张宝森常腾原宋晓刚（中国矿业大学力学与建筑工程学院江苏徐州221116）
摘要：地理信息系统是一门集测绘与遥感技术、信息处理技术、管理和统计等现代技术综合的新兴学科。地下空间工程具有其自身的复杂性，受外界因素影响较大，工程管理难度大，随着计算机技术、数据库技术等现代信息技术的发展，基于GIS的虚拟建造将成为一种新的管理途径。本文从全寿命期的管理理念和时空GIS技术出发，构建一套地下空间虚拟建造系统。
关键字：地理信息系统；地下空间工程；虚拟建造
改革开放以来，随着城市化的高速发展，“城市综合症”的不断加重，地上空间已不能满足当代人们生活的需求。综合开发地下空间是解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施，人们将工程建设的目光逐渐转向了地下空间，地下空间的建设成为了现在以及未来工程建设的重要组成部分。做好地下空间工程建设的有效管理，对地下空间的开发与利用、城市规划、城市建设及城市经济的协调发展等方面有着重要意义。
1.虚拟建造
随着经济的高速发展，建筑行业蒸蒸日上，地下空间工程朝着大型化、复杂化、系统化的方向发展，项目的参与者分布在各地，给项目的实施和协调带来了极大的困难。现代信息、网络、通讯技术的发展对整个地下空间工程建设行业有深远的影响，同时影响着地下工程建筑产品生产的组织模式、管理思想、管理方法和管理手段等[1]。鉴于此，虚拟建造这种新型的工程建设和管理模式出现雏形。
虚拟建造从狭义上指经济而逼真地模拟工程建设的过程，并对各种行动方案进行检验。例如在施工阶段，通过虚拟仿真在施工前对施工全过程或关键过程进行模拟施工，以验证施工方案的可行性或优化施工方案等。从广义上讲虚拟建造是虚拟企业理论在工程项目管理中的具体应用。它运用虚拟组织原理，借助信息技术支持，采用无层级管理组织方式，以及全寿命周期集成化管理的理念方法，通过基于网络共享的信息系统，实现工程项目的最优化建设，使参与各方达到互利共赢[2]。
2.虚拟建造系统
地下空间虚拟建造系统是为实现地下空间工程虚拟建造提供一个平台的计算机软件系统，它是综合应用数据库技术、计算机技术、虚拟现实技术、管理学、运筹学、评价决策理论的一门崭新的管理技术和手段。系统能对地下空间工程相关的地质信息、环境信息、规划信息、施工信息进行数字化储存，能建立相应的三维模型，通过其分析决策功能服务于地下空间工程管理当中。系统旨在运用动态管理的理念和虚拟建造技术辅助进行地下空间工程的管理，并采用GIS技术实现地下空间的时间数据、空间数据、属性数据的全寿命期的一体化管理，注重勘察、规划设计、施工、运营、维护各时期数据之间的联系，是一套从项目诞生到终结的全寿命期的地下空间工程管理系统。
3.GIS在地下空间工程虚拟建造的优势
GIS是一门集测绘与遥感技术、信息处理技术、管理和统计等现代技术综合的新兴学科。它将空间数据处理、属性数据处理、空间分析与模型分析与计算机技术紧密结合，通过数据处理、模型建立、系统分析，产生对区域规划、管理决策等有用的信息[3]。GIS集图形管理与数据管理于一身，有很强的空间表现力，被广泛应用诸多领域。
在地下空间虚拟建造和工程管理中，GIS具有如下几个方面的明显优势：
一是强大的数据和图形处理能力。GIS接受的数据具有多源性，并且可以对接受的海量数据进行编辑修改、分析处理，同时GIS可以制作、显示、输出各种专题图，提供了一种简单易行的复杂空间实体的构建方法，为虚拟建造系统的实现提供了应用的平台。
二是对空间数据和属性数据的共同管理、分析和应用。地下空间工程的特点决定了虚拟建造系统实体空间数据的动态性、复杂性和相关性。利用GIS中特有的空间数据库组织形式，把工程项目的实体与其属性对应。
三是空间分析功能。空间分析是GIS系统的核心功能之一，是GIS系统比计算机辅助绘图系统应用在地下空间工程虚拟建造的主要优势之一。利用GIS对空间数据库中的数据进行查询与量算，剖面分析、统计分类分析及图层叠加分析，为管理决策提供依据[4]。此外，随着三维GIS和虚拟GIS的发展，更好地解决了三维空间操作和分析的问题。
4.虚拟建造系统的框架结构
利用大型数据库系统、三维可视化和GIS等现代信息技术，建立复杂地质环境下地下空间虚拟建设系统平台，主要包括数据层、建模层、表示层、分析层、应用层[5]。数据层主要利用数据库技术来实现工程空间数据与属性数据的无缝整合，它是平台的数据提供者，其目标是建立数据库及数据访问界面。建模层包含三维地质建模和三维工程实体建模，主要包括三维地质模型建立的方法与算法等几个部分。表示层主要就是可视化的内容。为三维建模和分析提供视觉表现，对重要局部区域进行放缩和旋转，以及后期图像处理功能，以生成现实世界中的地下空间。分析层是利用三维GIS空间分析手段直接在三维空间中进行空间操作与分析，对空间对象进行三维表达与管理。利用空间分析功能可以查询数据库系统中信息，并通过这些信息来发掘事物之间的存储器规律和特征[6]。应用层是虚拟建设系统的价值和生命力的重要体现，它将已有的数据模型、可视化、空间分析功能运用到实际的专业领域中，以解决实际的问题。
经过调研地下空间工程的管理现状，了解地下空间工程亟待解决的问题，针对地下空间工程建设全寿命期管理的具体需求，设计系统功能概述如下：
1.勘察设计阶段子系统。包括地质与实体三维模型和造价管理。勘察阶段得到的地质和水文环境信息，建立三维的地质模型，并在此基础上构建地下空间的三维工程实体模型，并结合可视化技术使方案的筛选、优化、修改。根据施工图设计文件、预算定额、费用定额以及工程所在地人材机等信息，编制的工程造价文件。
2.施工阶段子系统。随着施工的进行，通过计划数据与实际数据进行比较，重点对里程碑数据进行控制。另外，随着工程的不断开展，三维模型根据实时数据动态更新，生成实时模型；通过同计划模型相对比，管理者观察同一时期不同数据和实体形状的区别，考察施工进度、成本等信息，对比偏差，对决策提供有效支持[4]。此外，利用时空GIS技术，借助时间维，通过建立三维动态演示模型，实现三维动态演示和三维模拟。
3.运营维护阶段子系统。包括信息查询显示和检修记录。工程竣工验收后，系统可以对过去不同阶段的数据、图纸、实体、属性信息查询，同时实现施工状态与施工过程回放。在运营维护阶段，管理人员能够在系统检修记录界面上记录工程维护阶段各维修项目的维修原因、费用、时间以及维修人员等维护信息，并进行统计分析。
参考文献
[1]郑磊.虚拟建设的由来及其内涵分析[J].建筑管理现代化,2003(4):2-4.
[2]彭勇,邢文.虚拟建设──新型的工程项目管理组织模式[J].建筑管理现代化,2001(2):43-45.
[3]徐祖舰．GIS入门与提高[M]．重庆：重庆大学出版社，2001．
[4]双晴,袁永博.基于GIS的建筑工程数字化施工管理系统[J].工程管理学报,2010(4):428-431.
[5]周维.时态GIS及其在数字化隧道工程中的应用[D].同济大学,2007.
[6]李晓军,朱合华,解福奇.地下工程数字化的概念及其初步应用[J].岩石力学与工程学报,2006(10):1975-1980.