BIM與GIS融合的工程數字孿生平臺研究及應用

陳宇　孫輝　張衛兵　黎旭　劉邦玉

摘要：針對高速公路作業面分布非常廣、BIM技術不能搭建地理環境大場景、GIS技術無法實現構筑物單體內部構件級精細化管理的問題，文章研究了公路工程多專業BIM快速建模與大范圍地形影像數據采集、處理、融合技術，實現了在三維環境中對整個工程項目進行宏觀場景和微觀構件的多層級可視化管理。同時，以三維虛擬BIM模型為工程數據載體，GIS實景模型為數據底座，通過BES與WBS的映射將業務系統集成到BIM+GIS平臺，實現項目工程實體的數字化、管理業務的智能化、業務流程的線上化，推動工程項目管理向智能化方向發展。

關鍵詞：BIM技術；GIS技術；數據融合；業務系統；項目管理

0引言

BIM技術能將構筑物工程信息數據以三維模型形式集成展示，相比傳統的二維圖紙表達，更易實現工程信息的共享與傳遞。但BIM模型僅針對單一構筑物進行信息的集成展示，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境方面存在嚴重不足。而GIS技術可以對工程合同段范圍內的地理信息數據進行完美地集成、展示和分析，但GIS無法獲取工程結構物內部的信息數據，不能滿足工地現場對工程實體結構構件級的管理需求。基于此，整合BIM結構物精細模型與GIS地理環境實景模型，實現微觀領域BIM信息與宏觀領域GIS信息的集成交互，成為工程行業發展的一大熱點［1］。高速公路項目建設線路長、范圍廣、業務復雜，存在建設過程可視化程度低、出錯率高、信息協同效率差、業務管理脫節等一系列問題。基于BIM和GIS技術，結合信息化業務管理軟件，將項目建設過程中的質量、計量、實驗等各類業務數據進行有機整合，形成全線數據互通共享的BIM+GIS可視化管理平臺，最大限度地降低項目建設過程中的監管、交通和辦公成本，成為公路工程乃至交通工程項目管理發展的新方向，并具有廣闊的市場應用前景。

1 多專業BIM快速建模技術

為滿足公路工程項目建設管理建模的時效性，創新性地提出了BIM高效建模方式。針對路基領域，采用“先精細、后組合”的構件表達思路，創建出能夠自適應所有地形的標準路基路面部件，以實現長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、構建層等參數化族庫，并建立了上百種常規橋梁參數化族庫，定義了每種族庫模型樣式和屬性格式，通過提取橋梁梁片尺寸、樁徑等參數信息，以實現不同布梁情況下梁體長度、橫坡、梁端首尾夾角、邊梁翼緣懸臂等尺寸的自動化調整匹配；隧道領域則采用參數化驅動的方式，通過建立參數化族庫來實現模型的自動化快速創建，且將族模型屬性寫入數據庫，方便自動創建EBS數據，實現數據和模型的分離，繼而支持形象進度、質檢資料管理等業務的管理工作。以上建模方法極大地減少了手動干預模型的時間，有效地提升了建模的效率和精準度［2］，為公路工程百公里級范圍實體結構微觀構件級可視化管理提供了模型數據基礎。

2 高精度地形影像采集技術

為進一步提高公路建設項目大起伏地形影像數據采集的準確率與效率，針對傳統無人機數據采集時存在的高程數據需事先獲取、仿地飛行精度低等問題，提出了基于實時雷達測高數據的地形預判與仿地飛行控制技術，無需事先獲取高程數據，一次飛行即可完成采集，解決了實際作業中需航飛二次進山的難題，并通過劃分前方區域為若干子區域，基于海拔高程擬合以識別前方區域，避免了仿地飛行和避障操作的沖突，大幅提升了無人機采集作業的準確率與效率。通過毫米波雷達架構設計，無人機測距量程可達到300 m，測距精度達10 cm，測距精度和量程大大提高，實現了公路項目大起伏地形影像的高效、精準采集。

3 大場景實景三維建模技術

為構建長線性工程建設項目的數字化施工現場，實現公路建設環境的可視化和數據化管理，通過采用空地一體多源數據聯合空三定向方法［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POS輔助、DSM引導、抗變形矩不變特征匹配等技術綜合應用，解決多源影像間轉點的匹配難題［4］；同時采用分布式優化方案，將全局光束法平差修正為基于共軛梯度的迭代求解法，有效地將計算峰值均勻地配置到算法管道的多個環節，大幅度提升了傾斜攝影數據后處理的效率和質量；搭建分布式集群運算服務框架，將基于GPU加速的影像匹配算法，實現百公里級范圍的復雜山區交通線路海量原始地形影像實景三維建模的高效處理。

4 BIM與GIS融合的工程數字孿生平臺

針對公路工程大體量BIM與GIS數據融合坐標轉換慢、配準率低、承載難度大等問題，研發了BIM與GIS融合的工程數字孿生平臺，構建了以三維實景模型為基底參考的動態數據配準框架，實現了基礎地形、高清影像、實景三維傾斜攝影、激光點云、三維建模等多源GIS數據與BIM數據的自動化配準；針對各類多源數據的結構及特點，開發了多源空間數據管理插件，采用金字塔、空間索引、緩存切片等各類技術手段進行數據預處理，極大地提升了大范圍場景下各類數據在web端的刷新響應效率，從而實現大范圍場景BIM與三維GIS數據的高精配準與融合，為后續數字化施工各業務管理進行三維可視化賦能。同時，針對施工過程中各業務管理脫節、數據互聯互通性差、數據孤島、無法采用統一的數字化管理平臺對工程各管理過程進行有效的可視化管理等問題，平臺首先根據公路工程質量檢驗評定標準和公路工程標準施工招標文件工程量清單計量規則建立了統一的工作結構分解數據標準，解決了質檢、進度、計量等業務數據引用的一致性問題［5］；然后以標準WBS作為BIM建模細度依據，將BIM模型構件編碼與WBS分項工程節點編碼設置一致，從而實現標準WBS結構樹與BIM模型工程系統分解結構（EBS）結構樹之間的映射，達到BIM圖形數據與工程業務管理系統數據的共享與有效協同，解決了系統與業務“兩張皮”現狀；最后以公路實景三維GIS模型為數據底座、BIM模型為工程數據載體、標準化WBS為業務紐帶將工程管理核心業務系統進行集成，打造基于BIM與GIS融合的公路工程全管理要素數字孿生平臺，將工程管理從平面多點式提升到三維協同式，解決業務系統碎片、數據孤島問題，實現工程項目數據錄入一數一源、工程數據可追溯、內業資料無返工、進度產值計量“三同步”的三維數字化管理，從而縮短項目現場任務處理周期，提升項目決策的效率和科學性。

5 應用案例

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目（簡稱龍城路），位于桂林市龍勝縣馬堤鄉芙蓉村西北側廣西與湖南交界處，路線沿途跨越尋江，經馬堤鄉、泗水鄉及龍勝鎮等3鄉10村，與桂三高速公路相連；設計時速為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，建設工期3年。項目征地范圍廣，臨建場站規劃建設難度大，且沿線地形地貌復雜，存在人工檢校難度大、施工過程難推演、施工工藝交底困難、工程進度展示難、工程信息傳遞滯后不全、管理決策粗放拖延等問題，亟需一套集GIS的宏觀全線管理、BIM的微觀構件管理及業務數據精細化管理于一體的多層次項目管理系統。

5.2 應用效果

本項目通過自建的參數化族庫以及根據設計圖紙整理出來的建模參數，按照參數化驅動的方式，實現了全線多專業的BIM自動化建模，共創建了本項目全線32 km的路基模型、46座橋梁模型、5座隧道模型，部分BIM模型成果如下頁圖1所示。將高精度的BIM模型、設計圖紙與AR軟件關聯，通過Unity軟件在施工圖紙中添加識別圖標，即可通過手機端掃描圖紙得出工程實體構件的三維模型，將模型疊加于實際施工部位，實現精準交底，解決了工人看圖難的問題，降低了項目溝通成本［6］。同時利用BIM模型對項目各關鍵性工程施工工藝進行虛擬建造演示，彌補傳統圖紙、施工方案等靜態展示的不足，幫助現場人員掌握施工要點，明確各類施工工序，提前預知問題并優化解決，減少返工出錯率，在實際生成中起到降本增效的作用，為項目節省了大量工期。

通過無人機傾斜攝影技術高效精準采集了本項目現場395 km2精度達0.15m的地理數據，將地理信息導入Photo scan軟件中處理成可導入Midas Civil 3D軟件的數據模型［7］。項目成功獲取了大量現場地勘信息，有效地避免了勘測人員人工作業產生的安全及質量隱患，極大地節約了人力資源成本。如下頁圖2所示，GIS實景三維模型將項目施工工地現場搬到辦公室電腦計算機環境中進行三維可視化協同管理，為項目提供一幅合同段范圍內的工程三維活地圖，在項目早期進場時就可直觀查看周邊地形地貌，為項目征拆、駐地選址、場站建設、取棄土場選取、施工便道選址等提供了三維指導。同時基于BIM+GIS融合的工程數字孿生平臺空間分析功能，項目管理人員對現場的布置提前進行部署、規劃和推演，以更加直觀的方式比選出最優方案，優化了項目資源配置，達到數據多跑腿、人員少跑腿的目的；平臺準確注記了全線工程現場場站布置、施工便道、施工范圍、項目駐地等位置信息，可根據實體結構物樁號、名稱一鍵定位查找；項目定期對實景模型進行更新，對比查看多期實景模型的變化情況，直觀展示工程建設進度情況，加強了項目人員對工程現場的管理，使現場管理更加直觀高效。結合視頻監控系統，實現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目進行自動化定位和視頻觀察，遠程管理人員均可看到工程現場的施工情況，且均可在BIM+GIS平臺上進行量測及標注，并基于此進行協同討論，顯著加快了信息傳遞，提高了項目決策效率。

平臺以三維BIM模型為數據載體，將工程實體分解結構與BIM建模進行統一，把業務系統集成到BIM+GIS模型，同時統一工作流程、統一清單編制、統一工序用表、固化工作任務，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度及資料情況，實現工程實體數字化、管理業務智能化、業務流程線上化。與傳統管理模式相比，龍城路BIM+GIS建設管理平臺整體上達到了可視化、痕跡化、閉環化管理的目的，使施工現場任務處理周期平均縮短了50%以上，任務閉環率提升了30%，間接節省項目施工管理成本1 000萬元以上。

6 結語

本文創新了公路工程路基、橋梁、隧道專業的建模方法，實現了龍城路長線性工程大場景BIM模型的高效精準創建；同時提出了基于實時雷達測高數據的地形預判與仿地飛行控制技術，大幅提升了無人機作業效率，實現了龍城路項目現場395 km2地理數據的高效采集；研發了BIM與GIS融合的工程數字孿生平臺，實現了在三維地圖中對本項目進行宏觀場景和微觀構件的多層級可視化管理；通過底層的數據拉通，以三維BIM模型為數據載體，研發了一數一源、數據集成共享的數字化項目管理平臺，解決了項目管理中質檢、試驗、計量等核心業務管理脫節、數據互聯互通性差的問題，推進了工程項目全業務流程、全生命周期的協同管理，推動了工程項目管理向智能化方向發展。

參考文獻：

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［4］唐 恬，趙國民.增強現實三維建模在警用地理信息平臺的應用［J］.計算機時代，2017（7）：42-46.

［5］劉凱豐，王金龍，田海燕.EPC精益管理：實現三個“轉向”的突破口［J］.中國公路，2018（10）：56-58.

［6］孫 輝.BIM技術在隧道工程中的應用［J］.西部交通科技，2018（7）：124-128，171.

［7］蔣贛猷，林廣泰，謝燦榮，等.BIM虛擬技術在異形建筑施工中的應用分析［J］.西部交通科技，2019（3）：137-140.

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