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城市信息模型(CIM)
关键词: 建筑信息模型 | 地理信息系统 | 物联网 | 三维数字空间 | 数字孪生 | 智慧城市 | 城市信息模型 | CIM | 城市信息模型基础平台 |


一、什么是城市信息模型?

城市信息模型( city information modeling,CIM):以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IoT)等技术为基础,整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。

(参考资料:《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则》)


二、城市信息模型(CIM)概念的发展演化


CIM概念的缘起:CIM概念的提出缘起于上海世博会。


针对上海世博园区256个场馆,不同国家的设计方案及其采用的不同软件使数据无法合一的问题,吴志强作为上海世博园区的总规划师,2005年在总规划师办层面提出要求:所有提交的规划设计方案必须采用统一 BIM(Building Information Modeling)标准。同时,由总规划师牵头,总师办研发可以承载单体建筑设计的CIM平台。当时的“C”,指的还不是City,而是Campus。


世博会结束后的2011年,CIM中的“C”的含义已经扩展到了“City”——城市的范围。2016年,在北京城市副中心的规划设计中进行了深度开发实践,将建筑指标、人口指标、学校、医院、能耗、就业等通过CIM平台进行精准分析,为未来的城市精细管理提供智能平台,这也是CIM技术在大规模城市规划设计实践中的率先尝试和成功落地的应用。2017年起,城市规划行业经历了从BIM走向CIM,走向城市规划、建造、运营、管理全生命周期的智能化过程。将AI技术导入到CIM中,将CIM提升到了“CIMAI”的新高度。


C-City城市:CIM的“C”指“城市”,这里“城市”的边界怎么来确定?城市是否属于自然资源的管理范畴呢?


国家空间管理,实际上是国家的生态、生产和生活空间及其装备的管理总和。都江堰就是祖先两千年前就为我们的生态、生产和生活空间准备好的工程装备,使人民在此空间中受益了两千多年。又有些没有装备好的空间,如黄河,就在历史上经常改道造成灾害空间。数千年来,人们不断地逐步装备好城市,使其成为人类集聚财富和智慧的生态、生产和生活的地方。


生态、生活与生产空间及其装备的管理,是各个文明发展永恒的课题。在我国的封建社会时期,讲的是“普天之下,莫非王土”,直到现代思想导入后有了改变。最早设想规划国土空间总布局的当推孙中山先生,《建国大纲》设想在什么地方建东方大港、什么地方应该建铁路、什么地方应该建大都会,筹划的是整个国家空间的总布局,也体现了家国情怀的总体理性思考。


一个国家是社会、经济、人口、历史、文明和生态在一个特定空间里的整体。它是一个底盘,孤立地考虑城市或者自然都是片面的。做国家空间治理,不必纠结于城市还是自然。很多国家部委的设立也是与时俱进的,如法国最早设立城市发展与空间装备部,后来不断改名,发展成为了空间规划、交通、自然资源等相关领域的主管部门,又改为“可持续发展部”。我国以后的空间治理也是遵循“可持续发展”的规律,开拓生态文明的历史需求,应把所有的空间要素都考虑进去。


I-Intelligent智能:


CIM中的“I”是“Intelligent”,而不仅仅是“Information”。CIM必须要有一个学习的过程,否则就只是数字和信息的堆砌。“不能只做城市的‘镜像’,还要知道城市的过去、未来,借助CIM要能够看到城市的前世今生,更看透超越几代的过去和未来。不仅仅是双胞胎,更要通过数据看到今天城市的祖辈和明天的孙辈。工业和工厂可以提数字孪生,而城市提孪生是远远不够的。只关注与现实一模一样的‘镜像’,数字技术就失去了更高价值。这就是我一直提倡CIMAI的重要性和人工智能深度学习的必要性。”


CIM相对于“数字孪生”,有更深的内涵。主要体现在:


1、CIM要以预见未来为目标。CIM不是仅是为还原真实城市而研制的数字系统。“镜像”今天的城市,不足以发挥信息化、智能化对城市发展的强大赋能。通过应用智能模型前瞻性地创造出未来场景,以帮助使用者看到明天的城市问题并据此引导今天的发展路径。


2、CIM要以智能模型来辅助决策。CIM不是简单的信息管理平台,而是从对城市数据的积累、处理提升为对复杂信息的智能响应,以适应现代城市综合治理的需要。通过对水文地理、气候环境、建设项目、市政工程等城市数据的集成计算,实现针对城市发展、市政、交通、公共服务等关键决策领域资源的智能动态配置,以优化城市设计的效果,辅助城市规划、建设、管理的科学决策。


3、CIM更突出人与城市信息的互动。CIM不仅是针对城市数据的技术平台,还应是能以更智慧的方式将城市信息有效传达给用户的互动系统。借助CIM可以使城市规划、建设、管理的过程更轻松、人性化,而在用户的干预和反馈过程中,CIM系统也得以持续迭代增强,体现出人的主观意志和城市智能生命的互动协调。以对城市大数据的智能分析、模拟、推演为基础,人机协同决策,制定更优的解决方案,维护城市全生命周期的健康发展。


外界认为CIM=BIM+GIS+IoT,但这不是简单相加,这中间怎么解读?如果不是简单相加还要再加什么?


BIM像城市的细胞;GIS是提供数据基础的平台;IoT是指城市中所有物质的数字化。CIM在细胞、平台和城市物质数字化的融合后,更重要的是另外三个更有价值的内容——流动、生命规律和动力辨识——而这是超出前面三项要素的。


1)空间加上时间以后产生的城市自然和人工要素的流动;

2)城市流动和空间形态之间的互动规律;

3)理解城市生命发展的动力所在。而前述三项技术简单叠加是无法做到这些内容的。


需要让CIM面向更广泛的用户群体,让远程访问CIM变为可能,也要提升CIM应用的便捷性。CIM应当能够感知城市中人的活动规律、需求,进而通过大数据的智能模拟、迭代,优化城市规划设计方案,要有精准服务用户需求的应用端,满足不同主体在城市规划、建设和管理中的实际需要。就像超图公司的所有产品,其实都是要为人服务的,为人创造更美好的生活,是一切技术工具研制的目的。


以流定形,形流相成

CIM总体上是应当容纳流结构的,以流定形,形流相成,这是未来CIM发展的重点方向。


CIM的目标要最终把中国城市地上、地下的数据精化、细化、立体化,目前的追求是动态化,对各行业数据进行动态管理。


CIM可以在更多领域发挥作用。比如交通和电力,这些行业固有的数据结构是“流结构”,交通关注的是在路上跑的“交通流”,电力关注的是在电线里面跑的“电流”。关注“流结构”,就是要探索规划布局、道路走向、建筑形态因素。与此同时,城市的生态也有大量的“流”与城市的可持续发展密切相关,例如“风流”、“水流”这两大自然流动要素是城市形态密切相关的,据此可以提出对不同山水条件下的规划方案的相应契合度的评估方法。


“流”就是关注过程,其必然跨越空间和时间维度。了解“流”的变化规律,做空间的形态规划时方可掌握城市生命本质。CIM总体上是应当容纳流结构的,以流定形,形流相成,这是未来CIM发展的重点方向。


SIM-空间智能模型

未来应该在CIM的基础上提出一个更高层面的概念:SIM(Space Intelligent Model),这里面的“S”指的是国家不同的空间,不论城市、乡村、森林、海洋和农地,本质上都是一种空间。


有了空间作为载体,才能承载一个国家的生态、社会、经济、历史和文明,因此软件开发者和使用者应当在充分理解“空间”内涵的基础上架构软件系统。

(参考资料:城市智能模型 City Intelligent Model


其他观点摘录:


“CIM”出现在BILLENR的文章《Integration of 3D information in Urban GIS》中,他认为“CIM是城市尺度的三维GIS模型,由建筑物、植被、交通网、公共设施和通信网络构成。”这种理念近年来研究领域的认知有差距,没有细化到模型的设施内部构件,可以被认为是CIM概念的萌芽期。


2007年,Isikdag 等首次提出将BIM模型导入到ArcGIS平台中,用以支持火灾应急响应,为CIM进一步发展提供了重要参考。截止今日,CIM平台仍以BIM和GIS的融合为核心构建。


2015年,Isikdag提出将IoT技术融入到CIM平台中,实现城市动态数据和静态数据的交互,能够覆盖更为全面的智慧城市应用场景。


2020年,Lehner等将CIM视作城市尺度的数字孪生体,期望CIM在大数据、人工智能等新技术的驱动下实现数字模型和物理实体之间的智能交互。


2021年8月,胡睿博等在分析总结CIM概念演化的基础上,参考美国BIM国家标准(NBIMS)和丁烈云院士对BIM概念的表述,从City、Information、Model/Modeling三方面对CIM概念进行解读:


(1)City代表CIM的覆盖范围。“城市”可以实体化为某个城市、某个园区、某个社区、街道等,但它对建模能力的要求应该是城市级别的,同时要求模型细度能精确到建筑内部的某个部件;

(2)Information是CIM的核心,它为城市发展的各个阶段、各个参与方提供各种与城市管理相关的信息,包括几何信息、语义信息、物理信息等;

(3)Model/Modeling不仅是CIM信息的创建和存储方式,也通过各种智能算法下的数据分析为城市全寿命周期管理提炼新知识。

(参考资料:胡睿博、陈珂、骆汉宾、曾恬,2021年,《城市信息模型应用综述和总体框架构建》)


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CIM文献统计数量(篇)及概念演化


三、专家观点


吴志强:CIM的目标要最终把中国城市地上、地下的数据精化、细化、立体化,目前的追求是动态化,对各行业数据进行动态管理。未来应该在CIM的基础上提出一个更高层面的概念:SIM(Space Intelligent Modeling),这里面的“S”指的是国家不同的空间,不论城市、乡村、森林、海洋和农地,本质上都是一种空间。有了空间作为载体,才能承载一个国家的生态、社会、经济、历史和文明,因此软件开发者和使用者应当在充分理解“空间”内涵的基础上架构软件系统。


CIM不仅仅等于“BIM+GIS+IoT”。BIM像城市的细胞;GIS是提供数据基础的平台;IoT是指城市中所有物质的数字化。CIM在细胞、平台和城市物质数字化的融合后,更重要的是另外三个更有价值的内容——流动、生命规律和动力辨识——而这是超出前面三项要素的。那就是:1)空间加上时间以后产生的城市自然和人工要素的流动;2)城市流动和空间形态之间的互动规律;3)理解城市生命发展的动力所在。

(参考资料:超图集团,《专访 | 吴志强院士:CIM与城市未来》


如果我们的规划管理工作原先落在单体,那么未来的城市管理一定会落在单体之外的系统。城市是生命体,建筑是细胞,从BIM到CIM,应该是一个从细胞到生命体之间的变化。


CIM的五个方面突破:(1)把BIM作为CIM的细胞——将建筑作为城市细胞;(2)城市物质子系统建模——建立CIM的工作底板,多种数据的导入;(3)城市时空数据的接入;(4)城市突发事件预警;(5)城市蓝图模拟。

吴志强:中国工程院院士,国务院政府特殊津贴专家,德国工程科学院院士,瑞典皇家工程科学院院士。)

(参考资料:国匠城,《吴志强:从BIM到CIM——城市智慧模型》


杨滔、张晔珵:不少城市已经开展了CIM建设试点,一般都强调了四个方面目标:高起点开展顶层设计、做实做强CIM基础平台数据底板、全周期一体化设计建设CIM平台、重视强化CIM平台场景落地实践。城市信息模型平台是实验性探索工程,基于各个城市特点,进行顶层设计尤为重要。


城市信息模型(CIM)平台建设内容包括顶层设计、一套标准、一个平台以及N个“CIM+”应用。一套标准关注于数据管理标准体系;一个平台原则上包括基础设施层、数据资源层、应用支撑层、业务应用层、用户层,实现对城市生长全过程的记录、管控与治理。对于“CIM+”的应用本质上依赖于空间单元的界定,既有基于各种规建管等业务的非匀质空间单元,也有基于地理网格的匀质空间单元。

(参考资料:规划中国,《基于《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则》(修订版)的CIM实践思考》


季珏:CIM基础平台建设和应用的核心是要从城市的整体来加强信息基础设施的建设,进而推动各行业数据汇聚和业务协同,解决智慧城市建设中的数据孤岛问题。CIM基础平台的建成和应用不仅是提供一个对于真实世界全息可视的平台,更重要的作用在于为城市管理者提供一个管理城市空间数字资产的平台以及为各界提供应用和服务的底板平台。

(参考资料:中国建设报,《智库声音 | 专家谈城市信息模型(CIM)基础平台技术导则(修订版)》


住房和城乡建设部建筑节能与科技司相关负责人:CIM基础平台是在城市基础地理信息的基础上,建立建筑物、基础设施等三维数字模型,表达和管理城市三维空间的基础平台,是城市规划、建设、管理、运行工作的基础性操作平台,是智慧城市的基础性、关键性和实体性的信息基础设施。

(参考资料:中国建设报,《部建筑节能与科技司相关负责人解读《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则》(修订版)》


四、城市信息模型(CIM)的应用


城市信息模型(CIM)在规划方面的应用主要有:


(1)城市空间布局优化方面:CIM基础数据有助于根据区域尺度的可持续发展目标,形成使城市总体能耗最小的空间布局方案。比如通过CIM模型获取建筑类型、建筑面积、建设起始和终止时间、预计居住人口等信息,并分析不同开发方案下的淡水消耗量、下水管道容量和电能需求量,以此优化城市空间布局方案。


(2)规划许可程序自动化方面:利用CIM技术实现自动化审批。比如:将城市规划的规定信息(如建筑物的限高)接入到CIM平台中,根据CityGML标准将不同类型数据进行结构化处理。


(3)公路线路规划与纠偏方面:综合考虑道路和周围地理环境信息能够较大程度地减轻公路修建时地质灾害的影响。比如:在高速公路 BIM 模型的基础上融合 GIS 信息,综合分析不同规划方案下地质和地理状况,以此避免道路规划中的地质灾害和环境敏感区。同时,在 CIM 平台中植入优化算法进一步纠正高速公路的规划路径。

(参考资料:胡睿博、陈珂、骆汉宾、曾恬,2021年,《城市信息模型应用综述和总体框架构建》)


五、国内城市信息模型(CIM)平台实践案例


1、广州市城市信息模型(CIM)平台


广州CIM平台以设计、施工、竣工BIM相关标准作为引领,打造了联动工建改革与智慧城市建设的统一场景与平台,基于GIS、政务信息、物联网数据、三维模型、BIM模型等多源数据的汇聚互通,形成多方应用的智慧数据资产。


其中,基础平台的核心应用具有三维模型与信息全集成、可视化分析、模拟仿真、AI辅助审查、多视频接入的无缝衔接与三维场景融合、物联网设备接入、BIM模型轻量化格式高效转接等多项功能,有利于大幅提升智慧城市和建设工程多方主体的精细化管理水平。


广州市城市信息模型(CIM)平台包括了“CIM+”6大应用体系:


CIM+工改:广州CIM基础平台可辅助工程建设项目审批实现规划审查、建筑设计方案审查、施工图三维数字化审查、竣工验收四个关键阶段的二、三维数字化报审。


CIM+智慧工地:广州CIM基础平台可实现对全市2000多个工地的智慧化管理,查看工地的各类详细信息,例如在质量安全方面实现对深基坑、起重机械设备的可视化实时监测查看,可对关键位置进行定点巡检。


CIM+城市更新:该平台可实现广州市183条城中村改造项目的管理。可自动估算项目现状人口、单位、房屋、建筑面积等指标数据;实现了项目改造进度督办、资产投资情况监控;实现了项目现状和规划模型双屏比对,展示改造前后的效果、改造进程、周边配套设施和规划方案。


CIM+智慧园区:该平台构建涵盖地上地下、室内室外三维空间全要素数据试点示范区域,实现了企业、经济和审批等数据与三维单体模型的挂接,可运用“四标四实”、工程建设项目审批、入驻企业的经营收入和纳税等相关信息开展集成应用探索;园区应急方面,可查找事故地点指定半径内的应急队伍、物资、医疗等关键资源,辅助应对突发事件和综合防灾减灾救灾工作。


CIM+智慧社区:广州CIM基础平台创建基于CIM平台的智慧社区应用示范,加快推进信息技术、数字技术及产品在社区的应用,为社区群众提供娱乐、教育、医护等多种便捷服务,打通服务群众的“最后一公里”,满足政府服务、社区物业管理和居民生活需要。


“穗智管”城市运行管理中枢:是CIM基础平台为“穗智管”城市建设、生态环境、智慧水务等主题建设提供数据底座,推动政务服务和城市管理更加科学化、精细化、智能化,通过“一网统管、全城统管”,建设感知智能、认知智能、决策智能的城市发展新内核。

(参考资料:广州改革,《广州发布全国首个城市信息模型(CIM)平台》


2、重庆市城市信息模型(CIM)平台


该平台以2019年发布的“全市域多源多尺度实景三维模型”为空间底板,动态汇聚建筑、道路、轨道等多类信息模型建成的智慧城市空间底座,以科技创新为驱动,以勘察、测绘、地理信息三大主专业融合为特色,形成了在CIM平台上开展数字化规划推演、建设跟踪、社会治理的应用新模式。


后续,依托“智能城市空间(CIM+)创新中心”在科学城的落地,重庆市将持续打造自主知识产权、全国引领先的CIM技术、产品和服务体系,全面支撑科学城及成渝双城经济圈建设,形成“CIM+”开放应用生态。

(参考资料:重庆市勘察设计协会,《“虚拟重庆”来了!重庆市城市信息模型(CIM)平台正式发布》


点击查看:重庆市城市信息模型(CIM)平台暨创新应用场景发布视频


3、雄安新区的CIM建设实践


雄安规划建设 BIM 平台遵循雄安新区总规划中的数字孪生城市建设原则,即“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,适度超前布局智能基础设施,推动全域智能化应用服务实时可控,建立健全大数据资产管理体系,打造具有深度学习能力、全球预先的数字城市。”


首先,加强智能基础设施建设,建立起智能城市的四梁八柱,基于市政与道路基础设施搭建数字化的感知与监测体系;其次,建构全域智能环境设施,提供随时随地的人机互动界面,便于老百姓实时进入数字空间,最大限度地跨越空间距离的限制,进行更为便捷而实时的交流;最后是建设数据资产管理系统,推动城市全生命周期的数据在管理与交易之中进行流通,从而进一步转化为城市资产,推动数字孪生城市的建设与运营。


以空间映射为核心,贯穿城市现状、总体规划、详细规划、工程项目设计、施工以及竣工等六个阶段,形成与雄安“现实城市”生长规律相契合的“数字空间”循环迭代、自我成长的记录模式。根据雄安的全周期、全时空、全要素、全过程的管理要求,尊重每个阶段 BIM 的自生长规律,通过 6 个 BIM·循环迭代和每个 BIM 阶段的管理流程自转,实现项目的有效审核和管控。这构成了以“时间”为轴线的集成创新。


雄安规划建设 BIM 平台还有 3 个方面的创新:

(1)全时空的数据融合,以“算法”为动力推动多源异构数据的融通,构成BIM 平台的综合性数据底板,实现城市状态表达创新。

(2)全要素的规则贯通,以“空间”为坐标梳理各条业务流线的交织情况,识别出六个阶段依次循环或往复交织的规则逻辑,建构跨越不同行业、不同管理部门、不同社会主体的规则连通机制,构成BIM 平台的规则库,实现城市管理方法创新。

(3)全过程的治理开放,以“共享”为理念,服务于多维度的创新创意,推动数据、模型、业务模块的公开性,激发市场主体意识,探索平台本身的可持续发展,实现城市信息共享创新。


针对规划、建设、管理全生命周期,雄安 CIM 以指标体系为抓手,建立起从城市、组团、单元、地块、建筑、构件等层层传递与互动的交互机制。


在区域或城市层面上设定的战略性指标,如绿色、智慧、韧性、宜居等,在专项管控单元之中进行分解细化,包括生态、功能、交通、市政、海绵、地下空间、形态、社区等单元,根据各自的专业属性,各自范围不一,大到几十平方公里,小到十几公顷;这些指标进而传导到以行政管理为主的控规单元,分解到控规地块,大体在 1 到 5 公顷,建立指标、边界、形态联动管控的体系;再分解到建筑、设施、绿地园林等层面上,再细分到诸如墙体、梁柱、材料等构件上,这些也是物联感知器件挂载的地方。


对于拉条成网的市政管线与道路,进一步传导到线性控制单元,落实到线性工程以及相对应的部件之上。这属于规划和建设阶段层层传递的逻辑,确保战略目标能最终落实到建设实施之中。

(参考资料:超图集团,《中规院未来城市实验室:CIM建设的四点思考与雄安实践》


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多尺度、多条线、多专业的协同共同体




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