0 引 言
据统计，我国近几年年均产生的建筑垃圾总量约为15.5亿～24亿t，巨量的建筑垃圾处置是城市管理所面临的挑战[3]。建筑垃圾占用大量土地资源，影响空气质量、污染水域、破坏市容环境卫生，并存在安全隐患。因此，建筑垃圾精准管控技术体系的研究具有重要的现实意义[7]。
1 “BIM+GIS”与建筑垃圾
1.1 “BIM+GIS”概述
BIM即“建筑信息模型”，可将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成，方便工程各参与方使用[1]，通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型[2]。该模型是对1个设施的实体和功能特性的数字化表达方式。建筑信息模型是建筑学、工程学及土木工程的新工具[4]，以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性5大特点[5-7]。
地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。从技术和应用的角度，GIS是解决空间问题的工具、方法和技术；从学科的角度，GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；从功能上，GIS具有空间数据的获取、存储、现示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；从系统学的角度，GIS具有一定结构和功能，是一个完整的系统。GIS作为一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛地应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统[8]。
1.2 “BIM+GIS”推动建筑垃圾精准管控
BIM是建筑物内部空间布局及相关管理信息的载体，而GIS可以展示城市总体布局，将BIM模型与GIS平台相融合[9]，BIM模型可在GIS上等比展示，其携带的大量工程建设信息也将一同显示在GIS地图上，为建筑垃圾监管、处理人员提供定位准确、信息完整、高仿真的BIM建筑垃圾可视化的运维管理和应急响应服务[10]。授权人员可以在地图上总览建筑垃圾发生源地理位置，查询建筑种类、产量，调阅建筑垃圾消纳场实时监控影像，直观地了解全市或某个单体建筑物产生建筑垃圾信息的同时，还可以对建筑垃圾后续的清运、处置进行在线的监督与管理[11，12]。
建成后的“BIM+GIS”是一个专业应用系统，系统基于 BIM+GIS 平台进行应用开发，用于管理具备某一类标准形态、包含拓扑信息及资产信息的城市建筑和地下设施，涵盖地表、地上、地下等多维动态空间信息[13]。系统可满足建筑垃圾监管部门的管理应用需求，为建筑垃圾清运单位提供实时监测与最优化调配运输的决策方案，对各种可能发生的事故进行预警，并为事故处理提供决策支持，加强设施的管理，为实现建筑垃圾精准管控创造良好的内部环境[14，17]。
2 研究内容
2.1 BIM+GIS融合与智能安全协同平台研发
1)基于BIM的建筑垃圾全过程决策管理系统架构的理论研究及模型的搭建。其工作主要包括：信息的采集方法、信息的传递、信息的储存、信息的编码与归类、方案的决策理论、方案的制定与优选等。具体决策管理系统架构如图1所示[15]。
图1 BIM信息集成管理系统平台
Figure 1 BIM information integrated management system platform
2)对BIM信息集成管理系统平台功能进行设计。BIM信息集成管理系统平台由平台管理和信息集成管理两大模块组成。其中，平台管理模块主要针对系统平台的管理人员，主要对平台的用户进行管理以及系统的更新维护。信息集成管理模块主要针对项目各参与方，用户进行注册登录后，可以通过数据存储与访问、BIM模型应用等功能模块对工程项目信息实施管理与应用。该模块是信息集成管理系统平台的核心。
3)BIM信息集成管理系统平台的数据储存与访问功能进行设计。选用Oracle和SQLServer等大型关系型数据库，满足多项目多专业对海量数据的存储与使用需求，支持多用户的并行数据访问。采用基于角色的访问控制，根据人员的不同角色设置相应的权限，如结构专业人员一般情况下只能对本专业有读写权限，来对数据的读、写、修改、删除或提取进行控制，保证数据访问与使用的安全性[16]。
4)对BIM信息集成管理系统平台软件开发功能设计。通过提供统一的API(application programming interface，应用程序编程接口)，使用户能直接对IFC数据进行编程扩展，免于处理IFC标准复杂的实体之间的关系，可根据专业应用需求进行程序开发。
5)对BIM信息集成管理系统平台提供模型视图展示以及BIM软件应用功能。使得用户可以直接对信息模型进行浏览，选择不同的信息模型显示选项，查看组成信息模型的构件并获取构件的相关属性，再通过各专业软件对建筑信息模型进行各种性能模拟分析，完成各专业间数据的交换和共享，实现项目各参与方之间的协同工作。完成后BIM信息集成管理系统平台如图1所示。
6)GIS系统的开发与关键技术攻关。GIS的设计技术，主要包括应用平台的选择、系统开发方式的选择、系统开发工具的选择、系统组成结构的建立、系统基本功能的设计、系统开放接口的设计6部分。实现对 GIS 技术的应用与开发则应攻克以下4大关键技术问题：①系统风格的总体设计；②系统集成方法；③数据的采集难题；④GIS图层的合理构建[18]。
2.2 建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台的搭建
1)各子系统的集成。研究信息集成、功能集成、软件界面集成等多种集成技术，集成建筑垃圾发生源特性信息，运输监管调配信息，堆放、填埋、消纳最终处置信息以及资源化回收再利用信息。开发建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台。
2)建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台功能的实现。研究BIM建筑垃圾精确预测模型、天地一体化快速识别技术体系与监测系统、建筑垃圾运输与监管模型、建筑垃圾环境风险评估与安全风险预警预报等功能的实现方法。
3)建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台建设标准的制定。研究平台开发、集成过程中的通用约定、各子系统集成接口形、与监控设备的通信协议，以及调用接口、数据字典库、数据格式、数据采集频率、数据输出形式及频率、编码方式、数据加密及验证方法等内容，制定建筑建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台建设标准，指导平台集成工作。
4)建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台工程示范。在工程示范项目中组织培训与推广应用，在推广应用阶段，不断完善集成平台功能，不断贴近用户的使用习惯，成为建筑垃圾精准管控工作的有效工具。建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台研究思路如图2所示。
图2 建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台研究思路
Figure 2 Research idea of real-time monitoring and intelligent control platform for the whole process of construction waste
2.3 建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台的工作机制
建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台，将作为数字化城市管理系统的子系统发挥作用。而数字化城市管理系统建设,可实现系统、地点、功能、资源、信息和地点5个方面资源的整合,整合现有的城市应急管理、电子视频监控、市长热线等系统及功能,共享视频、共享数据、共享服务,并从分散式建设机房直接整合到市应急联动中心,构建信息交流枢纽。“统一监督”即建立独立的全市数字化城市管理监督中心,对全市的城市管理进行有效监督[19]。数字化城市管理信息系统是通过对城市管理对象的数字化,以1 hm2为1个单元,将城市划分为若干个管理网格;鉴于城市建筑垃圾处置3个环节(产生、运输、消纳处置)管理的特殊性,分别对3个环节确定建筑垃圾管理信息子系统网格、部件和事件的划分原则[20]。
1)网格、部件和事件的划分原则。
建筑垃圾源头产生环节,网格以城区辖区范围为单元划分;部件以建设项目红线图范围为单元划分;事件管理主要是对建筑垃圾处置核准和调剂利用。
建筑垃圾运输环节,网格以城区辖区范围为单元划分;部件以运输企业为单元划分;事件管理主要监控管理建筑垃圾运输过程中的抛洒遗漏、违规弃土。
建筑垃圾消纳处置环节,网格以城区辖区范围为单元划分;部件以建筑垃圾消纳场为单元划分;事件管理主要是对擅自违规设立消纳场地、弃土滑坡突发事件的监控和临时消纳场的监管[21]。
2)网格、部件和事件管理信息互通机制。
网格、部件和事件管理信息整合包括处置排放申报核准信息、车辆运输市场信息、调剂消纳处置信息3个部分：①建设项目在建设主管部门报批手续的信息与建筑垃圾处置排放申报核准信息互通机制,有利于对建设项目施工过程中建筑垃圾排放量、处置计划的核准和监管；②公安、交通部门的车辆信息和建筑垃圾运输行政许可信息与行政执法信息互通机制,有利于对建筑垃圾运输许可核准和运输过程中的抛洒遗漏、违规弃土的监控和联合执法管理；③国土部门土地权属信息和规划部门城市建设规划信息与建筑垃圾调剂消纳处置信息互通机制,有利于合理设置临时消纳场和违规弃土的整治管理。
3)建筑垃圾管理系统运行管理机制。
数字化建筑垃圾管理既需技术的支撑,又需机制的保障。结合各地市目前城市建筑垃圾管理实际,制定《数字化城市建筑垃圾管理实施办法》《建筑垃圾管理事件、部件处置标准和时限》《数字化城市建筑垃圾管理处置流程》等管理办法，建立“市级统一受理、市区及部门协同指挥、各相关单位处置问题”的工作机制[22]。
3 平台成效预测与分析
1)编制统一规范标准。
在建设“BIM+GIS”建筑垃圾精准管控一体化平台的过程中，需要具有编制《建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台集成标准》规范的集成平台，确保平台的统一性、稳定性、可扩展性。
2)基于Web3D的BIM+GIS融合技术平台的研发。
将多源异构数据整合到GIS与BIM相互融合的统一平台，以轻量级Web3D技术实现各类建筑垃圾全过程实时监测数据的互联网可视化管控服务。本平台在功能上能够实现虚拟空间展示、信息发布、数据分析、风险评价、预警预报、应急处置、综合管理、统计分析等功能；在性能上，能够保证软件平台稳定、可靠、响应速度快、可操作性强；在安全性上，能够防止重要数据信息的泄漏、保障软件平台运行的安全。
3)编制统一规范标准。
建立建筑垃圾全过程实时监测与智能管控平台；实现调配控制量占建筑垃圾产生量的95%以上。依托数字化城市管理信息系统，逐步建立城市建筑垃圾信息化管理平台，并以信息化平台建设为基础建设建筑垃圾供需信息系统，提升建筑垃圾综合利用的社会化、规范化水平。
4 结 论
基于“BIM+GIS”技术，逐步建立城市建筑垃圾信息化管理平台，并以信息化平台建设为基础建设建筑垃圾供需信息系统，提升建筑垃圾综合利用的社会化、规范化水平。建筑垃圾全过程实时监测和智能管控平台在设计时面向服务和数据共享，建立并提供基于建筑行业资源化利用的综合服务，并提供标准的开放数据接口，实现与其他系统的数据共享。管控平台的数据能多维度收集，并建立数据间关系，提供多维度数据校验和分析，实现数据闭环式管理。结合数字城市管理平台的建设和应用，为政府监管提供有效的支撑；平台为用户提供信息化工具，可提升清运企业的运行效率；利用平台的标准化流程，城管部门同步建立源头核准和特许经营资质的发放，促进政府、社会、企业的有机融合、协同共治。企业通过在线的商务活动，根据市场要素相互制约，形成企业自管和政府监管的双效治理生态。
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