何 剛 尹紫紅 廖知勇 陳 非 白 皓 冉光炯

(1、四川高速公路建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司,四川 成都610041 2、西南交通大學(xué),四川 成都610041 3、四川高路交通信息工程有限公司,四川 成都610041)

高速公路屬于國家經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的重要產(chǎn)物,其在陸地交通運輸中占據(jù)很大比例,同時,作為衡量國家公路交通運輸及汽車工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志,它對各國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著舉足輕重的地位和作用。截止到2020 年底,我國已建成并通車的高速公路總里程已經(jīng)達(dá)到15 萬千米之多,還有數(shù)十條正在計劃修建中,連續(xù)多年位列世界第一。而隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,城市建設(shè)開始向信息化、智能化方向發(fā)展,高速公路智能建造便提上了日程,其建設(shè)信息集成與融合程度面臨極大的挑戰(zhàn)。本文則基于川高建設(shè)管理平臺,對BIM 和GIS 技術(shù)各自的優(yōu)勢進(jìn)行交互集成,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有機(jī)融合,以實現(xiàn)高速公路智能建設(shè)的平臺基礎(chǔ)以及全生命周期、各參與方的協(xié)同管理。

1 BIM+GIS 技術(shù)集成的目的與難點

1.1 技術(shù)集成目的

1.1.1 宏觀與微觀結(jié)合

BIM 與GIS 所涉及的范圍不同。前者主要用來對城市建筑物的整體信息進(jìn)行存儲、分析、管理,但宏觀建模的能力稍顯不足,無法滿足大范圍地形數(shù)據(jù)的整合與處理；后者則主要用于地理空間信息的宏觀表達(dá),可存儲和處理海量地形數(shù)據(jù),但卻缺乏對建筑模型內(nèi)部精細(xì)化創(chuàng)建與處理的能力。BIM 與GIS 各有優(yōu)劣,不存在一方替代另一方的可能,在高速公路智能化乃至智慧城市的發(fā)展中,需要二者的互補(bǔ)與融合。所以,利用BIM 技術(shù)整合、處理建筑物本身全階段信息,同時利用GIS 對建筑外部環(huán)境信息進(jìn)行補(bǔ)充、管理,通過研究兩者格式、資料等方面的差異,建立可以將微觀領(lǐng)域的BIM 信息與宏觀領(lǐng)域的GIS 信息相互交換、集成與融合的概念和方法,有助于實現(xiàn)從選線設(shè)計到養(yǎng)護(hù)的高速公路全生命周期智能建造。

1.1.2 實現(xiàn)集成應(yīng)用

高速公路是一個龐大復(fù)雜的綜合系統(tǒng),信息量巨大,在建設(shè)過程中如何實現(xiàn)各方協(xié)同管理是關(guān)鍵所在,兩種技術(shù)的融合可以有效解決這類問題。高速公路在設(shè)計、施工及在運營養(yǎng)護(hù)階段,交通量大、關(guān)注度高、技術(shù)手段豐富、資金保障充足,在公路工程體系中,最具有優(yōu)勢、具備條件建立完整的數(shù)字模型。在既有的設(shè)計及施工建設(shè)管理階段,已經(jīng)通過BIM+GIS 技術(shù)獲取、整理、篩分出設(shè)計、施工兩階段的結(jié)構(gòu)化工程數(shù)據(jù)。在運營養(yǎng)護(hù)階段,通過物聯(lián)網(wǎng)平臺監(jiān)控多種數(shù)據(jù)變化,結(jié)合BIM+GIS 技術(shù)快速聯(lián)動數(shù)據(jù)?；谏鲜黾夹g(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,再結(jié)合衛(wèi)星技術(shù),可通過衛(wèi)星技術(shù)對地形、影像的及時獲取能力,通過對地形、影像的三維分析,結(jié)合各種構(gòu)筑物監(jiān)控數(shù)據(jù),形成對某一個工點結(jié)構(gòu)的所有數(shù)據(jù)匯總及分析,并實時呈現(xiàn)在直觀的BIM 三維模型中,形成地面監(jiān)測+衛(wèi)星跟蹤+數(shù)據(jù)綜合分析、展示的完整數(shù)字模型評價體系,并通過大數(shù)據(jù)+AI 技術(shù)預(yù)測風(fēng)險發(fā)生,提高管養(yǎng)部門事前處理的能力。

1.2 技術(shù)集成難點

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系不完善,數(shù)據(jù)融合存在壁壘。目前只有建筑行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn),但仍不完善,其它專業(yè)尚未出臺BIM 或GIS標(biāo)準(zhǔn),而且兩者所使用的數(shù)據(jù)模型和標(biāo)準(zhǔn)完全不同,對模型信息的表達(dá)形式、適用范圍等存在一定的差異。同時,不同的軟件所生成的文件在空間參考、網(wǎng)格劃分、信息處理與轉(zhuǎn)換中也會存在沖突,嚴(yán)重時會導(dǎo)致數(shù)據(jù)源損壞或丟失。因此必須解決數(shù)據(jù)溝通的技術(shù)問題,建立完善的融合標(biāo)準(zhǔn)體系,才能從根本上實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。

1.2.2 政策法規(guī)不完善,關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。目前國內(nèi)外還未建立關(guān)于BIM+GIS 集成應(yīng)用的政策法規(guī),導(dǎo)致此類項目應(yīng)用良莠不齊,缺少體系指導(dǎo)；同時,國內(nèi)BIM 和GIS 的應(yīng)用以翻模為主,如何將工程信息從設(shè)計傳遞到施工、運維階段,仍然缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)階段還沒有合適的平臺和工具添加和集成施工、運維信息。且應(yīng)用軟件不配套,國內(nèi)缺乏成熟的BIM+GIS 集成設(shè)計軟件,還存在國外軟件專業(yè)不配套以及設(shè)計規(guī)范的限制等問題。

2 BIM+GIS 融合關(guān)鍵技術(shù)

BIM 與GIS 的融合主要關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)對接、坐標(biāo)系統(tǒng)一、模型的輕量化。

2.1 數(shù)據(jù)對接

構(gòu)建BIM 模型的主流設(shè)計軟件包括:Civil3D、Revit、Bentley、CATIA,GIS 軟件包括:ArcGis、SuperMap 等。這些軟件各自可識別的數(shù)據(jù)格式都有特殊定義,數(shù)據(jù)之間雖然可以通過一些工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換,但往往轉(zhuǎn)換效果和效率不甚理想。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中,往往會出現(xiàn)模型和信息分離,材質(zhì)、顏色信息丟失,轉(zhuǎn)換效率低下,無法適應(yīng)工程應(yīng)用等問題。通過二次開發(fā),既可以最大程度保留BIM 數(shù)據(jù)實例化的特點、拓?fù)渫暾约伴]合性,還能提升數(shù)據(jù)在三維GIS 平臺中展示的性能,達(dá)到多細(xì)節(jié)層次水平。其中,拓?fù)溟]合的三維對象,必須滿足空間運算、空間關(guān)系查詢、空間分析、與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行布爾運算等。

2.2 多坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

在實際的路線、路基設(shè)計,結(jié)構(gòu)物設(shè)計過程中,往往無法保證坐標(biāo)系的統(tǒng)一,為了能夠在GIS 中達(dá)到在同一坐標(biāo)系下展示的效果,需要進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。解決該問題首先要對坐標(biāo)系信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。工程中所包含的全部路線、路基、結(jié)構(gòu)物都應(yīng)該包含相應(yīng)的坐標(biāo)系信息,以及各自在該坐標(biāo)系下的對應(yīng)坐標(biāo)。在模型進(jìn)入到GIS 之前,必須將模型的坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系之下。

2.3 BIM 模型的輕量化

BIM 模型的最終表現(xiàn)形式多為可視化的多維度、多層次、多功能、多應(yīng)用的計算機(jī)圖形模型,是一個集大數(shù)據(jù)的巨型平臺模型。這些模型少則百兆,多則數(shù)GB 數(shù)量級。一個包含100 公里路線范圍的BIM 模型和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量更是大于200GB。同時,BIM 應(yīng)用需要協(xié)同,將模型集成到GIS 平臺讓工程各方都在線進(jìn)行模型查看和進(jìn)行業(yè)務(wù)處理,就需要對模型進(jìn)行輕量化處理。針對公路工程的實際需求,精簡模型中沒有必要的信息,讓傳遞到GIS 軟件的信息技能最大程度滿足工程各方的需求,又能夠讓信息盡量精簡。通過編寫設(shè)計軟件插件的方法,將數(shù)據(jù)進(jìn)行定制采集,傳遞到GIS 中去。

3 BIM 與GIS 技術(shù)集成的方法

BIM+GIS 技術(shù)的集成與融合,主要包含以下幾個層面:數(shù)據(jù)、模型、應(yīng)用、系統(tǒng)等融合。本文結(jié)合川高建設(shè)管理平臺,從工可階段的路線走廊帶選擇,到施工圖階段外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)的使用,通過統(tǒng)一的高速公路構(gòu)件庫及構(gòu)件編碼,實現(xiàn)全專業(yè)快速建模,包括施工階段的建設(shè)管理系統(tǒng),形成以GIS 系統(tǒng)為平臺,BIM 系統(tǒng)為內(nèi)容的工程解決方案,最終實現(xiàn)交通工程建設(shè)項目的全生命周期智能協(xié)同與聯(lián)系。

3.1 BIM 與GIS 融合過程

以川高建設(shè)管理平臺為基礎(chǔ),進(jìn)行BIM 與GIS 融合的二次開發(fā)及交互接口,從而實現(xiàn)BIM 模型的建立、多源數(shù)據(jù)庫中廣泛業(yè)務(wù)信息在GIS 環(huán)境中的前端展示。且基于平臺,可對BIM模型進(jìn)行包括加載渲染、深化設(shè)計、工程應(yīng)用等多種操作,加強(qiáng)多層次的對象級數(shù)據(jù)管理,促進(jìn)宏微觀信息的高效集成。整體集成與融合模式以“BIM+GIS 應(yīng)用”理念為基礎(chǔ),以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向,充分發(fā)揮平臺各組分的功能特點,去粗取精,優(yōu)勢互補(bǔ),為運營期智能化管理提供全要素技術(shù)支持。融合內(nèi)容主要包括模型場景融合及業(yè)務(wù)功能集成應(yīng)用,創(chuàng)建集可視化數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)功能擴(kuò)展為一體的融合交互環(huán)境。

3.1.1 模型解析轉(zhuǎn)換

由前述技術(shù)集成難點可知,BIM 與GIS 的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)各不相同,直接共享會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不匹配、丟失、甚至損壞源數(shù)據(jù)。針對二者的融合問題,可采取保持一方數(shù)據(jù)不變,另一方數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式,即尋求基于川高建設(shè)管理平臺,如何將IFC 標(biāo)準(zhǔn)格式下的BIM 模型轉(zhuǎn)化為本平臺所支持的3D Tiles 格式文件的辦法。模型解析轉(zhuǎn)換流程圖如圖1 所示。

圖1 模型解析轉(zhuǎn)換流程

3.1.2 三維場景創(chuàng)建

創(chuàng)建三維場景,即可為BIM+GIS 融合提供對應(yīng)環(huán)境。首先,通過川高建設(shè)管理平臺生成GIS 環(huán)境,并加載高分辨率的STKW orld Terrain 數(shù)據(jù),以流式瓦片形式生成工程區(qū)域數(shù)字高程模型；再通過ArcGisMapServerIm-ageryProvider 方法跨域調(diào)用Esri ArcGIS 影像,實現(xiàn)高清切片影像數(shù)據(jù)的加載,并與數(shù)字高程模型疊加生成工程區(qū)地形數(shù)據(jù)模型進(jìn)行發(fā)布,可通過Web 端數(shù)據(jù)訪問接口實時調(diào)用。

3.1.3 渲染繪制BIM 模型

利用川高建設(shè)管理平臺內(nèi)置輕量化優(yōu)化算法,基于上述流式瓦片形式,對適用于本平臺的3D Tiles 模型進(jìn)行渲染繪制,主要包括:①區(qū)塊可見性判斷；②LOD 級別判斷；③剔除策略等。該方法的優(yōu)勢在于,以上優(yōu)化均基于平臺已有內(nèi)核,無需進(jìn)行二次開發(fā),便于調(diào)整和優(yōu)化,只需要通過Cesium3DTileset 接口,調(diào)用本地3D Tiles 模型文件,再根據(jù)工程項目實際信息定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)路徑、瓦片個數(shù)、模型位置等信息即可。

3.1.4 構(gòu)件屬性雙向鏈接

一些3D Tiles 文件在上述渲染過程中,可能會導(dǎo)致部分屬性信息丟失,針對此問題,有以下兩步主要解決方案:

3.1.4.1 查詢屬性集:IFCPropertySet 和IFCPropertySingleValue,從中提取該構(gòu)件的guid 和屬性值,之后利用JSON 生成庫和Python 腳本進(jìn)行解析,最后將屬性信息存入數(shù)據(jù)庫中,留作備用。

3.1.4.2 構(gòu)件屬性雙向鏈接: 創(chuàng)建ScreenSpaceEventHandler,從中得到可視化場景中已選中實體的guid,并通過Ajax 異步交互創(chuàng)建接口,用于回調(diào)3.1.4.1 中數(shù)據(jù)庫的屬性信息。

3.2 BIM+GIS 建設(shè)管理應(yīng)用方案

根據(jù)項目實際建設(shè)需求及項目施工的關(guān)鍵控制因素,BIM+GIS 建設(shè)管理平臺的實際應(yīng)用內(nèi)容分為普通段落和重要工點段落兩部分,其側(cè)重點有所不同,具體如下:

3.2.1 全項目BIM 技術(shù)應(yīng)用(普通段落工點)

搭建全項目BIM 模型,該模型要能夠真實反映本項目的自然環(huán)境,體現(xiàn)本項目的工程概況,路線、路基、橋涵、隧道、交叉工程要素等基本信息要全面涵蓋。用戶可快速瀏覽模型,三維直觀的BIM 模型能夠提高管理、決策效率。

3.2.2 重要工點BIM 技術(shù)應(yīng)用

項目重要工點包括全線橋梁、隧道及互通。對于重要工點BIM 模型,在全項目BIM 模型的基礎(chǔ)上,重要工點模型精度滿足本項目施工建設(shè)工程信息化分部分項劃分標(biāo)準(zhǔn),具有工程圖紙數(shù)據(jù)、工程量數(shù)據(jù)、工程清單數(shù)據(jù)及分部分項劃分?jǐn)?shù)據(jù)信息,能夠?qū)崿F(xiàn)任意構(gòu)件相關(guān)設(shè)計圖紙、施工信息的掛接。重要工點結(jié)合BIM 模型,可讓質(zhì)保資料、進(jìn)度計劃、計量支付、實驗檢測等所有數(shù)據(jù)引用同一數(shù)據(jù)底層,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)及高效轉(zhuǎn)換。

3.3 原型系統(tǒng)及實現(xiàn)

3.3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

本系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)設(shè)計,共分為4 大層次,其整體構(gòu)架見圖2。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.3.2 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

搭建包含工程建設(shè)、質(zhì)量管理、安管管理、竣工資料等傳統(tǒng)詳細(xì)化信息化平臺的既有功能,可滿足全項目段所有施工資料的信息化建設(shè),具體搭建內(nèi)容根據(jù)業(yè)主對項目實際管理的需求單獨制定。其功能框架見圖3。

圖3 監(jiān)管平臺功能框架

3.3.3 重要工點段落信息化管理平臺特點

重要工點段落具有BIM+GIS 的額外工程信息屬性,其信息化管理平臺可無縫融合BIM+GIS 建設(shè)管理系統(tǒng),綁定設(shè)計數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)及BIM 模型,脫離傳統(tǒng)信息化平臺的單一表單管理模式。相關(guān)工程數(shù)據(jù)通過清洗、篩分、結(jié)構(gòu)化設(shè)計工程量,并結(jié)合工程量清單編號自動綁定對應(yīng)工程數(shù)據(jù),實現(xiàn)對項目路基、橋梁、隧道及其它工程的工程量數(shù)據(jù)及清單數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理。通過施工過程各工種分部分項(WBS)的劃分,結(jié)合BIM模型,可讓質(zhì)保資料、進(jìn)度計劃、計量支付、實驗檢測等所有數(shù)據(jù)引用同一數(shù)據(jù)底層,實現(xiàn)四種數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)及高效轉(zhuǎn)換。通過建設(shè)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,可通過網(wǎng)頁端,直接根據(jù)模型填報、上傳、錄入相關(guān)工程建設(shè)資料,并在具體表單中,根據(jù)底層數(shù)據(jù),自動填充相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)。(例如計量支付,該系統(tǒng)可自動根據(jù)分部分項、工程量清單進(jìn)行查找分析,填充對應(yīng)既有數(shù)據(jù))

4 BIM+GIS 技術(shù)集成應(yīng)用案例

研發(fā)于BIM+GIS 的建設(shè)管理系統(tǒng),實現(xiàn)BIM 模型及信息化技術(shù)整體式交付,為建設(shè)管理階段提供基于BIM 技術(shù)的整體解決方案,全面提升工程項目建設(shè)和管理信息化水平,目前該系統(tǒng)已在四川省內(nèi)4 個重點高速公路項目成功應(yīng)用。實現(xiàn)施工管理動態(tài)化、精細(xì)化；運營維護(hù)安全化；工作模式標(biāo)準(zhǔn)化；成果交付規(guī)范化。

4.1 全項目建管系統(tǒng)應(yīng)用展示

建設(shè)管理系統(tǒng)服務(wù)于項目施工中對現(xiàn)場施工情況的信息查詢、施工管理、現(xiàn)場資料上傳整理等功能。本系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)方式聯(lián)動,通過賬號密碼訪問網(wǎng)頁端(網(wǎng)頁瀏覽器訪問)及移動端(手機(jī)APP 訪問)實現(xiàn)對項目施工建設(shè)階段的服務(wù)功能。

在開發(fā)的網(wǎng)頁端建管系統(tǒng)中,可支持如下功能:

4.1.1 工程定位:可通過多種方式(如樁號、橋梁名稱、具體結(jié)構(gòu)物信息等)快速定位、三維查看。

4.1.2 三維測量:可對任意工程結(jié)構(gòu)及地形三維測量(如橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、橋梁凈空、路基填高、坐標(biāo)查詢、面積測量等)。

在移動端(安卓蘋果系統(tǒng))除可實現(xiàn)網(wǎng)頁端所有功能外,還具備現(xiàn)場定位等功能:可根據(jù)GPS 直接定位人員所在位置,進(jìn)行模型查看等操作。

4.2 重要工點建管系統(tǒng)應(yīng)用展示

除了在全項目建管系統(tǒng)概況性功能外,對于重要工點還支持如下功能:

4.2.1 信息查詢:可對工程模型任意工程結(jié)構(gòu)信息查看(如某一橋墩設(shè)計圖紙、現(xiàn)場上傳信息等)。

4.2.2 形象進(jìn)度:可對全工程項目形象進(jìn)度實時查看(如計劃工程、已完成工程、正在進(jìn)行中的工程等)。

4.2.3 地質(zhì)及隱蔽工程:可對地質(zhì)模型及隱蔽工程信息查看(如樁孔位置、鉆孔信息、地質(zhì)信息、軟基信息、橋墩基礎(chǔ)信息等)。

在移動端,也可開發(fā)若干重要功能,如下:

(1)資料上傳:通過多種上傳方式(現(xiàn)場定位、結(jié)構(gòu)定位、離線上傳、在線上傳)將工地現(xiàn)場實時信息(工地巡檢、工地核查等)上傳并綁定在對應(yīng)結(jié)構(gòu)物中,同時記錄上傳時間、位置、人員信息等。上傳資料永久保存。

(2)進(jìn)度計劃填報:通過手機(jī)填報項目工程進(jìn)度,進(jìn)度計劃于項目核查情況邏輯關(guān)聯(lián)。

5 結(jié)論

建設(shè)管理平臺是施工全過程標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺,依照“全方位、多維度、多層級”的總體建設(shè)思路,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù),實現(xiàn)了BIM+GIS 多源數(shù)據(jù)收集、分析和數(shù)據(jù)可視化,做到項目數(shù)據(jù)從設(shè)計、施工、竣工到養(yǎng)護(hù)的全面存儲打通。建設(shè)管理平臺為項目公司對施工現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)化管理提供了手段,確保了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集及施工過程可溯源,有效提升了施工現(xiàn)場流程標(biāo)準(zhǔn)化水平。該平臺的建成,既促進(jìn)了高速公路BIM+GIS 多源數(shù)據(jù)集成與融合的發(fā)展,又可為類似工程項目提供平臺基礎(chǔ),具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。