BIM與GIS融合的工程數(shù)字孿生平臺(tái)研究及應(yīng)用

陳宇　孫輝　張衛(wèi)兵　黎旭　劉邦玉

摘要：針對(duì)高速公路作業(yè)面分布非常廣、BIM技術(shù)不能搭建地理環(huán)境大場(chǎng)景、GIS技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物單體內(nèi)部構(gòu)件級(jí)精細(xì)化管理的問(wèn)題，文章研究了公路工程多專業(yè)BIM快速建模與大范圍地形影像數(shù)據(jù)采集、處理、融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在三維環(huán)境中對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行宏觀場(chǎng)景和微觀構(gòu)件的多層級(jí)可視化管理。同時(shí)，以三維虛擬BIM模型為工程數(shù)據(jù)載體，GIS實(shí)景模型為數(shù)據(jù)底座，通過(guò)BES與WBS的映射將業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成到BIM+GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目工程實(shí)體的數(shù)字化、管理業(yè)務(wù)的智能化、業(yè)務(wù)流程的線上化，推動(dòng)工程項(xiàng)目管理向智能化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；GIS技術(shù)；數(shù)據(jù)融合；業(yè)務(wù)系統(tǒng)；項(xiàng)目管理

0引言

BIM技術(shù)能將構(gòu)筑物工程信息數(shù)據(jù)以三維模型形式集成展示，相比傳統(tǒng)的二維圖紙表達(dá)，更易實(shí)現(xiàn)工程信息的共享與傳遞。但BIM模型僅針對(duì)單一構(gòu)筑物進(jìn)行信息的集成展示，在精確定位地理位置、分析地理空間信息以及展示工程周邊地理環(huán)境方面存在嚴(yán)重不足。而GIS技術(shù)可以對(duì)工程合同段范圍內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行完美地集成、展示和分析，但GIS無(wú)法獲取工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的信息數(shù)據(jù)，不能滿足工地現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工程實(shí)體結(jié)構(gòu)構(gòu)件級(jí)的管理需求。基于此，整合BIM結(jié)構(gòu)物精細(xì)模型與GIS地理環(huán)境實(shí)景模型，實(shí)現(xiàn)微觀領(lǐng)域BIM信息與宏觀領(lǐng)域GIS信息的集成交互，成為工程行業(yè)發(fā)展的一大熱點(diǎn)［1］。高速公路項(xiàng)目建設(shè)線路長(zhǎng)、范圍廣、業(yè)務(wù)復(fù)雜，存在建設(shè)過(guò)程可視化程度低、出錯(cuò)率高、信息協(xié)同效率差、業(yè)務(wù)管理脫節(jié)等一系列問(wèn)題。基于BIM和GIS技術(shù)，結(jié)合信息化業(yè)務(wù)管理軟件，將項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的質(zhì)量、計(jì)量、實(shí)驗(yàn)等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)整合，形成全線數(shù)據(jù)互通共享的BIM+GIS可視化管理平臺(tái)，最大限度地降低項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的監(jiān)管、交通和辦公成本，成為公路工程乃至交通工程項(xiàng)目管理發(fā)展的新方向，并具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 多專業(yè)BIM快速建模技術(shù)

為滿足公路工程項(xiàng)目建設(shè)管理建模的時(shí)效性，創(chuàng)新性地提出了BIM高效建模方式。針對(duì)路基領(lǐng)域，采用“先精細(xì)、后組合”的構(gòu)件表達(dá)思路，創(chuàng)建出能夠自適應(yīng)所有地形的標(biāo)準(zhǔn)路基路面部件，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線性路基的快速建模；圍繞橋梁建模，將橋梁抽象為零件層、組件層、構(gòu)建層等參數(shù)化族庫(kù)，并建立了上百種常規(guī)橋梁參數(shù)化族庫(kù)，定義了每種族庫(kù)模型樣式和屬性格式，通過(guò)提取橋梁梁片尺寸、樁徑等參數(shù)信息，以實(shí)現(xiàn)不同布梁情況下梁體長(zhǎng)度、橫坡、梁端首尾夾角、邊梁翼緣懸臂等尺寸的自動(dòng)化調(diào)整匹配；隧道領(lǐng)域則采用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)建立參數(shù)化族庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)化快速創(chuàng)建，且將族模型屬性寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，方便自動(dòng)創(chuàng)建EBS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型的分離，繼而支持形象進(jìn)度、質(zhì)檢資料管理等業(yè)務(wù)的管理工作。以上建模方法極大地減少了手動(dòng)干預(yù)模型的時(shí)間，有效地提升了建模的效率和精準(zhǔn)度［2］，為公路工程百公里級(jí)范圍實(shí)體結(jié)構(gòu)微觀構(gòu)件級(jí)可視化管理提供了模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 高精度地形影像采集技術(shù)

為進(jìn)一步提高公路建設(shè)項(xiàng)目大起伏地形影像數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確率與效率，針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集時(shí)存在的高程數(shù)據(jù)需事先獲取、仿地飛行精度低等問(wèn)題，提出了基于實(shí)時(shí)雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)的地形預(yù)判與仿地飛行控制技術(shù)，無(wú)需事先獲取高程數(shù)據(jù)，一次飛行即可完成采集，解決了實(shí)際作業(yè)中需航飛二次進(jìn)山的難題，并通過(guò)劃分前方區(qū)域?yàn)槿舾勺訁^(qū)域，基于海拔高程擬合以識(shí)別前方區(qū)域，避免了仿地飛行和避障操作的沖突，大幅提升了無(wú)人機(jī)采集作業(yè)的準(zhǔn)確率與效率。通過(guò)毫米波雷達(dá)架構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)人機(jī)測(cè)距量程可達(dá)到300 m，測(cè)距精度達(dá)10 cm，測(cè)距精度和量程大大提高，實(shí)現(xiàn)了公路項(xiàng)目大起伏地形影像的高效、精準(zhǔn)采集。

3 大場(chǎng)景實(shí)景三維建模技術(shù)

為構(gòu)建長(zhǎng)線性工程建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)字化施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)環(huán)境的可視化和數(shù)據(jù)化管理，通過(guò)采用空地一體多源數(shù)據(jù)聯(lián)合空三定向方法［3］，克服了空地影像在分辨率、攝影角度、影像輻射特性等方面的差異，并通過(guò)POS輔助、DSM引導(dǎo)、抗變形矩不變特征匹配等技術(shù)綜合應(yīng)用，解決多源影像間轉(zhuǎn)點(diǎn)的匹配難題［4］；同時(shí)采用分布式優(yōu)化方案，將全局光束法平差修正為基于共軛梯度的迭代求解法，有效地將計(jì)算峰值均勻地配置到算法管道的多個(gè)環(huán)節(jié)，大幅度提升了傾斜攝影數(shù)據(jù)后處理的效率和質(zhì)量；搭建分布式集群運(yùn)算服務(wù)框架，將基于GPU加速的影像匹配算法，實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)范圍的復(fù)雜山區(qū)交通線路海量原始地形影像實(shí)景三維建模的高效處理。

4 BIM與GIS融合的工程數(shù)字孿生平臺(tái)

針對(duì)公路工程大體量BIM與GIS數(shù)據(jù)融合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換慢、配準(zhǔn)率低、承載難度大等問(wèn)題，研發(fā)了BIM與GIS融合的工程數(shù)字孿生平臺(tái)，構(gòu)建了以三維實(shí)景模型為基底參考的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)框架，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)地形、高清影像、實(shí)景三維傾斜攝影、激光點(diǎn)云、三維建模等多源GIS數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)的自動(dòng)化配準(zhǔn)；針對(duì)各類多源數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了多源空間數(shù)據(jù)管理插件，采用金字塔、空間索引、緩存切片等各類技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，極大地提升了大范圍場(chǎng)景下各類數(shù)據(jù)在web端的刷新響應(yīng)效率，從而實(shí)現(xiàn)大范圍場(chǎng)景BIM與三維GIS數(shù)據(jù)的高精配準(zhǔn)與融合，為后續(xù)數(shù)字化施工各業(yè)務(wù)管理進(jìn)行三維可視化賦能。同時(shí)，針對(duì)施工過(guò)程中各業(yè)務(wù)管理脫節(jié)、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通性差、數(shù)據(jù)孤島、無(wú)法采用統(tǒng)一的數(shù)字化管理平臺(tái)對(duì)工程各管理過(guò)程進(jìn)行有效的可視化管理等問(wèn)題，平臺(tái)首先根據(jù)公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和公路工程標(biāo)準(zhǔn)施工招標(biāo)文件工程量清單計(jì)量規(guī)則建立了統(tǒng)一的工作結(jié)構(gòu)分解數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，解決了質(zhì)檢、進(jìn)度、計(jì)量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)引用的一致性問(wèn)題［5］；然后以標(biāo)準(zhǔn)WBS作為BIM建模細(xì)度依據(jù)，將BIM模型構(gòu)件編碼與WBS分項(xiàng)工程節(jié)點(diǎn)編碼設(shè)置一致，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)WBS結(jié)構(gòu)樹(shù)與BIM模型工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（EBS）結(jié)構(gòu)樹(shù)之間的映射，達(dá)到BIM圖形數(shù)據(jù)與工程業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享與有效協(xié)同，解決了系統(tǒng)與業(yè)務(wù)“兩張皮”現(xiàn)狀；最后以公路實(shí)景三維GIS模型為數(shù)據(jù)底座、BIM模型為工程數(shù)據(jù)載體、標(biāo)準(zhǔn)化WBS為業(yè)務(wù)紐帶將工程管理核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行集成，打造基于BIM與GIS融合的公路工程全管理要素?cái)?shù)字孿生平臺(tái)，將工程管理從平面多點(diǎn)式提升到三維協(xié)同式，解決業(yè)務(wù)系統(tǒng)碎片、數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)錄入一數(shù)一源、工程數(shù)據(jù)可追溯、內(nèi)業(yè)資料無(wú)返工、進(jìn)度產(chǎn)值計(jì)量“三同步”的三維數(shù)字化管理，從而縮短項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)處理周期，提升項(xiàng)目決策的效率和科學(xué)性。

5 應(yīng)用案例

5.1 工程概況

龍勝—恫中口岸公路龍勝芙蓉至縣城段路線高速公路項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱龍城路），位于桂林市龍勝縣馬堤鄉(xiāng)芙蓉村西北側(cè)廣西與湖南交界處，路線沿途跨越尋江，經(jīng)馬堤鄉(xiāng)、泗水鄉(xiāng)及龍勝鎮(zhèn)等3鄉(xiāng)10村，與桂三高速公路相連；設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h，雙向四車道，橋隧比約65.4%，投資約60億元，征地3 000畝，建設(shè)工期3年。項(xiàng)目征地范圍廣，臨建場(chǎng)站規(guī)劃建設(shè)難度大，且沿線地形地貌復(fù)雜，存在人工檢校難度大、施工過(guò)程難推演、施工工藝交底困難、工程進(jìn)度展示難、工程信息傳遞滯后不全、管理決策粗放拖延等問(wèn)題，亟需一套集GIS的宏觀全線管理、BIM的微觀構(gòu)件管理及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)精細(xì)化管理于一體的多層次項(xiàng)目管理系統(tǒng)。

5.2 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目通過(guò)自建的參數(shù)化族庫(kù)以及根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙整理出來(lái)的建模參數(shù)，按照參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)了全線多專業(yè)的BIM自動(dòng)化建模，共創(chuàng)建了本項(xiàng)目全線32 km的路基模型、46座橋梁模型、5座隧道模型，部分BIM模型成果如下頁(yè)圖1所示。將高精度的BIM模型、設(shè)計(jì)圖紙與AR軟件關(guān)聯(lián)，通過(guò)Unity軟件在施工圖紙中添加識(shí)別圖標(biāo)，即可通過(guò)手機(jī)端掃描圖紙得出工程實(shí)體構(gòu)件的三維模型，將模型疊加于實(shí)際施工部位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)交底，解決了工人看圖難的問(wèn)題，降低了項(xiàng)目溝通成本［6］。同時(shí)利用BIM模型對(duì)項(xiàng)目各關(guān)鍵性工程施工工藝進(jìn)行虛擬建造演示，彌補(bǔ)傳統(tǒng)圖紙、施工方案等靜態(tài)展示的不足，幫助現(xiàn)場(chǎng)人員掌握施工要點(diǎn)，明確各類施工工序，提前預(yù)知問(wèn)題并優(yōu)化解決，減少返工出錯(cuò)率，在實(shí)際生成中起到降本增效的作用，為項(xiàng)目節(jié)省了大量工期。

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)高效精準(zhǔn)采集了本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)395 km2精度達(dá)0.15m的地理數(shù)據(jù)，將地理信息導(dǎo)入Photo scan軟件中處理成可導(dǎo)入Midas Civil 3D軟件的數(shù)據(jù)模型［7］。項(xiàng)目成功獲取了大量現(xiàn)場(chǎng)地勘信息，有效地避免了勘測(cè)人員人工作業(yè)產(chǎn)生的安全及質(zhì)量隱患，極大地節(jié)約了人力資源成本。如下頁(yè)圖2所示，GIS實(shí)景三維模型將項(xiàng)目施工工地現(xiàn)場(chǎng)搬到辦公室電腦計(jì)算機(jī)環(huán)境中進(jìn)行三維可視化協(xié)同管理，為項(xiàng)目提供一幅合同段范圍內(nèi)的工程三維活地圖，在項(xiàng)目早期進(jìn)場(chǎng)時(shí)就可直觀查看周邊地形地貌，為項(xiàng)目征拆、駐地選址、場(chǎng)站建設(shè)、取棄土場(chǎng)選取、施工便道選址等提供了三維指導(dǎo)。同時(shí)基于BIM+GIS融合的工程數(shù)字孿生平臺(tái)空間分析功能，項(xiàng)目管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的布置提前進(jìn)行部署、規(guī)劃和推演，以更加直觀的方式比選出最優(yōu)方案，優(yōu)化了項(xiàng)目資源配置，達(dá)到數(shù)據(jù)多跑腿、人員少跑腿的目的；平臺(tái)準(zhǔn)確注記了全線工程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)站布置、施工便道、施工范圍、項(xiàng)目駐地等位置信息，可根據(jù)實(shí)體結(jié)構(gòu)物樁號(hào)、名稱一鍵定位查找；項(xiàng)目定期對(duì)實(shí)景模型進(jìn)行更新，對(duì)比查看多期實(shí)景模型的變化情況，直觀展示工程建設(shè)進(jìn)度情況，加強(qiáng)了項(xiàng)目人員對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的管理，使現(xiàn)場(chǎng)管理更加直觀高效。結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工程屏幕端的可視化，在可視化的三維地圖[KG（0.14mm]中可選擇任意工程項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化定位和視頻觀察，遠(yuǎn)程管理人員均可看到工程現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，且均可在BIM+GIS平臺(tái)上進(jìn)行量測(cè)及標(biāo)注，并基于此進(jìn)行協(xié)同討論，顯著加快了信息傳遞，提高了項(xiàng)目決策效率。

平臺(tái)以三維BIM模型為數(shù)據(jù)載體，將工程實(shí)體分解結(jié)構(gòu)與BIM建模進(jìn)行統(tǒng)一，把業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成到BIM+GIS模型，同時(shí)統(tǒng)一工作流程、統(tǒng)一清單編制、統(tǒng)一工序用表、固化工作任務(wù)，并將工程文件、表格、清單與施工工序一一匹配，在3D圖形界面展示三維形象進(jìn)度及資料情況，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體數(shù)字化、管理業(yè)務(wù)智能化、業(yè)務(wù)流程線上化。與傳統(tǒng)管理模式相比，龍城路BIM+GIS建設(shè)管理平臺(tái)整體上達(dá)到了可視化、痕跡化、閉環(huán)化管理的目的，使施工現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)處理周期平均縮短了50%以上，任務(wù)閉環(huán)率提升了30%，間接節(jié)省項(xiàng)目施工管理成本1 000萬(wàn)元以上。

6 結(jié)語(yǔ)

本文創(chuàng)新了公路工程路基、橋梁、隧道專業(yè)的建模方法，實(shí)現(xiàn)了龍城路長(zhǎng)線性工程大場(chǎng)景BIM模型的高效精準(zhǔn)創(chuàng)建；同時(shí)提出了基于實(shí)時(shí)雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)的地形預(yù)判與仿地飛行控制技術(shù)，大幅提升了無(wú)人機(jī)作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了龍城路項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)395 km2地理數(shù)據(jù)的高效采集；研發(fā)了BIM與GIS融合的工程數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在三維地圖中對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行宏觀場(chǎng)景和微觀構(gòu)件的多層級(jí)可視化管理；通過(guò)底層的數(shù)據(jù)拉通，以三維BIM模型為數(shù)據(jù)載體，研發(fā)了一數(shù)一源、數(shù)據(jù)集成共享的數(shù)字化項(xiàng)目管理平臺(tái)，解決了項(xiàng)目管理中質(zhì)檢、試驗(yàn)、計(jì)量等核心業(yè)務(wù)管理脫節(jié)、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通性差的問(wèn)題，推進(jìn)了工程項(xiàng)目全業(yè)務(wù)流程、全生命周期的協(xié)同管理，推動(dòng)了工程項(xiàng)目管理向智能化方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：陳 宇（1979—），碩士，高級(jí)工程師，研究方向：高速公路工程管理研究。