曾慶偉，王 濤，晁召波

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710043)

BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用

曾慶偉1，王 濤1，晁召波2

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000； 2. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710043)

建筑信息模型(BIM)技術(shù)以其三維、實(shí)時(shí)且全生命周期的建筑信息管理模式，為地理國情監(jiān)測提供了新的信息獲取途徑和方法。本文分析了BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測應(yīng)用中的必要性和可行性，研究了BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測的模型創(chuàng)建、變形預(yù)測、信息獲取與管理等方面的應(yīng)用。測繪單位可通過進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析工作，挖掘建筑BIM成果中蘊(yùn)含的地理要素信息，為全覆蓋的地理國情監(jiān)測創(chuàng)造條件。

BIM技術(shù)；測繪信息化；地理國情監(jiān)測；應(yīng)用

地理國情是反映一個(gè)國家在特定時(shí)期的自然、經(jīng)濟(jì)、人文等地理要素信息，包括國土疆域概況、地理區(qū)域特征、地形地貌特征、道路交通網(wǎng)絡(luò)、江河湖海分布、土地利用與土地覆蓋、城市布局和城鎮(zhèn)化擴(kuò)張、災(zāi)害分布、環(huán)境與生態(tài)狀況等基本情況。當(dāng)前，我國正處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，產(chǎn)生了大量的高層建筑、地鐵、隧道、高速鐵路等重要單體構(gòu)筑物，地表地理要素信息快速變化?？陀^準(zhǔn)確地掌握地理國情變化，進(jìn)行科學(xué)有效的宏觀調(diào)控，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的緊迫性更加突出。

開展地理國情監(jiān)測，提供地理要素的時(shí)空分布模式、數(shù)量與質(zhì)量統(tǒng)計(jì)特征、發(fā)展趨勢與演變規(guī)律等是測繪地理信息服務(wù)的進(jìn)一步深化發(fā)展[1]。其不僅可以為政府部門科學(xué)決策提供依據(jù)，提高管理的科學(xué)性、規(guī)范性和前瞻性，優(yōu)化國土空間利用，推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)；而且可以使社會(huì)公眾全面、直觀地了解國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、環(huán)境變化等方面的實(shí)際情況，促進(jìn)公眾提高節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，自覺選擇綠色、低碳生活方式，攜手共建美麗中國。

地理國情監(jiān)測基于對地理要素基本情況的全面、準(zhǔn)確掌握，利用地理空間信息數(shù)據(jù)構(gòu)建地理國情信息本底數(shù)據(jù)庫，集成多專題資源數(shù)據(jù)形成地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，是地理國情信息服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)[2]。開展地理國情監(jiān)測要充分利用已取得的測繪信息成果，采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，減少重復(fù)投資，擴(kuò)展服務(wù)方式和內(nèi)容。BIM技術(shù)作為一項(xiàng)跨專業(yè)的技術(shù)手段，能夠融合多專業(yè)的專題數(shù)據(jù)資源，它的推廣應(yīng)用為地理國情監(jiān)測搭建了一個(gè)良好的基礎(chǔ)地理信息利用平臺(tái)。

1 BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測中的必要性

1.1 BIM技術(shù)特性

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是一種應(yīng)用于建筑工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營管理的三維數(shù)字化技術(shù)。通過參數(shù)模型，整合建筑工程各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)資源信息，以便在建筑的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，為設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營管理單位在內(nèi)的各方提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、縮短工期和減少風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮著重要作用[3]。BIM是以建筑工程的相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立。BIM技術(shù)具有完備性、關(guān)聯(lián)性和一致性等特性。

(1) 完備性。指能夠全面表達(dá)建筑工程的物理特性和功能特性。物理特性主要指建筑的空間位置、幾何尺寸、地質(zhì)情況等，功能特性主要是與建筑本身有關(guān)的屬性信息。BIM建模實(shí)現(xiàn)虛擬模型對實(shí)體數(shù)字化描述的最大化，實(shí)現(xiàn)了建筑實(shí)體在虛擬世界的“重生”。

(2) 關(guān)聯(lián)性。指模型中涉及的對象是可識(shí)別并相互關(guān)聯(lián)的，系統(tǒng)可以對模型信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，并生成分析圖表。若其中某個(gè)對象發(fā)生變化，與之關(guān)聯(lián)的所有對象都能夠隨之更新，以繼續(xù)保持模型的完備性、正確性。

(3) 一致性。指建筑全生命周期的各個(gè)階段，模型的信息要求是一致的。對于同一內(nèi)容的信息，只需輸入一次。信息模型可以進(jìn)行修改、擴(kuò)充，無需重新創(chuàng)建，從而避免信息不一致的錯(cuò)誤。

1.2 必要性分析

“信息”是BIM技術(shù)的靈魂。BIM技術(shù)對推動(dòng)工程建設(shè)行業(yè)信息化產(chǎn)生巨大的影響。通過搭建底層數(shù)據(jù)庫、信息附加及二次開發(fā)，建筑信息數(shù)據(jù)從工程設(shè)計(jì)階段傳遞到運(yùn)營階段，可為施工分析、工序、工藝、資源配置、施組計(jì)劃、施工模擬等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用主要通過建模軟件(Revit等軟件)和分析軟件(PKPM等軟件)實(shí)現(xiàn)[4]。BIM技術(shù)實(shí)施過程類似于一個(gè)拼圖游戲，不同的參與者將手中的拼版(信息)放在桌面(平臺(tái))上，桌面協(xié)調(diào)各塊拼版，將圖案(數(shù)據(jù)庫)狀態(tài)即時(shí)展現(xiàn)，使整個(gè)圖案趨于完整。

BIM成果中含有豐富的、規(guī)范的、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，包括各類測繪地理信息。BIM技術(shù)在工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用豐富了信息資源，特別是對隧道、地鐵等重要單體構(gòu)筑物信息的掌握，促進(jìn)了城市信息化發(fā)展，支撐了政府科學(xué)決策，改善了服務(wù)民生方式，提高了人們的生活質(zhì)量，起到了強(qiáng)決策、精管理、惠民生、促發(fā)展的作用。

如果測繪地理信息資源覆蓋不全面，全面推進(jìn)地理國情監(jiān)測工作就無從談起。隨著地理國情監(jiān)測工作的深入開展，多源異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)形成了大數(shù)據(jù)[5]。地理國情監(jiān)測可充分利用BIM成果，在其上擴(kuò)展收集包括水資源與環(huán)境、城市規(guī)劃、植被覆蓋、基礎(chǔ)設(shè)施、人口分布、經(jīng)濟(jì)等專題數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)信息與空間位置關(guān)聯(lián)、專題空間信息與基礎(chǔ)空間信息集成，為地理國情監(jiān)測提供輔助信息[6]。結(jié)合地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，建設(shè)包含重要地理國情監(jiān)測信息與典型地理國情監(jiān)測信息的地理國情動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而構(gòu)建面向應(yīng)用的地理國情服務(wù)系統(tǒng)，為政府部門提供地理國情信息共享平臺(tái)。對于地理國情監(jiān)測而言，BIM技術(shù)的核心價(jià)值體現(xiàn)在對測繪地理信息成果的生成與輸出上，這意味著監(jiān)測對象的有序管理及可視化、三維化、交互式的成果表達(dá)和信息共享。

2 BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 創(chuàng)建信息模型

地理國情監(jiān)測離不開對被監(jiān)測對象的信息采集、分析。BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用途徑研究，首先要解決以何種方式將測繪地理信息數(shù)據(jù)與BIM技術(shù)有效結(jié)合，將測繪地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息模型，讓海量數(shù)據(jù)有序化、可視化。

地理國情監(jiān)測可通過3S技術(shù)、三維激光掃描、攝影測量等技術(shù)，輔以外業(yè)調(diào)繪，進(jìn)行三維點(diǎn)云、平立剖面圖、屬性信息等測繪地理信息數(shù)據(jù)的獲取[7]。近年來，三維激光掃描技術(shù)因其方便、快捷且避免對建筑造成接觸性損害而廣泛應(yīng)用于地理國情監(jiān)測。在進(jìn)行三維激光掃描前，先對被測建筑工程實(shí)施控制測量，在建筑周圍和內(nèi)部布設(shè)一系列控制點(diǎn)，使用精密全站儀(或GPS)測定控制點(diǎn)坐標(biāo)。在控制點(diǎn)上安置三維激光掃描儀進(jìn)行建筑工程三維激光掃描。由于掃描儀無法一次性掃描覆蓋整個(gè)建筑，因此需要架設(shè)在不同的“測站”進(jìn)行多次掃描。掃描完成后，將每測站掃描數(shù)據(jù)拼合成完整的三維點(diǎn)云。經(jīng)過“去噪”和“校正”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可輸出為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，再導(dǎo)入BIM軟件中即可創(chuàng)建信息模型。在大型建筑施工過程中，可隨時(shí)采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云采集，快速構(gòu)建信息模型，通過與先前BIM模型對比，顯示實(shí)體偏差，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題[8]。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建信息模型如圖1所示。

當(dāng)前，BIM建模軟件有Revit、CATIA等系列軟件。如Revit Architecture軟件，在運(yùn)行模式上，軟件所提供的信息平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)測繪地理信息數(shù)據(jù)的高效生成、存儲(chǔ)與管理。軟件所支持的點(diǎn)云導(dǎo)入不僅為后續(xù)的建模工作提供了參照，也將原始的測繪信息資料作為建筑信息模型的重要組成部分加以保存，并確保其在信息平臺(tái)中被高效利用。軟件中信息模型創(chuàng)建操作實(shí)現(xiàn)是基于對“族”的創(chuàng)建與修改而成，創(chuàng)建者可以根據(jù)測繪數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的模型，并設(shè)置不同的參數(shù)以滿足使用需求。這種參數(shù)化的建模過程為建筑工程各部分的測繪信息建立了有效的關(guān)聯(lián)，只要一部分發(fā)生變動(dòng)，其他部分會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖1 測繪地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件生成信息模型

2.2 實(shí)施工程變形預(yù)測

地鐵、隧道等工程構(gòu)筑物是重要的地理國情監(jiān)測對象，是重要城市綜合功能單元[9]。近年來，地鐵、隧道等地下工程建設(shè)迅速發(fā)展。地下工程施工會(huì)引起地層移動(dòng)，導(dǎo)致不同程度的沉降和位移,造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道破壞、周邊建筑物損害、地下管線破壞等事故，影響隧道和地表建筑物的正常使用和安全運(yùn)營[10]。因此，正確預(yù)測隧道等工程的移動(dòng)及變形十分必要。

通過BIM技術(shù)不僅可以及時(shí)了解隧道工程的實(shí)時(shí)狀況，也為隧道工程變形預(yù)測提供了手段。利用BIM技術(shù)對建筑工程進(jìn)行變形預(yù)測模擬分析，需要以信息為基礎(chǔ)，建立分析模型。根據(jù)預(yù)測目的不同，在模型中設(shè)置、輸入相應(yīng)的參數(shù)信息，如圖2所示。目前，分析模型建立有多種方法，可選擇建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行變形預(yù)測模擬分析。其中，輸入層中輸入?yún)⒘康拇_定是影響預(yù)測精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隧道工程變形是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，其影響因素有圍巖的流變屬性、掌子面的推進(jìn)距離、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用、時(shí)間周期、工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、幾何圖形、材質(zhì)屬性和荷載等。根據(jù)影響權(quán)重，可以將時(shí)間周期、斷面與掌子面的距離這兩個(gè)特征量作為隧道變形預(yù)測模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入?yún)⒘?。基于BIM技術(shù)的變形預(yù)測分析將測繪工作帶入了一個(gè)更深的層次，意味著可以在測繪成果中直接反映隧道在其全生命周期內(nèi)的變化過程。同時(shí)，也使測繪成果可以直接用于全面的計(jì)算機(jī)分析，分析結(jié)論也能即時(shí)地體現(xiàn)在信息模型之中。

2.3 構(gòu)建信息管理平臺(tái)

BIM技術(shù)的核心價(jià)值是在建筑全生命周期中，相關(guān)專業(yè)人員可以通過信息的共享，做到真正的協(xié)同工作。搭建一個(gè)以信息技術(shù)為核心，各個(gè)專業(yè)利用圖形平臺(tái)等工具進(jìn)行協(xié)同工作的BIM建筑信息管理平臺(tái)，對所有資料進(jìn)行真三維環(huán)境下的歸檔和共享發(fā)布，為每個(gè)階段提供全方位數(shù)據(jù)支持是BIM應(yīng)用與價(jià)值體現(xiàn)的基礎(chǔ)。信息管理平臺(tái)可分為數(shù)據(jù)層、圖形層和專業(yè)層，如圖3所示。數(shù)據(jù)層為平臺(tái)的最底層，為BIM數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式的建筑信息，可以被建筑的各個(gè)專業(yè)共享使用；圖形層為完成建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)等的工作層，可進(jìn)行圖形顯示編輯；專業(yè)層為使用層，各專業(yè)可利用專業(yè)軟件對建筑完成概預(yù)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、地理國情監(jiān)測等專業(yè)工作。信息管理平臺(tái)建成后，信息數(shù)據(jù)修改完善都可以經(jīng)由平臺(tái)同步更新至各方，進(jìn)行多方協(xié)同，減少問題沖突。

圖2 BIM軟件進(jìn)行隧道變形預(yù)測模擬分析

圖3 BIM信息管理平臺(tái)構(gòu)建

BIM技術(shù)以建筑信息管理見長，通過對測繪地理信息建模所形成的建筑信息模型，可有效實(shí)現(xiàn)建筑信息可視化、動(dòng)態(tài)化、交互式、共享化要求。這不僅與GIS的信息管理特點(diǎn)相適應(yīng)，而且在建筑層面上彌補(bǔ)了GIS技術(shù)的不足。BIM與GIS的結(jié)合，其實(shí)質(zhì)是以測繪成果為載體的建筑信息與地理國情監(jiān)測管理平臺(tái)的結(jié)合。GIS對于區(qū)域或城市整體信息的管理具有絕對優(yōu)勢，但對于工程建筑單體本身的信息處理能力卻略顯不足[11]。BIM作為建筑信息管理平臺(tái)的重要組成部分，是今后發(fā)展的趨勢，是建設(shè)城市地理信息數(shù)據(jù)庫的重要技術(shù)手段[12]。這要求前期的工程建筑測繪地理信息應(yīng)充分利用BIM技術(shù)，進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范的表達(dá)，以便在后續(xù)的信息管理平臺(tái)建設(shè)中能夠良好地對接。

建筑工程交付階段，如果開發(fā)企業(yè)能夠?qū)瑴?zhǔn)確的設(shè)計(jì)信息、施工過程信息(如各類電氣設(shè)備、安裝構(gòu)件、管線閥門位置等信息)、反映建筑最終情況的BIM模型交付運(yùn)維單位，將為運(yùn)維單位提供巨大便利[13]。在設(shè)備日常維護(hù)、檢修等環(huán)節(jié)，運(yùn)維部門依靠BIM模型中的數(shù)據(jù)能夠輕松獲得所有設(shè)備管線和固定資產(chǎn)的日常運(yùn)行維護(hù)信息、房屋設(shè)施設(shè)備的全生命周期管理信息、房間的使用功能及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)大數(shù)據(jù)所反饋的數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備檢修、保養(yǎng)、更換作出預(yù)警，避免由于設(shè)備老化、檢修不及時(shí)對建筑安全使用造成的影響。

3 結(jié)束語

近幾年，國家對地理國情監(jiān)測的投入加大，認(rèn)識(shí)逐步增強(qiáng)，各種技術(shù)手段得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著成效[14]。測繪地理信息化體系是地理國情監(jiān)測的重要支撐，BIM技術(shù)為測繪地理信息化體系構(gòu)建提供了重要途徑，增加了信息來源。隨著地理國情監(jiān)測的常態(tài)化，未來，BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測中的實(shí)踐應(yīng)用將更加廣泛[15]。測繪地理信息化體系的完善反過來也將促進(jìn)BIM技術(shù)中多專業(yè)的融合。

BIM在國內(nèi)的應(yīng)用處于起步階段。目前，僅小部分工程項(xiàng)目使用BIM技術(shù)，如上海的迪士尼樂園、騰訊北京總部大樓等。各行業(yè)對BIM應(yīng)用深度要求不統(tǒng)一、接口規(guī)范不一致等問題造成了不同應(yīng)用階段之間、不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)損失等問題，制約了推進(jìn)過程。因此，有待國家制定政策引導(dǎo)和支持BIM技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用，并加緊制定包括支持交換共享的地理空間信息時(shí)空參照規(guī)范、模型描述、數(shù)據(jù)格式、接口規(guī)范等數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)地理信息系統(tǒng)之間基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和空間定位基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)交換和共享。

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Research on Application of BIM Technology in National Geographical Conditions Monitoring

ZENG Qingwei1,WANG Tao1,CHAO Zhaobo2

(1. Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000,China; 2. China JiKan Institute of Engineering Investigations and Design,Xi’an 710043,China)

Building information model (BIM) technology provides a new way for national geographical conditions monitoring,because of its three-dimensional, dynamic and life cycle of information management model. This paper analyzes the necessity of BIM technology in the field of national geographical conditions monitoring, and studies the application of BIM technology in the information model creation, deformation prediction, information acquisition and management and so on.Through further statistical analysis, the surveying and mapping unit can excavate the geographical element information contained in the BIM results of the building and create conditions for the monitoring of the whole covered geographical conditions.

BIM technology; surveying and mapping information; national geographical conditions monitoring; application

曾慶偉，王濤，晁召波.BIM技術(shù)在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(2)：120-123.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0064.

2016-05-07；

2016-07-21

陜西省教育廳自然科學(xué)基金(14JK1167)；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金(2012-31)

曾慶偉(1984—)，男，講師，主要從事工程測量教學(xué)與應(yīng)用研究工作。E-mail：523280988@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)02-0120-04