基于BIM與GIS的工程項目三維管理平臺設計與實現(xiàn)

文｜寧波市安貞信息科技有限公司 方磊 王立幼 葉銘

1 引言

隨著城市化進程的加快，工程項目管理相關(guān)的數(shù)據(jù)量越來越大、類型越來越復雜，傳統(tǒng)工程信息管理與服務方式已較難滿足當前需求。利用BIM技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)進行工程項目管理是當前的熱點研究方向之一。

BIM技術(shù)基于數(shù)字模型實現(xiàn)對工程設計、建造和運營各階段的精細化管理，但在宏觀信息管理能力和周邊環(huán)境整體展示能力方面存在不足。而GIS技術(shù)能融合大范圍空間數(shù)據(jù)，集成地圖視覺效果與地理信息的分析，完善城市級BIM大場景展示。因此，集成BIM技術(shù)和GIS技術(shù)進行城市級工程項目管理，將在海量信息可視化、項目信息協(xié)同以及工程管理技術(shù)融合等方面提供更完善的解決方案，服務于工程建設和市政管理工作。

2 研究現(xiàn)狀分析

當前，基于BIM+GIS的工程項目信息化管理已有一定研究基礎(chǔ)，相關(guān)信息平臺已在許多城市開展應用。彭雷實現(xiàn)地形、影像和BIM模型的融合和一體化管理，為城市規(guī)劃管理部門提供三維管理平臺。潘飛實現(xiàn)了BIM 數(shù)據(jù)在GIS 環(huán)境下的快速、高效集成。薛梅等人實現(xiàn)對CAD/BIM要素服務的訪問、三維場景中建設工程模擬展示和全生命周期集成應用。

然而，當前BIM+GIS的應用仍存在一定不足，主要體現(xiàn)在以下三方面：

1、當前基于BIM的項目管理多以單項目管理為主，在面對城市級BIM工程項目管理時，對城市三維GIS與BIM數(shù)據(jù)的集成和管理能力存在不足；

2、BIM空間結(jié)構(gòu)復雜，數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)GIS三維模型優(yōu)化算法較難適用于BIM，如何在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實時獲取、展示BIM數(shù)據(jù)，是亟需解決的問題；

3、如何使傳統(tǒng)工程管理方法與BIM技術(shù)結(jié)合，使BIM技術(shù)真正落地應用。

本文利用GIS管理宏觀多項目工程信息，通過BIM對單個建筑工程項目進行管理應用，設計并搭建了基于BIM+GIS的工程項目三維管理平臺，實現(xiàn)了面向互聯(lián)網(wǎng)的海量BIM數(shù)據(jù)快速可視化，形成了BIM與GIS融合的工程項目管理技術(shù)，并在實際項目中開展應用，提高了工程項目的管理效率。

3 面向網(wǎng)絡的BIM數(shù)據(jù)優(yōu)化與可視化

3.1 BIM數(shù)據(jù)特點分析

利用BIM技術(shù)進行工程管理，首先就要解決BIM數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上傳輸和可視化的問題。BIM數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、空間結(jié)構(gòu)復雜的特點，在進行數(shù)據(jù)切塊發(fā)布與加載問題時，除了傳統(tǒng)三維數(shù)據(jù)加載的共性問題，如數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)速有限、顯存內(nèi)存顯示以外，還存在BIM數(shù)據(jù)的個性問題，主要包括兩方面：

第一，BIM數(shù)據(jù)空間拓撲結(jié)構(gòu)復雜。BIM數(shù)據(jù)中最小顆粒度的模型構(gòu)件對應著建筑設計或真實世界中的特定構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或設備，其空間位置、屬性信息具有專業(yè)意義，原則上不可分割，否則容易造成建筑屬性和關(guān)聯(lián)業(yè)務信息的丟失，在進行空間分析與專業(yè)、分層顯示時也容易造成錯誤（如室內(nèi)管線數(shù)據(jù)、樓板、墻面）。

第二、BIM信息包含多個專業(yè)。BIM數(shù)據(jù)一般包含建筑、結(jié)構(gòu)、機電、裝修等大類，還可以細分為門、窗、柱、樓、板、墻、水、暖、電等小類。在應用時，專業(yè)數(shù)據(jù)既需要組合使用，也需要相互拆分。

3.2 BIM數(shù)據(jù)優(yōu)化發(fā)布

為保證BIM協(xié)同平臺的數(shù)據(jù)分發(fā)和各專業(yè)系統(tǒng)對BIM數(shù)據(jù)的應用，本文研究了海量BIM模型數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的快速獲取和可視化技術(shù)，根據(jù)建筑行業(yè)特性，對BIM模型進行轉(zhuǎn)換和重組。

本文根據(jù)BIM建模的LOD規(guī)則和專業(yè)分類，先對模型進行分層。再對各分層中的構(gòu)件，根據(jù)最小包圍盒，采用非平衡八叉樹進行分塊，將LOD和分塊的索引與構(gòu)件ID關(guān)聯(lián)后存入屬性表。在網(wǎng)絡環(huán)境下，還需要對紋理進行壓縮，以減小網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。然后，提取相同的構(gòu)件，刪除冗余的模型，以同一模型進行保存。最后，對osg數(shù)據(jù)進行壓縮，必要時可進行加密。

通過上述方法，本文在不損失原始數(shù)據(jù)信息的情況下，實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的分層、分塊和壓縮，前端加載模型時可基于此方法實現(xiàn)按需加載，從而實現(xiàn)在網(wǎng)絡環(huán)境下的數(shù)據(jù)快速可視化。

3.3 大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)加載與可視化

城市級的BIM模型數(shù)據(jù)量可達TB級，若待數(shù)據(jù)傳輸完成后在進行渲染，不僅傳輸效率極低，而且容易造成內(nèi)存、顯存的溢出，嚴重影響體驗。本文在BIM數(shù)據(jù)加載時，在分層分塊發(fā)布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用基于AOI的顯示優(yōu)化，分批加載數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時，首先根據(jù)視點位置和模型構(gòu)件包圍盒的距離，比較分層分塊的索引信息，只加載視點范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

在視點移動時，判斷視域體范圍內(nèi)的構(gòu)件與視點的距離，與索引數(shù)據(jù)比較后，加載新出現(xiàn)的構(gòu)件，并移除視域體外的數(shù)據(jù)，以減小模型的內(nèi)存和顯存占用，從而實現(xiàn)任意數(shù)據(jù)量BIM模型從網(wǎng)絡到內(nèi)存再到顯存的動態(tài)讀取，解決了因數(shù)據(jù)量龐大而導致內(nèi)存、顯存溢出問題，也有效提高了數(shù)據(jù)加載的效率。

在數(shù)據(jù)繪制時，采用GPU編程實現(xiàn)模型頂點繪制、紋理映射、光線與陰影計算，以及內(nèi)存數(shù)據(jù)讀寫和顯存管理，有效提高了三維模型的繪制效率。

4 BIM+GIS集成平臺的實現(xiàn)

4.1 平臺總體架構(gòu)

本文設計的基于BIM+GIS的工程項目三維管理平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

在硬件設備，包括施工現(xiàn)場的視頻監(jiān)控設備、環(huán)境監(jiān)測設備和人員考勤設備。這些物聯(lián)網(wǎng)設備獲取的數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務器。

圖1 BIM+GIS平臺的總體架構(gòu)圖

圖2 項目管理與BIM+GIS可視化

圖3 基于BIM+WBS的項目建設進度管理

在數(shù)據(jù)層，針對BIM數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、項目數(shù)據(jù)、業(yè)務信息和用戶數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫。其中，關(guān)系型數(shù)據(jù)表采用mysql建立；BIM模型和切片數(shù)據(jù)，以及GIS影像、傾斜模型等瓦片數(shù)據(jù)采用文件方式進行管理。

服務層通過統(tǒng)一服務接口的方式，實現(xiàn)業(yè)務層向數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)調(diào)用和返回。其中，BIM數(shù)據(jù)的優(yōu)化發(fā)布在這一層進行實現(xiàn)。

業(yè)務層針對項目管理的業(yè)務功能，采用基于WebGL的開源項目Cesium進行封裝和開發(fā)，分為項目信息、投資、工程計劃、實施進度、質(zhì)量安全監(jiān)督、現(xiàn)場管理、合同管理、運維管理等模塊。

最終，將平臺在網(wǎng)頁端、移動端和指揮中心的大屏幕進行展現(xiàn)。

4.2 平臺主要功能

本文搭建的平臺在集成項目各階段、各來源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了工程全貌、項目投資、建設進度、工程質(zhì)量、安全生產(chǎn)以及后期運營維護等方面的管理。平臺面向施工管理的主要功能模塊如下：

（1）項目信息管理

平臺集成了所有項目基本信息，包括項目概況、資金情況、審批信息、總體建設情況，對BIM數(shù)據(jù)和GIS信息（如各階段影像、全景、實景模型、用地紅線、全景照片等）進行集成可視化管理，如圖2所示。

（2）進度管理

平臺將BIM和專業(yè)項目管理工具相融合，關(guān)聯(lián)項目的施工計劃、建設進度與流程工藝，將WBS各分部分項與BIM構(gòu)件關(guān)聯(lián)后，將任務分派到各工點的相關(guān)負責人，后者通過微信移動端實現(xiàn)進度的上報，系統(tǒng)自動生成實時的施工進度，如圖3所示。

（3）投資分析

根據(jù)施工模型、計劃進度和造價信息，平臺可對項目各階段所需投入的資金進行預估，從而優(yōu)化投資曲線，實現(xiàn)項目資金的分階段精細化投放，提高資金的利用率，提升企業(yè)投資效率。

（4）質(zhì)量安全管理

平臺通過將現(xiàn)場問題和BIM進行關(guān)聯(lián)，建立一套完整的線上、線下質(zhì)量安全隱患排查流程。質(zhì)量安全巡查人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題、隱患后，可通過移動端上報問題，將現(xiàn)場問題與BIM構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)，記錄其問題類別、明細、現(xiàn)場照片以及規(guī)定處理時間，如圖4所示。平臺將問題記錄后推送給項目負責人，由項目部派人解決問題，記錄問題的解決方法并上傳處理后照片，提交至平臺進行現(xiàn)場審核。

（5）現(xiàn)場管理

平臺接入了將工地現(xiàn)場各點位的監(jiān)控視頻，實現(xiàn)現(xiàn)場情況的實時查看；接入了揚塵和噪音監(jiān)測設備，實現(xiàn)環(huán)保和噪音污染的監(jiān)管和預警；接入了實名制打卡設備，實現(xiàn)每日工地人員的管理。

（6）指揮決策應用

平臺建立了大屏指揮系統(tǒng)，將所集成各個項目的管理信息、BIM+GIS信息以及現(xiàn)場信息統(tǒng)一進行展示，如圖5所示，協(xié)助管理人員進行指揮和決策。

5 結(jié)論和展望

本文分析了當前BIM和GIS數(shù)據(jù)以及相關(guān)技術(shù)在工程管理方面的應用現(xiàn)狀，研究了面向網(wǎng)絡的BIM數(shù)據(jù)優(yōu)化發(fā)布和可視化方法，在BIM與GIS數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，設計并搭建了基于BIM+GIS的工程項目三維管理平臺，集成BIM和GIS技術(shù)進行城市級工程項目管理。平臺應用于軌道交通建設和高速公路建設等項目，實現(xiàn)項目建設、管理、維護全過程的信息管理、進度管理、投資管理、質(zhì)量安全管理以及現(xiàn)場管理，幫助項目管理者隨時隨地掌控項目進度，提高了資金投放效率，保障項目質(zhì)量與安全，有效提升了工程項目的管理水平，推動了項目建設的精細化管理和科學化決策。

圖4 基于BIM的質(zhì)量安全管理

圖5 指揮決策應用