)介紹文獻(xiàn)檢索和文獻(xiàn)剔除機(jī)制兩方面。

圖1 文獻(xiàn)分析法流程

本文通過(guò)Scopus和Google Scholar數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)檢索文獻(xiàn)。Scopus被公認(rèn)為全球范圍內(nèi)較權(quán)威的數(shù)據(jù)庫(kù)之一，但仍有部分有參考價(jià)值的同行審議期刊未被收錄，如“Journal of Information Technology in Construction”，這些遺漏的文獻(xiàn)通過(guò)Google Scholar數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充。本文采用模糊檢索詞法，分別使用檢索詞“City Information Model*”和“BIM”AND“GIS”AND“integrat*”進(jìn)行檢索。因?yàn)椤癈IM”一詞近些年才較多地被研究領(lǐng)域使用，較早的諸多文獻(xiàn)雖未提及CIM，但實(shí)質(zhì)上研究了城市或區(qū)域尺度的信息模型，且模型顆粒度達(dá)到了設(shè)施內(nèi)部構(gòu)件的級(jí)別，尤其是BIM和GIS的結(jié)合，所以采用以上兩個(gè)檢索詞進(jìn)行檢索的文獻(xiàn)不僅代表性更強(qiáng)，而且覆蓋范圍更廣。此外，本文設(shè)置了檢索條件，例如檢索語(yǔ)言為“English”，文獻(xiàn)類型為“Article”和“Conference Paper”，即同行評(píng)議的期刊論文和會(huì)議論文，這些文獻(xiàn)通常比其他類型文獻(xiàn)的質(zhì)量更高。

本文文獻(xiàn)檢索于2020年8月14日進(jìn)行，從Scopus和Google Scholar分別檢索到符合限定條件的文獻(xiàn)為268篇和439篇。通過(guò)剔除重復(fù)的、與CIM在城市規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)維中應(yīng)用無(wú)關(guān)的、沒(méi)有提供充足技術(shù)及應(yīng)用細(xì)節(jié)的文獻(xiàn)，最終篩選出129篇文獻(xiàn)做進(jìn)一步分析，這些文獻(xiàn)的主要期刊來(lái)源如表1所示。

2 CIM概念演化

本文首先對(duì)篩選出的129篇文獻(xiàn)按年份進(jìn)行分類，如圖2所示。二十年間發(fā)表文獻(xiàn)的數(shù)量呈現(xiàn)一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)。

圖2 CIM文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)量(篇)及概念演化

從圖2中可以看出，“CIM”一詞最早是在2000年Billen[15]一文中出現(xiàn)，Billen認(rèn)為CIM是城市尺度的三維GIS模型，由建筑物、植被、交通網(wǎng)、公共設(shè)施和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。由于這種概念與近年來(lái)研究領(lǐng)域的認(rèn)知有差距，沒(méi)有細(xì)化到模型的設(shè)施內(nèi)部構(gòu)件，所以可被認(rèn)為是CIM概念的萌芽期。在此后六年，由于相關(guān)技術(shù)發(fā)展緩慢，CIM極少被提及。隨著B(niǎo)IM的發(fā)展，CIM在2007年重新回到視野。Isikdag等[16]首次提出將BIM模型導(dǎo)入到ArcGIS平臺(tái)中，用以支持火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)，為CIM進(jìn)一步發(fā)展提供了重要參考。截至今日，CIM平臺(tái)仍以BIM和GIS的融合為核心構(gòu)建。在IoT技術(shù)日益成熟的背景下，2015年，Isikdag[17]認(rèn)為將該技術(shù)融入到CIM平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)城市動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的交互，能夠覆蓋更為全面的智慧城市應(yīng)用場(chǎng)景。2020年，Lehner等[18]將CIM視作城市尺度的數(shù)字孿生體，期望CIM在大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型和物理實(shí)體之間的智能交互。

雖然上述文獻(xiàn)對(duì)CIM的概念進(jìn)行了有益的探索，但不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外仍未對(duì)CIM定義達(dá)成共識(shí)。為進(jìn)一步明確CIM的內(nèi)涵和外延，在分析了CIM概念的演化后，參考美國(guó)BIM國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS)和丁烈云院士[19]對(duì)BIM概念的表述，筆者嘗試從“City”“Information”“Model/Modeling”三方面對(duì)CIM概念進(jìn)行解讀：(1)City代表CIM的覆蓋范圍?！俺鞘小笨梢詫?shí)體化為某個(gè)城市、某個(gè)園區(qū)、某個(gè)社區(qū)、街道等，但它對(duì)建模能力的要求應(yīng)該是城市級(jí)別的，同時(shí)要求模型細(xì)度能精確到建筑內(nèi)部的某個(gè)部件；(2)Information是CIM的核心，它為城市發(fā)展的各個(gè)階段、各個(gè)參與方提供各種與城市管理相關(guān)的信息，包括幾何信息、語(yǔ)義信息、物理信息等；(3)Model/Modeling不僅是CIM信息的創(chuàng)建和存儲(chǔ)方式，也通過(guò)各種智能算法下的數(shù)據(jù)分析為城市全壽命周期管理提煉新知識(shí)。

3 CIM應(yīng)用現(xiàn)狀

2019年12月，慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合西門子企業(yè)，以“建筑環(huán)境下的數(shù)字孿生體”為主題舉辦國(guó)際大會(huì)。該會(huì)議對(duì)CIM的應(yīng)用場(chǎng)景決定了其模型細(xì)度及框架達(dá)成共識(shí)[20]。由于CIM覆蓋的范圍十分廣泛，在不考慮CIM具體應(yīng)用場(chǎng)景的情況下提出詳盡的CIM框架幾乎是不可能的。圍繞城市全壽命周期的主要方面，本章對(duì)篩選出的129篇文獻(xiàn)按城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維三方面進(jìn)行了CIM具體應(yīng)用類型的統(tǒng)計(jì)和分析，如圖3所示，不超過(guò)2篇文獻(xiàn)的應(yīng)用類型均歸入“其它”。本章將重點(diǎn)闡述和分析在城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維中排名前3位的應(yīng)用類型。

圖3 城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維中CIM應(yīng)用文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)/篇

3.1 規(guī)劃方面

將CIM應(yīng)用于城市規(guī)劃的文獻(xiàn)數(shù)量最少，總計(jì)28篇。因?yàn)樵谝?guī)劃時(shí)期對(duì)信息模型細(xì)度的要求并不高，在大部分情況下僅需GIS數(shù)據(jù)(例如建筑外部輪廓)就足以滿足規(guī)劃需求。不過(guò)，仍有部分研究利用CIM模型的內(nèi)部構(gòu)件信息進(jìn)行城市規(guī)劃方面的優(yōu)化。下面將分別從城市空間布局優(yōu)化、規(guī)劃許可程序自動(dòng)化、公路線路規(guī)劃與糾偏3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)CIM應(yīng)用進(jìn)行探析。

在城市空間布局優(yōu)化方面，CIM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有助于根據(jù)區(qū)域尺度的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，形成使城市總體能耗最小的空間布局方案。例如，Yamamura等[21]提出了基于CIM的能源規(guī)劃系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括GIS技術(shù)下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析模塊，BIM輔助下的城市能源最優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊，以及3D可視化呈現(xiàn)模塊，以此來(lái)獲取城市基礎(chǔ)設(shè)施能源規(guī)劃的最優(yōu)空間布局方案。Mohamed等[22]考慮得更加細(xì)致，通過(guò)CIM模型獲取建筑類型、建筑面積、建設(shè)起始和終止時(shí)間、預(yù)計(jì)居住人口等信息，并分析不同開(kāi)發(fā)方案下的淡水消耗量、下水管道容量和電能需求量，以此優(yōu)化城市空間布局方案。這有助于城市規(guī)劃部門在城市發(fā)展或擴(kuò)張的早期階段做出更精準(zhǔn)的決策。

建筑規(guī)劃許可程序繁瑣，規(guī)劃專家審核規(guī)劃方案是否符合規(guī)定，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和資源(人力、物力、財(cái)力)。采用CIM技術(shù)能夠自動(dòng)化審批過(guò)程。例如，Noardo等[23]將城市規(guī)劃的規(guī)定信息(如建筑物的限高)接入到CIM平臺(tái)中，根據(jù)CityGML標(biāo)準(zhǔn)將不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。這樣，在某個(gè)設(shè)計(jì)模型載入到該平臺(tái)后，就能實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程方案和城市規(guī)劃的規(guī)定信息相匹配，并自動(dòng)識(shí)別出違規(guī)數(shù)據(jù)(如建筑物高度超出該市限制高度)，以此提高審批效率。在此基礎(chǔ)上，Chognard等[24]進(jìn)一步提出建筑許可“數(shù)字審批”的概念，認(rèn)為該理念支持下的系統(tǒng)應(yīng)該包括3個(gè)步驟：(1)將地籍?dāng)?shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)等GIS數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)接入到BIM模型中；(2)將該城市規(guī)劃的規(guī)定數(shù)據(jù)輸入到BIM模型中，對(duì)相關(guān)限制參數(shù)(如相鄰建筑物之間的距離)進(jìn)行篩選，更正與規(guī)定不符的參數(shù)；(3)將更新的BIM模型導(dǎo)出到該市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

高速公路線路方案規(guī)劃極易受到周圍地理環(huán)境的影響，綜合考慮道路和周圍地理環(huán)境信息能夠較大程度地減輕公路修建時(shí)地質(zhì)災(zāi)害的影響。例如，Zhao等[25]在高速公路BIM模型的基礎(chǔ)上融合GIS信息，綜合分析不同規(guī)劃方案下地質(zhì)和地理狀況，以此避免道路規(guī)劃中的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境敏感區(qū)。同時(shí)，在CIM平臺(tái)中植入優(yōu)化算法進(jìn)一步糾正高速公路的規(guī)劃路徑。類似地，Soilan等[26]通過(guò)激光掃描等技術(shù)獲取公路覆蓋區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)中，實(shí)現(xiàn)該規(guī)劃方案下道路內(nèi)外部環(huán)境的虛擬化呈現(xiàn)，檢測(cè)道路線路是否對(duì)齊，顯示道路規(guī)劃的異常區(qū)域。

3.2 建設(shè)方面

將CIM應(yīng)用于城市建設(shè)階段的文獻(xiàn)數(shù)量為30篇。本節(jié)將重點(diǎn)分析建筑供應(yīng)鏈管理、施工場(chǎng)地規(guī)劃、安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

CIM支持下的建筑供應(yīng)鏈管理能夠?qū)崟r(shí)跟蹤建筑材料所處位置并對(duì)物料流向路徑進(jìn)行優(yōu)化。例如，Irizarry等[27]從BIM設(shè)計(jì)模型中提取每種材料甚至每個(gè)構(gòu)件的用量信息，利用路網(wǎng)信息從采購(gòu)成本(如運(yùn)輸成本)的角度對(duì)潛在的供貨商進(jìn)行比選。在采購(gòu)物料過(guò)程中，通過(guò)CIM的可視化功能對(duì)物流狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并優(yōu)化物料的運(yùn)輸路徑。Deng等[28]進(jìn)一步提出將4D BIM數(shù)據(jù)和用戶輸入數(shù)據(jù)(如報(bào)價(jià)單和項(xiàng)目變更條目)導(dǎo)出IFC數(shù)據(jù)格式，再通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接入至ArcGIS平臺(tái)，使得CIM的分析功能更加全面，包括考慮了材料成本和質(zhì)量的供應(yīng)商選擇、物流周轉(zhuǎn)次數(shù)優(yōu)化及集散中心的分布位置優(yōu)化等。

施工場(chǎng)地規(guī)劃是否合理關(guān)系到施工人員的工作效率以及工作環(huán)境的安全性。CIM指導(dǎo)下的施工場(chǎng)地規(guī)劃在縮減項(xiàng)目進(jìn)度及成本的同時(shí)能有效提高工作效率和環(huán)境安全性。例如，Li等[29]主要從技術(shù)角度，利用無(wú)人機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、數(shù)字相機(jī)、BIM模型和谷歌3D地圖對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行3D重建，構(gòu)建施工區(qū)域的“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，并設(shè)想該系統(tǒng)在項(xiàng)目實(shí)施前期的規(guī)劃過(guò)程中，可完成建設(shè)可行性分析、場(chǎng)地布局規(guī)劃、進(jìn)場(chǎng)交通規(guī)劃等需要工地及附近建筑和社區(qū)空間信息的任務(wù)。Alsaggaf等[30]則利用CIM技術(shù)落實(shí)了前者提出的部分應(yīng)用設(shè)想，Alsaggaf提出的CIM平臺(tái)包括4個(gè)主要功能：(1)整合BIM和GIS工具的3D模型功能；(2)場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸路線規(guī)劃功能；(3)臨時(shí)設(shè)施場(chǎng)內(nèi)布局預(yù)演功能；(4)碰撞檢測(cè)(如運(yùn)輸車之間的碰撞)功能，用于優(yōu)化場(chǎng)內(nèi)的空間布局和交通運(yùn)輸路徑。

考慮多方位、多尺度、多時(shí)態(tài)的信息數(shù)據(jù)有助于管理復(fù)雜項(xiàng)目施工過(guò)程中的安全問(wèn)題。例如，Lee等[31]開(kāi)發(fā)的CIM平臺(tái)融合了BIM數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)和施工現(xiàn)場(chǎng)的傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色Verhuls優(yōu)化算法，能夠準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的位移風(fēng)險(xiǎn)。在更為復(fù)雜的水利水電工程建設(shè)過(guò)程中，Zhang等[32]在CIM可視化平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和分析系統(tǒng)，用于解決大壩建設(shè)過(guò)程中安全性和穩(wěn)定性的問(wèn)題。同時(shí)，指出該工程引入IoT技術(shù)將更有利于安全風(fēng)險(xiǎn)的管理。

3.3 運(yùn)維方面

城市的運(yùn)行和維護(hù)需要不同尺度的時(shí)空數(shù)據(jù)(例如室內(nèi)、室外信息，城市歷史、現(xiàn)在及未來(lái)信息)，而CIM能夠很好地滿足這些數(shù)據(jù)需求。因此，將CIM應(yīng)用于城市運(yùn)維的文獻(xiàn)數(shù)量最多，為71篇。下文將重點(diǎn)介紹城市能耗模擬與優(yōu)化、城市危險(xiǎn)源應(yīng)急模擬、古建筑維護(hù)3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

在城市能耗模擬與優(yōu)化方面，Bottaccioli等[33]提出了用于管理和模擬建筑物能源行為的CIM應(yīng)用架構(gòu)，該架構(gòu)集成了BIM、IoT、GIS和氣象服務(wù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，用于建筑環(huán)境中能源消耗信息的實(shí)時(shí)顯示，以及根據(jù)實(shí)時(shí)的天氣條件數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑性能評(píng)估。類似地，Castro-Lacouture等[34]提供了整合來(lái)自GIS、BIM、施工進(jìn)度、施工成本和施工審查信息的CIM系統(tǒng)，旨在設(shè)計(jì)一種以CIM為輔的城市社區(qū)住宅健康環(huán)境，并將該系統(tǒng)作為一種城市可持續(xù)運(yùn)營(yíng)的干預(yù)手段，優(yōu)化城市系統(tǒng)能源性能并減少碳排放。

覆蓋單體建筑和建筑群的CIM仿真系統(tǒng)能夠有效提高危險(xiǎn)源應(yīng)急響應(yīng)效率，對(duì)應(yīng)急管理活動(dòng)意義重大。例如，Xu等[7]以校園火災(zāi)應(yīng)急為應(yīng)用場(chǎng)景，在CIM技術(shù)支持下將整個(gè)應(yīng)急管理活動(dòng)分為4個(gè)階段：預(yù)警階段、決策階段、執(zhí)行階段和災(zāi)后重建階段。具體的，在決策階段，利用GIS信息提供實(shí)時(shí)交通信息，計(jì)算最優(yōu)救援路線；在執(zhí)行階段，利用BIM信息分析建筑內(nèi)部空間分布狀況，計(jì)算受災(zāi)人員的最佳逃生路線。相較于單一危險(xiǎn)源分析，Lu等[5]提供了一個(gè)融合地震、風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)多危險(xiǎn)源的CIM應(yīng)用場(chǎng)景。該研究將GIS和BIM數(shù)據(jù)集成到SuperMap GIS 9D軟件后，把相關(guān)數(shù)據(jù)接入到各類專業(yè)分析軟件(如有限元分析軟件)中進(jìn)行危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)模擬，輔助城市管理者在多災(zāi)種同時(shí)出現(xiàn)時(shí)做出更有效的應(yīng)急決策。

古建筑維護(hù)不僅涉及建筑本身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，而且與周圍環(huán)境、歷史文化傳承等多元信息相關(guān)。Argenziano等[35]以龐培城遺跡為例，構(gòu)建了該歷史建筑群的CIM模型，用于模擬該建筑群不同朝向的電離輻射程度，旨在探索該遺跡的火成巖建筑材料和電離輻射及周圍人居健康之間的因果關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化歷史遺跡的維護(hù)方案。類似地，Tsilimantou等[36]以希臘古建筑為例，將GIS和BIM信息集成到統(tǒng)一的數(shù)字環(huán)境下，通過(guò)檢索該環(huán)境中的空間拓?fù)潢P(guān)系、三維幾何尺寸、建筑材料特征等信息，分析當(dāng)前古建筑的健康狀況，為翻修材料的選擇和相關(guān)干預(yù)措施提供重要的決策信息。更有意義的是，承載了多元信息(例如翻修記錄、歷史文化)的古建筑CIM模型作為歷史記憶中的一部分，能被更好地存儲(chǔ)和傳承[37]。

4 CIM應(yīng)用框架

盡管已分析的文獻(xiàn)中有部分涉及到CIM應(yīng)用框架的探索，但均是基于特定場(chǎng)景下的框架分析。本章嘗試在已分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出泛場(chǎng)景下CIM的應(yīng)用框架，為未來(lái)CIM的應(yīng)用和研究提供方向和思路。

如圖4所示，本文提出的CIM應(yīng)用框架包括4個(gè)層次：數(shù)據(jù)來(lái)源層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及檢索層、數(shù)據(jù)分析層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)來(lái)源層是數(shù)據(jù)獲取的途徑，BIM文件用來(lái)獲取CIM的微觀數(shù)據(jù)，如設(shè)施內(nèi)部構(gòu)件信息；GIS文件用來(lái)獲取CIM的宏觀數(shù)據(jù)，如城市路網(wǎng)信息；IoT技術(shù)用來(lái)獲取城市元素的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如某個(gè)設(shè)施的溫度變化；此外，對(duì)于臨時(shí)變更的信息，如項(xiàng)目變更數(shù)據(jù)，需要用戶及時(shí)輸入到CIM平臺(tái)。

圖4 CIM應(yīng)用框架

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索層是CIM應(yīng)用平臺(tái)的核心，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要調(diào)用城市中不同元素的數(shù)據(jù)。例如，火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，主要調(diào)用建筑內(nèi)部空間信息、路網(wǎng)信息以及水體信息。該層級(jí)的技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多源信息融合，而信息融合的關(guān)鍵是統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

目前，已有文獻(xiàn)更多地側(cè)重于以IFC數(shù)據(jù)格式為主的BIM信息和以CityGML數(shù)據(jù)格式為主的GIS信息的交互研究。在IoT技術(shù)快速發(fā)展的背景下，如何進(jìn)一步融合RFID(Radio Frequency Identification)、攝像頭等動(dòng)態(tài)傳感器數(shù)據(jù)是未來(lái)研究的熱點(diǎn)之一[38]。

數(shù)據(jù)分析層是在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中檢索到不同類型的數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境下，利用特定的算法和分析模型，解決某一應(yīng)用場(chǎng)景下的具體問(wèn)題，如資源調(diào)度最優(yōu)化問(wèn)題。該層級(jí)未來(lái)的發(fā)展方向是利用人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)某一特定場(chǎng)景的數(shù)據(jù)智能分析[39]。

在應(yīng)用層中，CIM要實(shí)現(xiàn)對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維應(yīng)用場(chǎng)景的可視化呈現(xiàn)。由于技術(shù)、理念、制度等發(fā)展得不夠完善，目前關(guān)于CIM的應(yīng)用場(chǎng)景仍然是碎片化的[8]。如何利用CIM平臺(tái)進(jìn)行城市綜合治理是未來(lái)CIM應(yīng)用的發(fā)展方向。

值得注意的是，在城市全壽命周期的管理中，隨著越來(lái)越多的參與者加入到CIM平臺(tái)建設(shè)中，例如政府部門、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等，數(shù)據(jù)隱私性愈加受到關(guān)注。相應(yīng)地，確保CIM模型中所有數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)、傳遞和應(yīng)用則變得尤為重要。目前，采用了分布式網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈技術(shù)是解決數(shù)據(jù)安全問(wèn)題的最優(yōu)方案之一[40]。雖然該技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)的安全性并降低平臺(tái)運(yùn)行成本，但將其充分運(yùn)用到CIM數(shù)據(jù)安全管理中來(lái)，仍有很長(zhǎng)的路要走。

5 結(jié) 論

本文從Scopus和Google Scholar數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出將CIM應(yīng)用于城市全生命周期的129篇文獻(xiàn)，進(jìn)行系統(tǒng)性分析，旨在探究CIM在此領(lǐng)域的概念演化、應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)的應(yīng)用框架。結(jié)果顯示：(1)CIM概念向城市范圍的數(shù)字孿生體演化；(2)CIM的應(yīng)用研究主要集中在城市運(yùn)維方面；(3)城市規(guī)劃方面，典型的CIM應(yīng)用場(chǎng)景包括城市空間布局優(yōu)化、規(guī)劃許可程序自動(dòng)化、公路線路規(guī)劃與糾偏；(4)城市建設(shè)方面，典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括建筑供應(yīng)鏈管理、施工現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃、安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控；(5)城市運(yùn)維方面，典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括城市能耗模擬與優(yōu)化、城市危險(xiǎn)源應(yīng)急模擬、古建筑維護(hù)。最后，基于文獻(xiàn)分析情況，本文提出了CIM應(yīng)用框架，并指出CIM未來(lái)發(fā)展方向，包括融合IoT技術(shù)下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、人工智能下的智能分析、基于CIM的城市綜合治理以及CIM數(shù)據(jù)安全保護(hù)。本文的研究可以為CIM在城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維方面的理論和實(shí)踐提供參考。