高速公路BIM+GIS 多源數據集成與融合探析

何 剛 尹紫紅 廖知勇 陳 非 白 皓 冉光炯

(1、四川高速公路建設開發集團有限公司,四川 成都610041 2、西南交通大學,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濟與社會發展的重要產物,其在陸地交通運輸中占據很大比例,同時,作為衡量國家公路交通運輸及汽車工業現代化水平的重要標志,它對各國國民經濟的發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達到15 萬千米之多,還有數十條正在計劃修建中,連續多年位列世界第一。而隨著我國社會和經濟的不斷發展,城市建設開始向信息化、智能化方向發展,高速公路智能建造便提上了日程,其建設信息集成與融合程度面臨極大的挑戰。本文則基于川高建設管理平臺,對BIM 和GIS 技術各自的優勢進行交互集成,實現多源數據的有機融合,以實現高速公路智能建設的平臺基礎以及全生命周期、各參與方的協同管理。

1 BIM+GIS 技術集成的目的與難點

1.1 技術集成目的

1.1.1 宏觀與微觀結合

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據的整合與處理；后者則主要用于地理空間信息的宏觀表達,可存儲和處理海量地形數據,但卻缺乏對建筑模型內部精細化創建與處理的能力。BIM 與GIS 各有優劣,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展中,需要二者的互補與融合。所以,利用BIM 技術整合、處理建筑物本身全階段信息,同時利用GIS 對建筑外部環境信息進行補充、管理,通過研究兩者格式、資料等方面的差異,建立可以將微觀領域的BIM 信息與宏觀領域的GIS 信息相互交換、集成與融合的概念和方法,有助于實現從選線設計到養護的高速公路全生命周期智能建造。

1.1.2 實現集成應用

高速公路是一個龐大復雜的綜合系統,信息量巨大,在建設過程中如何實現各方協同管理是關鍵所在,兩種技術的融合可以有效解決這類問題。高速公路在設計、施工及在運營養護階段,交通量大、關注度高、技術手段豐富、資金保障充足,在公路工程體系中,最具有優勢、具備條件建立完整的數字模型。在既有的設計及施工建設管理階段,已經通過BIM+GIS 技術獲取、整理、篩分出設計、施工兩階段的結構化工程數據。在運營養護階段,通過物聯網平臺監控多種數據變化,結合BIM+GIS 技術快速聯動數據。基于上述技術和基礎數據支持,再結合衛星技術,可通過衛星技術對地形、影像的及時獲取能力,通過對地形、影像的三維分析,結合各種構筑物監控數據,形成對某一個工點結構的所有數據匯總及分析,并實時呈現在直觀的BIM 三維模型中,形成地面監測+衛星跟蹤+數據綜合分析、展示的完整數字模型評價體系,并通過大數據+AI 技術預測風險發生,提高管養部門事前處理的能力。

1.2 技術集成難點

1.2.1 標準體系不完善,數據融合存在壁壘。目前只有建筑行業的國家標準,但仍不完善,其它專業尚未出臺BIM 或GIS標準,而且兩者所使用的數據模型和標準完全不同,對模型信息的表達形式、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、網格劃分、信息處理與轉換中也會存在沖突,嚴重時會導致數據源損壞或丟失。因此必須解決數據溝通的技術問題,建立完善的融合標準體系,才能從根本上實現多源數據的集成應用。

1.2.2 政策法規不完善,關鍵技術亟待突破。目前國內外還未建立關于BIM+GIS 集成應用的政策法規,導致此類項目應用良莠不齊,缺少體系指導；同時,國內BIM 和GIS 的應用以翻模為主,如何將工程信息從設計傳遞到施工、運維階段,仍然缺少相應的標準,現階段還沒有合適的平臺和工具添加和集成施工、運維信息。且應用軟件不配套,國內缺乏成熟的BIM+GIS 集成設計軟件,還存在國外軟件專業不配套以及設計規范的限制等問題。

2 BIM+GIS 融合關鍵技術

BIM 與GIS 的融合主要關鍵技術包括數據對接、坐標系統一、模型的輕量化。

2.1 數據對接

構建BIM 模型的主流設計軟件包括:Civil3D、Revit、Bentley、CATIA,GIS 軟件包括:ArcGis、SuperMap 等。這些軟件各自可識別的數據格式都有特殊定義,數據之間雖然可以通過一些工具進行轉換,但往往轉換效果和效率不甚理想。數據轉換過程中,往往會出現模型和信息分離,材質、顏色信息丟失,轉換效率低下,無法適應工程應用等問題。通過二次開發,既可以最大程度保留BIM 數據實例化的特點、拓撲完整性及閉合性,還能提升數據在三維GIS 平臺中展示的性能,達到多細節層次水平。其中,拓撲閉合的三維對象,必須滿足空間運算、空間關系查詢、空間分析、與地形數據進行布爾運算等。

2.2 多坐標系統數據融合

在實際的路線、路基設計,結構物設計過程中,往往無法保證坐標系的統一,為了能夠在GIS 中達到在同一坐標系下展示的效果,需要進行坐標系的轉換。解決該問題首先要對坐標系信息進行統一管理。工程中所包含的全部路線、路基、結構物都應該包含相應的坐標系信息,以及各自在該坐標系下的對應坐標。在模型進入到GIS 之前,必須將模型的坐標統一轉換到統一的標準坐標系之下。

2.3 BIM 模型的輕量化

BIM 模型的最終表現形式多為可視化的多維度、多層次、多功能、多應用的計算機圖形模型,是一個集大數據的巨型平臺模型。這些模型少則百兆,多則數GB 數量級。一個包含100 公里路線范圍的BIM 模型和數據的數據量更是大于200GB。同時,BIM 應用需要協同,將模型集成到GIS 平臺讓工程各方都在線進行模型查看和進行業務處理,就需要對模型進行輕量化處理。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。通過編寫設計軟件插件的方法,將數據進行定制采集,傳遞到GIS 中去。

3 BIM 與GIS 技術集成的方法

BIM+GIS 技術的集成與融合,主要包含以下幾個層面:數據、模型、應用、系統等融合。本文結合川高建設管理平臺,從工可階段的路線走廊帶選擇,到施工圖階段外業調查系統的使用,通過統一的高速公路構件庫及構件編碼,實現全專業快速建模,包括施工階段的建設管理系統,形成以GIS 系統為平臺,BIM 系統為內容的工程解決方案,最終實現交通工程建設項目的全生命周期智能協同與聯系。

3.1 BIM 與GIS 融合過程

以川高建設管理平臺為基礎,進行BIM 與GIS 融合的二次開發及交互接口,從而實現BIM 模型的建立、多源數據庫中廣泛業務信息在GIS 環境中的前端展示。且基于平臺,可對BIM模型進行包括加載渲染、深化設計、工程應用等多種操作,加強多層次的對象級數據管理,促進宏微觀信息的高效集成。整體集成與融合模式以“BIM+GIS 應用”理念為基礎,以業務需求為導向,充分發揮平臺各組分的功能特點,去粗取精,優勢互補,為運營期智能化管理提供全要素技術支持。融合內容主要包括模型場景融合及業務功能集成應用,創建集可視化數據分析、業務功能擴展為一體的融合交互環境。

3.1.1 模型解析轉換

由前述技術集成難點可知,BIM 與GIS 的數據標準各不相同,直接共享會導致數據的不匹配、丟失、甚至損壞源數據。針對二者的融合問題,可采取保持一方數據不變,另一方數據轉換的方式,即尋求基于川高建設管理平臺,如何將IFC 標準格式下的BIM 模型轉化為本平臺所支持的3D Tiles 格式文件的辦法。模型解析轉換流程圖如圖1 所示。

圖1 模型解析轉換流程

3.1.2 三維場景創建

創建三維場景,即可為BIM+GIS 融合提供對應環境。首先,通過川高建設管理平臺生成GIS 環境,并加載高分辨率的STKW orld Terrain 數據,以流式瓦片形式生成工程區域數字高程模型；再通過ArcGisMapServerIm-ageryProvider 方法跨域調用Esri ArcGIS 影像,實現高清切片影像數據的加載,并與數字高程模型疊加生成工程區地形數據模型進行發布,可通過Web 端數據訪問接口實時調用。

3.1.3 渲染繪制BIM 模型

利用川高建設管理平臺內置輕量化優化算法,基于上述流式瓦片形式,對適用于本平臺的3D Tiles 模型進行渲染繪制,主要包括:①區塊可見性判斷；②LOD 級別判斷；③剔除策略等。該方法的優勢在于,以上優化均基于平臺已有內核,無需進行二次開發,便于調整和優化,只需要通過Cesium3DTileset 接口,調用本地3D Tiles 模型文件,再根據工程項目實際信息定義相應的數據路徑、瓦片個數、模型位置等信息即可。

3.1.4 構件屬性雙向鏈接

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,從中提取該構件的guid 和屬性值,之后利用JSON 生成庫和Python 腳本進行解析,最后將屬性信息存入數據庫中,留作備用。

3.1.4.2 構件屬性雙向鏈接: 創建ScreenSpaceEventHandler,從中得到可視化場景中已選中實體的guid,并通過Ajax 異步交互創建接口,用于回調3.1.4.1 中數據庫的屬性信息。

3.2 BIM+GIS 建設管理應用方案

根據項目實際建設需求及項目施工的關鍵控制因素,BIM+GIS 建設管理平臺的實際應用內容分為普通段落和重要工點段落兩部分,其側重點有所不同,具體如下:

3.2.1 全項目BIM 技術應用(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境,體現本項目的工程概況,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 技術應用

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 模型的基礎上,重要工點模型精度滿足本項目施工建設工程信息化分部分項劃分標準,具有工程圖紙數據、工程量數據、工程清單數據及分部分項劃分數據信息,能夠實現任意構件相關設計圖紙、施工信息的掛接。重要工點結合BIM 模型,可讓質保資料、進度計劃、計量支付、實驗檢測等所有數據引用同一數據底層,實現數據的相互關聯及高效轉換。

3.3 原型系統及實現

3.3.1 系統框架設計

本系統采用B/S 架構設計,共分為4 大層次,其整體構架見圖2。

圖2 系統整體架構

3.3.2 系統功能與實現

搭建包含工程建設、質量管理、安管管理、竣工資料等傳統詳細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,具體搭建內容根據業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 建設管理系統,綁定設計數據、施工數據及BIM 模型,脫離傳統信息化平臺的單一表單管理模式。相關工程數據通過清洗、篩分、結構化設計工程量,并結合工程量清單編號自動綁定對應工程數據,實現對項目路基、橋梁、隧道及其它工程的工程量數據及清單數據的結構化管理。通過施工過程各工種分部分項(WBS)的劃分,結合BIM模型,可讓質保資料、進度計劃、計量支付、實驗檢測等所有數據引用同一數據底層,實現四種數據的相互關聯及高效轉換。通過建設管理系統的數據接口,可通過網頁端,直接根據模型填報、上傳、錄入相關工程建設資料,并在具體表單中,根據底層數據,自動填充相應的工程數據。(例如計量支付,該系統可自動根據分部分項、工程量清單進行查找分析,填充對應既有數據)

4 BIM+GIS 技術集成應用案例

研發于BIM+GIS 的建設管理系統,實現BIM 模型及信息化技術整體式交付,為建設管理階段提供基于BIM 技術的整體解決方案,全面提升工程項目建設和管理信息化水平,目前該系統已在四川省內4 個重點高速公路項目成功應用。實現施工管理動態化、精細化；運營維護安全化；工作模式標準化；成果交付規范化。

4.1 全項目建管系統應用展示

建設管理系統服務于項目施工中對現場施工情況的信息查詢、施工管理、現場資料上傳整理等功能。本系統基于互聯網方式聯動,通過賬號密碼訪問網頁端(網頁瀏覽器訪問)及移動端(手機APP 訪問)實現對項目施工建設階段的服務功能。

在開發的網頁端建管系統中,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、具體結構物信息等)快速定位、三維查看。

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

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

4.2 重要工點建管系統應用展示

除了在全項目建管系統概況性功能外,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構信息查看(如某一橋墩設計圖紙、現場上傳信息等)。

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

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

在移動端,也可開發若干重要功能,如下:

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

(2)進度計劃填報:通過手機填報項目工程進度,進度計劃于項目核查情況邏輯關聯。

5 結論

建設管理平臺是施工全過程標準化管理平臺,依照“全方位、多維度、多層級”的總體建設思路,結合物聯網、互聯網、人工智能等技術,實現了BIM+GIS 多源數據收集、分析和數據可視化,做到項目數據從設計、施工、竣工到養護的全面存儲打通。建設管理平臺為項目公司對施工現場的標準化管理提供了手段,確保了現場數據的實時采集及施工過程可溯源,有效提升了施工現場流程標準化水平。該平臺的建成,既促進了高速公路BIM+GIS 多源數據集成與融合的發展,又可為類似工程項目提供平臺基礎,具有重大的經濟和社會效益。