實景三維模型與BIM技術的集成應用

吳弦駿，聞平，吳小東，王瑩

（1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

實景三維模型是單一的表面模型，并不涵蓋建筑物內部的結構信息和附屬的其他屬性信息，但可為智慧城市提供了現實城市的真實環境，精確還原整個城市的基礎設施面貌，為新的基礎設施建設提供了可預覽的實際施工環境。BIM技術是一種全新的信息化工程管理技術，以工程項目各項相關信息數據為基礎，建立三維模型，通過數字信息仿真模擬構筑物所具有的真實信息。BIM技術目前正越來越廣泛地應用于基礎設施工程行業中。本文研究了兩種模型在GIS平臺集成的關鍵技術，實現了兩種技術在工程項目全生命周期建設中的集成應用[1]。

1 三維建模

1.1 實景三維模型與BIM模型的建模特點

傾斜攝影測量是國際測繪領域近些年發展起來高新技術，可快速構建坐標準確、紋理精細的實景三維模型。相較于傳統的三維建模方式，實景三維建模具有自動化程度高、更接近真實世界的特點。BIM模型則依托于項目的可研、設計、施工、竣工等不同階段，采用BIM設計軟件，多專業設計師協同設計，逐步深化建模而得[2]。實景三維建模與BIM建模兩種方式的對比如表1所示。

表1兩種建模方式的對比

1.2 實景三維模型的生產

實景三維模型的生產流程如圖1所示：①傾斜攝影，采用多旋翼無人機搭載傾斜相機進行航空攝影，影像包含同一地物不同視角的信息特征，彌補了傳統垂直影像中欠缺信息的缺點[4]；②空三加密，對相機參數、影像數據、POS數據進行多視角影像特征點密集匹配和區域網的自由網多視影像聯合約束平差解算，完成相對定向，再利用外業測量的像控點成果進行約束平差解算，完成絕對定向；③全自動三維建模，采用多機多節點并行運算，將空三加密后的成果數據提交生成三維TIN格網，創建三維白膜、自動紋理映射和傾斜三維模型；④模型后處理，針對建筑物遮擋、噪聲、水域等造成的模型空洞、拉花、變形，采取編輯三角網、重建白膜等方式對重點模型進行精修，為了便于后續的實體選中、賦值，實現實景三維模型的深入應用，還需對模型進行單體化處理。

圖1 實景三維模型生產流程圖

2 模型處理與集成

三維GIS平臺基于空間數據庫技術，依托其大范圍海量的數據管理、可視化和分析能力，可將實景三維模型與BIM模型融合在同一個三維地理環境中，實現二者的空間集成。本文采用偉景行CityMaker實現多種實景三維模型格式與BIM格式的集成。

2.1 實景三維模型處理

實景三維模型主要包括osgb、obj等常見格式，依托于CityMaker對傾斜模型的支持能力，完成實景三維模型數據的格式轉換。

2.2 BIM模型處理

在BIM建模過程中，由于設計對象的不同，通常采用不同的軟件，如利用Civil 3D軟件建立的三維模型，一般是與地形曲面密切相關的帶狀模型（如軟基、道路等）[4]；利用Revit軟件建立的三維模型，一般是構件化的結構較復雜的模型（如橋梁、管網、地下空間等）。由于BIM模型的信息數據量較大，將其在三維GIS場景中集成前需對模型進行優化處理[5]。具體步驟為：①模型切分，結合模型后期報量、進度展示等應用要求，可使用“合并”、“拆分”等命令來修改模型細度，如圖2所示；②添加材質，選擇符合要求的材質賦給模型，使模型外觀更逼真；③屬性賦值，根據BIM標準，賦予三維實體屬性信息；④位置配準，落實BIM模型項目的基點坐標情況，確保正確的空間位置[6]；⑤模型整合，依托應用重新組織BIM模型的結構；⑥格式轉換，依托平臺插件，將BIM模型轉換為FDB數據庫。

圖2 路基模型拆分

2.3 三維場景的集成

利用實景三維數據、BIM數據、二維交通、注記等數據，構建多源數據融合的三維場景。其主要難點在于BIM模型與地理數據的空間位置匹配和地形匹配[7]。

1）空間位置匹配（圖3）。對于項目基點明確、工程坐標準確的BIM模型，通過坐標系統的準確賦值即可完成空間位置的匹配；否則需要通過設計圖紙尋找同名點，計算轉換參數，進而完成三維模型的空間轉換。本文基于二維的四參數轉換，引入高程修改參數，拓展為五參數轉換模型，實現了三維模型在不同坐標系間的嚴密轉換。

圖3 空間位置匹配

2）地形匹配（圖4）。通過直接讀取BIM模型在三維設計階段產生的模型邊界、地形開挖等參數，修改地形，使得地形與BIM模型的嚴密貼合[8]。

3 實景三維模型與BIM技術的集成應用

實景三維模型與BIM技術的集成既能滿足空間分析的宏觀GIS要求，又能滿足BIM技術在項目設計、施工、運維階段的深化應用要求。

3.1 三維空間分析功能

將實景三維模型與BIM數據集成于同一三維空間后，借助于平臺強大的GIS分析功能，可在三維場景中實現各類實用的三維分析功能，如圖5、表2所示。

圖5 可視域分析與控高分析效果

表2 集成后三維場景的三維空間分析功能列表

3.2 輔助規劃設計

1）方案比選和優化。將不同方案的三維模型（BIM模型或3ds Max、Sketchup等主流建模軟件制作的規劃模型）與實景三維場景進行融合，將設計的方案與現狀做真實對比，如圖6所示。通過比例縮放、位置平移和旋轉后，將規劃模型放置于實景三維場景中。若放置位置本身存在相關地物，則將該處的實景三維模型壓平或裁減再進行放置。比較不同方案對城市景觀、周圍建筑的影響，同時配合方案上報數據包中的屬性數據、指標數據、相關附件進行綜合對比評價分析，以直觀的方式評估各方案的優缺點[9]。

圖6 實景三維模型與BIM模型的集成

2）實景三維模型直接導入三維設計平臺。傾斜實景三維模型與Civil 3D的融合有助于設計人員在Civil 3D中基于真實場景和真實地理坐標實現規劃設計。為了將實景三維模型導入Civil 3D，需對傾斜實景三維模型進行格式轉換，將osgb文件拆分為表達結構信息的qxsy文件和表達紋理信息的jpg文件，并生成索引文件，再通過插件將模型導入Civil 3D。通過插件將實景三維模型導入后可生成地形曲面，作為真實地形、地貌、地物的參照，能很好地輔助道路、橋梁等建筑的設計，如圖7所示。

圖7 實景三維模型導入Civil 3D

3）實景三維場景和CAD聯動設計。通過DP-CAD聯動設計軟件，將實景三維模型載入DP軟件中，將DWG數據載入CAD軟件中，可實現二者之間的聯動設計。兩個窗口可同步放大、縮小、漫游，CAD的矢量數據能疊加于實景三維場景之上，在實景三維場景中進行各種標注、勾畫，相關信息也將同步展示于CAD界面中。采用實景三維模型作為設計的基底數據更加真實、直觀，可更好地輔助設計過程。

3.3 BIM深化應用

1）模型庫與設計管理。對所有BIM模型進行統一管理，支持模型漫游、量測、屬性查詢、圖紙關聯、剖切、二維碼查詢、模型信息統計等操作，實現設計圖紙查閱、變更管理、圖模校審等。

2）進度模擬。通過WBS與模型編碼，將進度信息關聯到BIM模型，通過模型展示未建、在建、已完成等工程狀態，實現對進度的對比、分析和反饋。

3）施工場布管理。輔助施工便道設計和變更，優化施工現場平面布置方案，如圖8所示。

圖8 施工場布管理效果

4）施工安全。在BIM模型和實景三維模型集成場景的基礎上，結合視頻、全景、門禁系統以及其他傳感器實時回傳的數據，實現人員進出的可視化管理，自動檢測人和設備的各類行為，對工人的非法操作以及儀器設備的異常狀態進行及時報警。

5）風險管控。業主可通過模型的完成程度直觀查看工程進度，通過模型與實景模型的比對，分析施工偏差，并將工程聯系單、驗收記錄表、施工檢測記錄等工程施工過程文件掛接到模型上，做到質量問題可追溯，如圖9所示。

圖9 風險管控

4 應用案例

依托本文的研究成果，以BIM技術和實景三維模型的集成應用為核心，圍繞橫琴新區海綿城市第一批示范項目、珠海市富山工業園管理委員會珠海市富山第一水質凈化廠、建個元高速公路、巫家壩城市新中心項目BIM全生命周期咨詢服務工程等項目的實施，打造了基于GIS+BIM的項目管控平臺，可實現項目參建各方的協同管理，對項目進度、質量、投資、費用、合同、風險、監測評價和反饋等進行有效管理與控制。

5 結語

BIM技術作為建筑施工行業的新技術，存在并服務于建筑的全生命周期，以三維模型為載體，承載著建筑全生命周期的信息。實景三維建模是利用傾斜攝影等新型測繪手段方便快捷地獲取數據并高度自動化建模的方式，可為項目建設提供大范圍的真實三維環境。本文研究了實景三維模型與BIM技術在工程全生命周期中的集成應用。結果表明，兩種模型可在三維場景中實現有效融合，充分發揮各自的優勢，在規劃、設計、施工、運營維護等各階段發揮重要作用，體現了兩種模型集成應用的可行性和重要性。