BIM技術在地理國情監測中的應用途徑研究

曾慶偉　王　濤　晁召波

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南　714000；2.機械工業勘察設計研究院，陜西西安　710043)

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BIM技術在地理國情監測中的應用途徑研究

曾慶偉1王濤1晁召波2

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南714000；2.機械工業勘察設計研究院，陜西西安710043)

以“信息”為核心的建筑信息模型(BIM)，因其三維、動態且全生命周期的信息管理模式，為地理國情監測提供了新的途徑。分析BIM技術在地理國情監測中的必要性，研究BIM技術在地理國情監測中的信息模型創建、變形預測等應用。可通過進一步的統計分析工作，挖掘出BIM中蘊涵的地理要素信息，為地理國情監測創造條件。

測繪信息化BIM技術地理國情監測應用

開展地理國情監測，提供地理要素的空間分布、數量與質量特征、發展趨勢和演變規律等，是測繪地理信息服務的進一步深化發展[1]，不僅可以為政府部門科學決策提供依據，提高政府管理的科學性、規范性和前瞻性，優化國土空間利用，推動低碳經濟發展，加強生態環境保護，而且可以使社會公眾直觀地了解國家和地區經濟建設、環境變化等方面的實際情況，促進公眾保護環境的意識，自覺選擇綠色、低碳生活方式。

地理國情監測基于對地理要素基本情況的全面、準確掌握，利用地理空間信息數據構建地理國情信息基本數據庫，并集成多專題數據資源，是地理國情監測信息服務系統建設的基礎[2]。開展地理國情監測，要充分利用已取得的測繪信息成果，采用先進科學技術，減少重復投資，擴展服務方式和內容。BIM技術作為一項跨專業的技術手段，能夠融合多專業的專題資源數據，它的推廣應用無疑為地理國情監測搭建了一個良好的基礎地理信息利用平臺。

1　BIM技術在地理國情監測中的必要性

1.1BIM技術特性

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是一種應用于建筑工程設計、建造、運營管理的三維數字化技術。通過建立模型，整合建筑工程項目的各環節數據信息資源，以便在建筑的全生命周期過程中進行共享和傳遞，為設計、建造、運營管理單位提供協同工作的基礎。BIM可在提高生產效率、節約成本、縮短工期和減少風險方面發揮重要作用[3]。BIM技術具有完備性、關聯性、一致性等特性。

(1)完備性

指能夠有效體現建筑工程的物理特性和功能特性。物理特性主要指建筑的空間位置、幾何尺寸、地質情況等，功能特性主要指與建筑本身有關的屬性信息。BIM建模可實現虛擬模型對實體數字化描述的最大化，實現建筑在虛擬世界的“重生”。

(2)關聯性

指模型中的對象相互關聯，系統可以對模型信息進行統計、分析并生成圖表。一旦某個對象發生變化，與之關聯的所有對象都能自動更新，繼續保持模型的完備性、正確性。

(3)一致性

指建筑全生命周期不同階段、同一內容的信息只需輸入一次。信息模型可以進行修改、擴充，無需重建，有效避免了信息不一致的錯誤。

1.2必要性分析

“信息”是BIM技術的靈魂，BIM技術對推動工程建設行業信息化影響巨大，通過搭建底層數據庫、信息附加及二次開發，可將建筑信息數據從工程設計階段傳遞到建造階段，為施工分析、工序、工藝、資源配置、施組計劃、施工模擬等提供數據基礎。BIM技術在建筑工程中的應用主要通過建模軟件(Revit等軟件)和分析軟件(PKPM等軟件)實現[4]。BIM技術整個過程類似于一個拼圖游戲，不同的人將手中的拼版(信息)放在桌面(平臺)上，桌面協調各塊拼版，將圖案(數據庫)狀態即時展現，使整個圖案趨于完整。

BIM成果中含有規范、統一標準、內容豐富的基礎信息數據，包括各類測繪地理信息成果。成果可以直接被可視化運用[5]。BIM技術在工程建設中的推廣應用豐富了信息資源，特別是對隧道、地鐵等重要單體構筑物信息的掌握，促進了城市信息化發展，支撐了政府科學決策，改善了服務民生方式，起到了強決策、精管理、惠民生、促發展的作用。

測繪地理信息資源覆蓋面直接影響地理國情監測工作的全面推進。可充分利用BIM成果，在其上擴展地形地貌、道路交通、水域分布、土地利用、城市規劃、人口分布、經濟等專題數據，實現空間位置與統計信息關聯，基礎和專題空間信息集成，為地理國情監測提供輔助信息[6]。結合地理國情監測數據成果，建設包含重要地理國情監測信息與典型地理國情監測信息的動態監測信息數據庫，進而構建面向政務應用的地理國情服務系統和信息共享平臺。對于地理國情監測來說，BIM技術核心應用價值體現在對測繪地理信息的可視化生成和成果輸出上，即實現對監測對象的有序管理及三維化、可視化、交互式的成果表達和信息共享。

2　BIM技術在地理國情監測中的應用途徑研究

2.1創建信息模型

地理國情監測的核心工作是對被監測對象的信息采集、分析工作。BIM技術在地理國情監測中的應用途徑研究，首先要解決測繪地理信息數據與BIM技術有效結合的方式，將測繪地理信息數據轉化為建筑信息模型，達到準確表達建筑工程信息的目的。利用BIM技術創建測繪地理信息模型如圖1所示。

地理國情監測可利用3S技術、三維激光掃描、攝影測量等技術，輔以外業調繪，進行三維點云、平立剖面圖、屬性信息等測繪地理信息數據獲取[7]。近年來，三維激光掃描技術憑借其方便快捷、無接觸性損害等優勢，被廣泛應用于地理國情監測。在進行三維激光掃描之前，應先對被測建筑工程實施控制測量，在建筑周圍和內部布設一系列控制點，使用精密全站儀(或GPS)測定控制點坐標。在控制點上安置三維激光掃描儀進行建筑工程三維激光掃描。掃描完成后，將每測站掃描數據拼合成完整的三維點云。經過“去噪”和“校正”的點云數據可輸出為IFC標準格式，再導入BIM軟件中即可創建信息模型。例如，一個大型建筑工程項目開工前，可使用三維激光掃描儀采集原始地貌信息，通過BIM軟件生成地表模型，施工過程中，可隨時采集地表信息，即可迅速完成階段性的挖方量計算。

圖1　測繪地理信息數據導入BIM軟件生成信息模型

當前，BIM建模軟件有Revit、CATIA等系列。如Revit Architecture軟件：在運行模式上，軟件所提供的信息平臺與數據庫可實現測繪地理信息數據的高效生成、存儲與管理。軟件所具備的點云數據文件導入功能不僅為后續的建模工作提供了手段，也將原始的測繪資料加以保存，并確保能在信息平臺中被有效利用。軟件中信息模型創建操作是基于對“族”的創建，創建者可以根據測繪地理信息數據創建相應的模型或構件，并設置不同的參數以滿足使用需求。這種參數化的建模過程為建筑工程各部分的測繪信息建立了有效的關聯，只要一部分發生變動，其它部分會自動進行相應調整。

2.2工程變形預測

地鐵、隧道等工程構筑物是國家地理國情監測的重要對象。近年來，地鐵、隧道等地下工程迅速發展，而地下工程施工會引起地層移動，導致不同程度的沉降和位移，造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道塌方、地下管線等附屬物破壞等事故，影響到隧道和地表建筑物的正常使用和安全運營[8]。因此，正確預測隧道等工程的移動及變形十分必要。

BIM技術不僅可以及時了解隧道工程的實時狀況，也為隧道工程變形預測提供了手段。利用BIM技術對建筑工程進行變形預測模擬分析，需要以信息為基礎，建立分析模型。根據分析預測目的不同，在模型中設置、輸入不同的參數信息(如圖2所示)。目前，分析模型建立有多種方法，例如可選擇建立模糊神經網絡模型進行變形預測模擬分析。其中，輸入層中輸入參量的確定是關鍵環節，影響預測的精度。隧道工程變形是一個復雜的力學過程，其影響因素有圍巖的流變屬性、工作面的推進距離、圍巖與支護結構相互作用、時間周期、工程的結構構件、幾何圖形、材質屬性和荷載等。根據影響權重，可以將時間周期、斷面與工作面的距離這兩個特征量作為隧道變形預測模糊神經網絡模型的輸入參量。工程變形預測分析將BIM技術引入到一個更高的應用層次，意味著可以通過BIM預測隧道在其生命周期內的變化趨勢，并能即時體現在信息模型之中。

圖2　BIM軟件進行隧道變形預測虛擬

2.3構建信息管理平臺

BIM技術的核心價值是各專業人員可以共享建筑信息，做到協同工作，提高信息的利用率，減小信息的獲取成本[9]。實現信息共享，需要構建一個以信息技術為基礎，各個專業利用圖形編輯工具進行協同工作的BIM建筑信息管理平臺，對所有資料進行真三維環境下歸檔和共享發布，為每個階段提供全方位數據支持。信息管理平臺可分數據層、圖形層和專業層(如圖3所示)。數據層為平臺的基礎層，涵蓋BIM數據庫，用以存儲IFC標準數據文件格式的建筑信息，可以被建筑的各個專業共享使用；圖形層為完成建筑的規劃、設計、施工、運營維護等的工作層，可進行圖形顯示編輯；專業層為使用層，各專業可利用專業軟件，對建筑完成概預算、結構計算、地理國情監測等專業工作。信息管理平臺建成后，信息數據修改完善都可以經由平臺同步更新至各方，進行多方協同，減少問題沖突，提高解決效率。

圖3　BIM信息管理平臺構建

通過BIM技術創建測繪地理信息模型，可實現地理國情監測對象信息的可視化、動態化、共享化。這不僅與地理信息系統(GIS)的信息管理功能相適應，且在建筑層面上彌補了GIS技術的不足。BIM與GIS的結合，其實質是以測繪地理信息為內容的建筑信息模型和地理國情監測管理平臺的結合。GIS對于區域或城市整體信息的管理具備絕對優勢，但對于建筑工程單體本身的信息處理能力卻略顯不足[10]。BIM作為建筑信息管理平臺的重要基礎，是今后的發展趨勢，這要求前期的建筑工程測繪地理信息應充分利用BIM技術進行統一、規范的表達，以實現信息共享。

建筑工程交付階段，如果開發企業能夠將包含準確的設計信息、施工過程信息(如各類電氣設備、安裝構件、管線閥門等位置信息)、反映建筑最終情況的BIM模型交付運維單位，將為運維單位提供巨大便利[11]。在設備日常維護、檢修等環節，依靠BIM模型中的數據，能夠輕松獲得所有設備管線和固定資產的日常運行維護信息、房屋設施設備的全生命周期管理信息、房間的使用功能及相關設計參數。根據大數據所反饋的數據信息，為設備檢修、保養、更換做出預警，避免由于設備老化、檢修不及時對建筑造成影響。

3　結束語

近幾年，國家和社會對地理國情監測的投入加大，認識逐步增強，各種技術手段得到廣泛應用，取得了顯著成效[12]。測繪地理信息化體系是地理國情監測的重要支撐，BIM技術為測繪地理信息化體系構建提供了新的途徑，增加了信息來源。BIM技術在地理國情監測中的應用實踐，可為不斷完善測繪地理信息化體系提供新的經驗和途徑，測繪地理信息化體系的完善反過來促進BIM技術中多專業的融合。

BIM在國內的應用處于起步階段。目前，只有部分外商投資工程項目使用BIM技術，例如上海的迪斯尼樂園。因此，只要國家政策引導，BIM技術應用市場潛力巨大。同時，各行業對BIM應用深度要求不統一，接口規范不一致等問題造成了不同應用階段之間、不同專業之間的數據損失等問題，制約了推進過程。應加緊制定包括支持交換共享的地理空間信息時空參照規范、模型描述、數據格式、接口規范等數據交換標準，實現異構地理信息系統之間基于統一數據模型和空間定位基礎的數據交換和共享。

[1]李德仁，眭海剛，單杰.論地理國情監測的技術支撐[J].武漢大學學報：信息科學版，2012(5):505-513

[2]阮于洲，陳常松，常燕卿，等.我國地理國情監測基礎建設和工作實踐進展評述[J].測繪與空間地理信息，2012(6):222-225

[3]楊建文，王喜利.三維空間數據采集與BIM模型相結合的應用[J].科技展望，2015(27)：166-116

[4]金星.鐵路勘測設計BIM應用基礎研究[J].鐵道建筑，2014(7):136-138

[5]魏英洪.BIM技術中建筑工程可視化應用方法及價值探討[J].鐵道勘察，2014(1):17-19

[6]劉獻偉，高洪剛，王續勝，等.施工領域BIM應用價值和實施思路[J].施工技術，2012(11):84-86

[7]陳俊勇.地理國情監測的學習札記[J].測繪學報，2012(10):633-635

[8]桂德竹，林宗堅，張成成，等.地理國情監測重點基礎工程的探討[J].北京測繪，2012(1):24-28

[9]董薇.鐵路勘察設計BIM運用中的信息化管理探討[J].鐵道勘察，2013(5):86-88

[10]王永紅，李俊，梁爽，等.基于地理國情監測的某帝陵水土流失評價分析[J].測繪通報，2015(4):114-117

[11]喬朝飛.國外地理國情監測概況與啟示[J].測繪通報，2011(11):81-83

[12]史文中，秦昆，陳江平，等.可靠性地理國情動態監測的理論與關鍵技術探討[J].科學通報，2012(24):2239-2248

Research on Application of BIM Technology in Geographic National Conditions Monitoring

ZANG Qingwei1WANG Tao1CHAO Zhaobo2

2016-05-12

陜西省教育廳自然科學基金項目(名稱：高精度磁懸浮陀螺全站儀觀測數據濾波及優效處理算法研究，編號：14JK1167)；陜西鐵路工程職業技術學院科學研究基金項目(名稱：測繪新技術在地理國情監測中的應用研究，編號：2012-31)

曾慶偉(1984—)，男，2005年畢業于解放軍信息工程大學測繪工程專業，工學碩士，講師。

1672-7479(2016)04-0030-04

P208

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