BIM+GIS 技術(shù)在宿連航道整治一期工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傅饒，王琦瑋

（1.宿遷市港航事業(yè)發(fā)展中心，安徽 宿遷 223834；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210001）

BIM 是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各類(lèi)相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)工程項(xiàng)目建筑實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)。GIS 是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著三維數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，BIM+GIS 集成與應(yīng)用成為工程行業(yè)關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)之一，對(duì)于交通行業(yè)，尤其是內(nèi)河航道工程這類(lèi)大區(qū)域、長(zhǎng)線(xiàn)型工程而言更是如此[1]。BIM 數(shù)據(jù)可以承載建筑物豐富信息，對(duì)局部細(xì)節(jié)表達(dá)精確，而GIS 數(shù)據(jù)適合表達(dá)大場(chǎng)景地理空間信息，BIM+GIS 數(shù)據(jù)集成融合可以實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[2]。

1 工程概況

宿連航道是《江蘇省干線(xiàn)航道網(wǎng)規(guī)劃（2017-2035 年）》“兩縱五橫”主骨架最北一“橫”徐宿連通道的重要組成部分。航道西起京杭運(yùn)河宿遷城區(qū)段，東至連云港疏港航道，規(guī)劃等級(jí)三級(jí)，線(xiàn)路全長(zhǎng)約124.1km。宿連航道（京杭運(yùn)河至鹽河段）整治工程一期工程起自陸運(yùn)河與京杭運(yùn)河交匯處，終于沭新河南船閘下游，工程里程58.5km，沿線(xiàn)需新（改）建陸運(yùn)河船閘、軍屯河樞紐、沭新河南船閘，新（改）建橋梁17 座，建設(shè)大型水利配套設(shè)施11 座，其中，陸運(yùn)河船閘、軍屯河船閘、沭新河南船閘建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)均為Ⅲ級(jí)船閘，設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)1000t。工程沿線(xiàn)建設(shè)節(jié)點(diǎn)眾多，設(shè)計(jì)范圍大，參與專(zhuān)業(yè)類(lèi)別廣。

2 BIM 模型創(chuàng)建

2.1 BIM 模型創(chuàng)建與組裝

基于設(shè)計(jì)協(xié)同流程和要求，各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員分專(zhuān)業(yè)完成BIM 模型創(chuàng)建，并組裝形成護(hù)岸、船閘、橋梁、地涵、水閘等單體級(jí)BIM 模型。軍屯河樞紐BIM 模型如圖1所示。

圖1 軍屯河樞紐BIM 模型

船閘單體級(jí)BIM總裝模型包含船閘主體（上下閘首、閘室、導(dǎo)航墻、靠船墩）、上下游引航道、船閘管理區(qū)、附屬工程等。

2.2 信息模型分類(lèi)與編碼

統(tǒng)一、準(zhǔn)確的信息模型分類(lèi)編碼是BIM 技術(shù)高效應(yīng)用的重要基礎(chǔ)[3]。BIM 模型創(chuàng)建過(guò)程中，參照《水運(yùn)工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施管理需求，編制項(xiàng)目級(jí)信息模型分類(lèi)編碼標(biāo)準(zhǔn)，并采用自動(dòng)化編碼插件對(duì)BIM 模型構(gòu)件進(jìn)行編碼。

3 GIS 三維模型創(chuàng)建

工程大范圍衛(wèi)片影像圖采用天地圖影像，局部重點(diǎn)區(qū)域疊加無(wú)人機(jī)正射影像。工程大范圍三維地形通過(guò)數(shù)字高程模型（DEM）構(gòu)建。為真實(shí)反映工程周邊區(qū)域環(huán)境要素特征，根據(jù)工程建設(shè)特點(diǎn)，選擇宿連航道整治工程一期工程沿線(xiàn)重要節(jié)點(diǎn)區(qū)域開(kāi)展無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量工作，生成三維實(shí)景模型，并與衛(wèi)片影像圖、三維地形結(jié)合，共同構(gòu)成工程大范圍三維場(chǎng)景環(huán)境。模型生成區(qū)域主要為工程沿線(xiàn)船閘、橋梁、地涵、水閘等節(jié)點(diǎn)建設(shè)區(qū)域。

傾斜攝影測(cè)量及建模工作總體分為外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作兩方面，外業(yè)工作主要包括航線(xiàn)規(guī)劃、飛行任務(wù)執(zhí)行、地面控制點(diǎn)布設(shè)等步驟，內(nèi)業(yè)工作主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測(cè)量、三維重建、成果輸出等步驟。外業(yè)工作完成后，通過(guò)Context Capture 等專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行影像密集匹配、區(qū)域網(wǎng)平差、三維TIN 格網(wǎng)構(gòu)建、三維模型創(chuàng)建、自動(dòng)紋理映射等處理后，輸出三維實(shí)景模型[4]。在輸出模型基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)壓平、裁剪和修補(bǔ)等處理，獲得最終工程GIS 模型成果。

4 BIM+GIS 集成與應(yīng)用

4.1 BIM 與GIS 數(shù)據(jù)融合

項(xiàng)目基于開(kāi)源技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)宿連航道整治工程一期工程相關(guān)BIM 模型數(shù)據(jù)和GIS 數(shù)據(jù)在三維地球場(chǎng)景下的融合。

從BIM、GIS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，考慮在GIS 環(huán)境中融合BIM 模型，通過(guò)將BIM 模型轉(zhuǎn)換成與GIS 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容的格式，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一場(chǎng)景中集成顯示BIM 和GIS 信息。項(xiàng)目選用3D Tiles 作為BIM與GIS 信息融合的三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。工程BIM 模型創(chuàng)建后，通過(guò)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出插件實(shí)現(xiàn)rvt 等BIM 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為3D Tiles 數(shù)據(jù)格式。3DTiles 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于GIS 領(lǐng)域，因此GIS 領(lǐng)域?qū)υ摂?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)支持較好，Context Capture軟件可直接輸出3DTiles 數(shù)據(jù)格式的傾斜攝影三維實(shí)景模型。在BIM、GIS 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采用模型三角網(wǎng)壓縮、紋理簡(jiǎn)化、考慮LOD 分級(jí)等方式進(jìn)行模型輕量化，并通過(guò)投影系設(shè)置和基點(diǎn)定位完成模型位置配置，最終實(shí)現(xiàn)宿連航道整治工程一期工程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在Web 端三維地球場(chǎng)景下的集成與可視化。BIM+GIS數(shù)據(jù)融合場(chǎng)景如圖2 所示。

圖2 BIM+GIS 數(shù)據(jù)融合場(chǎng)景

圖3 系統(tǒng)場(chǎng)景沙盤(pán)模塊界面

圖4 系統(tǒng)船閘BIM 模塊界面

4.2 基于BIM+GIS 的設(shè)計(jì)方案比選優(yōu)化

宿連航道整治工程一期工程里程較長(zhǎng)，沿線(xiàn)節(jié)點(diǎn)眾多，設(shè)計(jì)限制因素復(fù)雜。基于BIM+GIS 數(shù)據(jù)融合場(chǎng)景，可助力本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案比選優(yōu)化。通過(guò)在線(xiàn)三維可視化場(chǎng)景環(huán)境的便捷展示，項(xiàng)目參建方可通過(guò)可視化、沉浸式漫游等方式直觀(guān)查看各設(shè)計(jì)方案并精確識(shí)別工程周邊環(huán)境因素、自然條件及限制因素等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選優(yōu)化，從而使得項(xiàng)目方案的溝通、討論、決策可以更容易地進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案決策的直觀(guān)和高效。

4.3 碰撞檢查

基于工程整合模型可進(jìn)行碰撞檢查及三維校審，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定專(zhuān)業(yè)間、專(zhuān)業(yè)內(nèi)碰撞規(guī)則并檢查，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)模型中的硬碰撞問(wèn)題（直接接觸或交叉等）與軟碰撞問(wèn)題（凈空間距保障等），快速定位設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或遺漏。通過(guò)及時(shí)反饋碰撞問(wèn)題并修改完善，能夠顯著減少設(shè)計(jì)過(guò)程中錯(cuò)漏碰缺等問(wèn)題，從而提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.4 工程量統(tǒng)計(jì)

BIM 是對(duì)建筑物物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，包含了設(shè)計(jì)過(guò)程必備的幾何信息和非幾何信息。基于精確的BIM 模型，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，可快速、準(zhǔn)確地生成工程量統(tǒng)計(jì)表，提升設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。此外，GIS 三維模型也可輔助工程總體特征數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)工作。

4.5 三維可視化渲染漫游

集成工程相關(guān)模型成果后，可通過(guò)可視化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)交底。利用Twinmotion 軟件對(duì)模型進(jìn)行加工與渲染，實(shí)現(xiàn)基于三維可視化模型的渲染、全景漫游和其他效果表現(xiàn)，并輸出全景圖片、視頻動(dòng)畫(huà)等。通過(guò)該方式可直觀(guān)地對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行展示與檢查，從而發(fā)現(xiàn)可能的設(shè)計(jì)缺陷或問(wèn)題，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，為參建各方搭建了高效的溝通橋梁，并可輔助設(shè)計(jì)交底工作更直觀(guān)、高效開(kāi)展。

4.6 基于BIM+GIS 的工程可視化管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于WebGL 技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于BIM+GIS 的宿連航道工程可視化管理系統(tǒng)，充分整合工程BIM 模型、GIS 模型等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)相關(guān)信息，提供基于BIM+GIS的三維可視化數(shù)據(jù)管理能力。

系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server，后端采用spring boot 框架，獲取前端傳遞的數(shù)據(jù)并進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理和接口封裝。前端采用layui 框架和HTML5+CSS3 開(kāi)發(fā)用戶(hù)交互網(wǎng)頁(yè)，使用javaScript 和JQuery 對(duì)用戶(hù)操作進(jìn)行預(yù)處理和響應(yīng)。

系統(tǒng)共劃分五大功能模塊，其中，工程總覽模塊主要基于二維地圖場(chǎng)景，集成與展示項(xiàng)目特征信息、工程重要節(jié)點(diǎn)位置及單體基本信息；場(chǎng)景沙盤(pán)模塊基于Cesium 引擎開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)三維地球場(chǎng)景下的工程相關(guān)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及可視化管理；船閘BIM 模塊基于Three.js 引擎開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)以信息模型分類(lèi)編碼體系為依托的船閘工程構(gòu)件與設(shè)備精細(xì)化管理；文檔管理模塊主要用于管理工程相關(guān)文件數(shù)據(jù)；用戶(hù)管理模塊主要用于管理用戶(hù)賬號(hào)并設(shè)置賬號(hào)權(quán)限。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目創(chuàng)建宿連航道整治工程一期工程沿線(xiàn)護(hù)岸、船閘、橋梁等BIM 模型，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建工程區(qū)域三維實(shí)景模型，通過(guò)開(kāi)源技術(shù)二次開(kāi)發(fā)，基于3D Tiles 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)BIM 模型數(shù)據(jù)和GIS 數(shù)據(jù)在三維地球場(chǎng)景下的融合。在BIM+GIS數(shù)據(jù)融合場(chǎng)景基礎(chǔ)上，開(kāi)展工程設(shè)計(jì)階段各項(xiàng)應(yīng)用，并開(kāi)發(fā)了基于BIM+GIS的宿連航道工程可視化管理系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量得到提升，同時(shí)為工程后續(xù)階段系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供高精度三維數(shù)字底座支撐。