多元異構的BIM大數據集成技術在合樅高速公路工程中的應用研究

邵 虎 方 毅 盧 禹

(1.安徽省交通控股集團有限公司，合肥 230088；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

合樅高速工程為德州至上饒國家高速公路合肥至樅陽段，全長134.158km，北接德上高速淮南至合肥段，南連池州長江大橋，全線采用雙向四車道高速公路標準，設計速度120km/h，全線共設置橋梁103座，其中特大橋4座，大橋18座，中小橋81座，隧道1處，互通立交10處，匝道收費站7處，服務區3處，養護工區3處。

圖1 項目效果圖

合樅高速秉持“綠色集約、工業智造、技術示范、安全環保、品質爭先”的建設理念，項目廣泛采用了裝配式橋面板輕型預制T梁、裝配式鋼板組合梁橋、裝配式樁板路基和裝配式下部結構等多項新技術，作為交通運輸部批準的第一批公路BIM技術應用示范項目，圍繞交通運輸部《指導意見》和《示范工程》要求，對項目各階段開展BIM技術應用研究，實現工程品質的全面提升。

2 BIM數據集成難點

2.1 多源異構數據

本文研究的BIM數據集成應用涉及到不同類型的數據，主要包括：

(1)基礎地理數據：傾斜攝影模型、遙感影像、地形圖、地質數據等[1-2]。

(2)BIM數據：道路、樁板式路基、橋梁、涵洞、隧道、交安設施、機電設施、房建、施工臨設等BIM模型及其屬性數據。

(3)施工管理數據：施工質量、進度、安全、費用等管理數據，具體包括WBS劃分信息、進度信息、工序信息、主要控制指標、危險源信息、承包人用表、監理用表、現場質量檢驗報告單、試驗檢查記錄表、財務支付月報表、質量檢查評定表、施工過程記錄表、試驗檢測表、現場照片、影像資料及其它相關施工過程控制資料等。

這些數據來源方式多，結構復雜，有結構化數據，也有非結構化數據，這些都給本項目的集成應用帶來了較大挑戰。特別對于BIM模型數據，由于參建單位眾多，使用了多種BIM軟件建模，包括Revit、Civil3D、Bentley、Tekla等，成果內容和格式各不相同。同時，項目BIM應用點較多，需要在不同的軟件平臺上進行應用，目前還沒有一種公共格式能夠完全滿足與不同的BIM軟件進行數據交互。

2.2 模型輕量化

本項目建設內容多，模型數據量大，主要體現在以下兩方面：

(1)傾斜攝影模型：傾斜攝影模型長度為134km，寬度為道路中心線兩邊各偏移300m，對于諸如互通立交、服務區等重點區域根據實際情況外延，整個傾斜攝影模型的數據量為300G。

(2)BIM模型：BIM模型涉及到道路、樁板式路基、橋梁、涵洞、隧道、交安設施、機電設施、房建等，構件數目超20萬個，整個工程BIM模型數據量約25G，對于鋼板組合梁橋，建立的是零件級BIM模型，其面數非常多。

由于模型體量大，精細度高，無法直接集成應用，需要進行輕量化處理。因此，BIM模型的輕量化成為本項目集成應用的關鍵和難點。

2.3 信息存儲

BIM數據集成涉及到幾何信息和非幾何信息的數據集成問題[3]，三維模型本身解決了幾何信息的存儲，對于非幾何信息的存儲，目前主要采取兩種方式：一種是直接存儲于三維模型文件中，如rvt格式模型、dgn格式模型等； 另一種是存儲于外部文件中，如excel、xml、數據庫等，然后將模型與屬性數據進行關聯，實現模型和數據的聯動。這兩種處理方式，在項目應用中都存在一定困難。對于第一種方式，在數據來源多、數據量大的情況下，操作復雜，效率低下； 對于第二種方式，模型與屬性數據的關聯是關鍵。

3 BIM數據集成應用整體解決方案

針對項目數據集成中存在的難題，本文研究了BIM數據集成應用整體解決方案，如圖2所示，較好地解決了多源異構數據的融合問題[4]，提高了BIM應用價值。

圖2 BIM數據集成應用整體解決方案

數據集成應用分為設計階段、施工階段和運維階段的應用[5]。設計階段BIM數據集成應用包括BIM建模和BIM應用兩部分，主要是采用不同軟件建立不同專業BIM模型，然后將不同格式的模型及信息在不同客戶端軟件上進行融合開展應用，以提高設計成果質量[6]。施工階段BIM數據集成應用包括施工場地建模、施工BIM應用(關鍵應用點)和協同管理平臺應用三部分，利用Revit等軟件完成施工場地臨設模型，結合施工圖BIM模型完成施工關鍵應用點的應用[7]。BIM協同管理平臺通過集成傾斜攝影模型、施工圖BIM模型、施工BIM關鍵應用點信息，以及施工過程中的管理信息，完成BIM技術在施工階段的核心應用。將設計、施工階段的必要信息傳遞到BIM運維管理平臺，供運維階段數據集成使用。

4 BIM數據集成方法

4.1 BIM模型構件編碼

為了保證BIM信息的有效傳遞和集成應用，研究了BIM模型構件編碼方法，構件編碼由項目碼、標段碼、整體空間碼、分類代碼、局部位置碼和流水碼5部分組成，結構如圖3所示，其中標段碼在項目還未劃分標段的情況下可用默認字符代替。

② 循環參數:預變性95℃,4min;變性95℃,30s;退火62℃,30s;延伸72℃,90s,30個循環后,72℃,5min;進行PCR上樣反應。

圖3 構件編碼結構

編碼不僅唯一確定了BIM模型構件的身份，而且編碼本身也集成了構件的多種信息[8]。如何對構件進行自動編碼是一個難點，根據編碼規則，本文研究了半自動化編碼工具，提高了編碼的效率和質量。編碼工具研發的主要思路為：首先由編碼工具自動生成項目碼、標段碼、流水碼和部分分類代碼； 然后手動輸入整體空間碼、局部位置碼和部分分類代碼； 最后工具自動合成構件編碼。具體實現過程如下：

(1)項目碼。本文為HZ，由編碼工具默認生成。

(2)標段碼。分為6個標段，分別為01、02……06，定義好每個標段的坐標范圍，編碼時根據構件的坐標范圍自動生成標段碼。

(3)整體空間碼。參照公路工程質量檢驗評定標準中單位工程的劃分原則，并結合工程的實際情況，劃分好模型的整體空間，如：一段道路是一個整體空間，一座橋梁是另外一個整體空間等，每一個整體空間對應一個整體空間碼。本文在橋梁建模時，一個文件中只包含一座橋，所有構件的整體空間碼可一次性同時編碼。對于道路等其他專業建模時，一個文件中常常包含多個整體空間，整體空間碼需分別編碼。

(4)分類代碼。本文對模型構件進行了分類，定義了分類代碼，并建立了橋梁等專業的構件庫。在構件編碼時，對于構件庫中的構件，編碼工具自動提取該構件的分類代碼，對于非構件庫中的構件，則需手動輸入分類代碼。

(5)局部位置碼。定義局部位置劃分原則，如：道路按路段分，橋梁按聯、跨、墩分，隧道按節段分等，構件編碼時手動輸入局部位置碼。

(6)流水碼。根據整體空間碼、分類代碼和局部位置碼，由編碼工具自動生成。

HZ-04-R520-020105-RL01-001：合樅高速-S04標-K084+478～K085+747.52道路—面層—左幅-001#

HZ-05-T23R-030105-D048-002：合樅高速-S05標—孔城河特大橋(右幅)-承臺-048墩-002#

4.2 模型的輕量化處理

本文模型的輕量化處理主要是滿足BIM協同管理平臺的應用，涉及到傾斜攝影模型和BIM模型的輕量化處理[9]。對于傾斜攝影模型，通過兩種方式進行處理：一是在滿足基本應用的前提下，將原始5cm分辨率的影像降低到10cm左右建立傾斜攝影模型； 二是對于山區等建筑物稀少的地區，通過傾斜攝影數據生成DTM三維地形模型和DOM正射影像，將DOM作為貼圖融合到DTM模型上，這樣既能達到三維可視化的效果，也能減少模型的數據量。對于BIM模型，將原始格式模型轉換成FBX格式模型，由于FBX格式是mesh結構，數據量小，項目BIM模型總的數據量會迅速減少，同時，對于本項目大量的鋼板組合梁橋梁模型，將其零件級的螺絲釘等構件過濾掉，以減少數據量。

4.3 不同格式BIM模型集成

(1)Bentley系列軟件之間的數據集成

本項目涉及到的Bentley軟件主要分為三類：一是設計及校核軟件(MicroStation等)，二是傾斜攝影建模軟件(ContextCapture)，三是可視化的渲染軟件(LumenRT)。數據集成方式如下：

Bentley基礎平臺MicroStation及專業設計軟件都是以DGN為基本格式，不同專業間BIM模型能夠無縫集成應用，傾斜攝影模型通過3SM、3MX格式在設計軟件中與BIM模型集成。對于動畫渲染來說，傾斜攝影模型通過3SM格式進入LumenRT，設計軟件通過插件直接將BIM模型導出至LumenRT。

(2)Autodesk系列軟件之間的數據集成

Revit和Civil3D建立的BIM模型分別通過FBX和DWG格式在NavisWorks中進行集成應用，同時Civil3D建立的BIM模型也可通過DWG格式導入Revit軟件進行集成。

(3)Bentley與Autodesk之間的數據集成

Bentley模型與Autodesk模型的數據集成可分別在Bentley設計軟件與NavisWorks軟件中進行， Revit生成的FBX格式BIM模型與Civil3D生成的DWG格式BIM模型，均可直接導入至Bentley軟件進行集成； Revit模型與Bentley模型均通過fbx格式導入NavisWorks，Civil3D通過DWG格式導入NavisWorks，從而完成數據的集成。

(4)BIM模型與協同管理平臺之間的數據集成

基于BIM協同管理平臺的不同格式BIM模型集成應用是本文研究的重點內容，BIM模型主要涉及到Bentley模型和Revit模型兩大類，其非幾何信息存儲于EXCEL文件中，通過研究與實踐，本文采用中間數據格式FBX進行了數據交換與集成。對于Bentley軟件，直接導出的FBX模型只有幾何信息，沒有自身的元素ID和自定義的構件編碼等屬性信息，這樣就導致FBX模型與EXCEL的非幾何信息失去關聯，無法滿足BIM管理平臺的應用。通過二次開發，將原始模型文件中的構件編碼寫入FBX格式模型中，解決了FBX模型沒有構件編碼的問題，如圖4所示，FBX模型通過構件編碼將其幾何信息與EXCEL的非幾何信息進行關聯。對于Revit軟件，直接導出的FBX模型中包含元素ID信息，通過二次開發，將Revit文件中的元素ID和自定義構件編碼同時導出至EXCEL文件中，建立元素ID與構件編碼的一一對應關系，通過這種對應關系，保證了Revit生成的FBX模型與EXCEL中的非幾何信息的關聯。通過反復的測試，Bentley BIM模型與Autodesk BIM模型都順利進入BIM協同管理平臺。

圖4 帶構件編碼的FBX模型

4.4 幾何信息與非幾何信息的集成

幾何信息與非幾何信息的集成主要涉及到數據存儲問題，本項目應用過程中涉及到大量的非幾何信息，采取了幾何模型與屬性數據分離的方式存儲，在幾何模型文件上只存儲構件編碼信息，其它屬性信息均存儲于SQL數據庫，通過構件編碼實現幾何模型與非幾何信息的關聯。在數據的交付過程中，對每個類別的構件建立不同的數據交付模板，模板為EXCEL格式文件，如圖5所示，這些模板中所需的信息，首先通過工具提取那些能夠從模型構件中直接提取到的信息，如構件編碼、構件類型、坐標、高程等，然后由人工輸入其他所需的信息，如型號、清單工程量等信息，最后通過自主開發的工具將這些EXCEL數據文件的非幾何信息批量寫入到SQL數據庫對應的表格中。

圖5 非幾何信息數據交付模板

5 結束語

隨著公路行業的快速發展，BIM技術在公路工程中的應用已越來越廣泛，對數據的要求也越來越高，單一來源的數據信息已無法滿足對信息豐富度、實時性、可靠性等方面的需求，需要融合多源異構時空大數據模型[10]。本文研究的BIM數據集成技術解決了多源異構數據融合中的部分關鍵性問題，取得了一定的成果，但還存在著其他關鍵性技術問題需要進一步的研究與實踐。