BIM技术在地理国情监测中的应用途径研究

2016-10-14曾庆伟晁召波

铁道勘察 2016年4期

关键词：国情测绘监测

曾庆伟　王　涛　晁召波

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南　714000；2.机械工业勘察设计研究院，陕西西安　710043)

BIM技术在地理国情监测中的应用途径研究

曾庆伟1王涛1晁召波2

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000；2.机械工业勘察设计研究院，陕西西安710043)

以“信息”为核心的建筑信息模型(BIM)，因其三维、动态且全生命周期的信息管理模式，为地理国情监测提供了新的途径。分析BIM技术在地理国情监测中的必要性，研究BIM技术在地理国情监测中的信息模型创建、变形预测等应用。可通过进一步的统计分析工作，挖掘出BIM中蕴涵的地理要素信息，为地理国情监测创造条件。

测绘信息化BIM技术地理国情监测应用

开展地理国情监测，提供地理要素的空间分布、数量与质量特征、发展趋势和演变规律等，是测绘地理信息服务的进一步深化发展[1]，不仅可以为政府部门科学决策提供依据，提高政府管理的科学性、规范性和前瞻性，优化国土空间利用，推动低碳经济发展，加强生态环境保护，而且可以使社会公众直观地了解国家和地区经济建设、环境变化等方面的实际情况，促进公众保护环境的意识，自觉选择绿色、低碳生活方式。

地理国情监测基于对地理要素基本情况的全面、准确掌握，利用地理空间信息数据构建地理国情信息基本数据库，并集成多专题数据资源，是地理国情监测信息服务系统建设的基础[2]。开展地理国情监测，要充分利用已取得的测绘信息成果，采用先进科学技术，减少重复投资，扩展服务方式和内容。BIM技术作为一项跨专业的技术手段，能够融合多专业的专题资源数据，它的推广应用无疑为地理国情监测搭建了一个良好的基础地理信息利用平台。

1　BIM技术在地理国情监测中的必要性

1.1BIM技术特性

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是一种应用于建筑工程设计、建造、运营管理的三维数字化技术。通过建立模型，整合建筑工程项目的各环节数据信息资源，以便在建筑的全生命周期过程中进行共享和传递，为设计、建造、运营管理单位提供协同工作的基础。BIM可在提高生产效率、节约成本、缩短工期和减少风险方面发挥重要作用[3]。BIM技术具有完备性、关联性、一致性等特性。

(1)完备性

指能够有效体现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间位置、几何尺寸、地质情况等，功能特性主要指与建筑本身有关的属性信息。BIM建模可实现虚拟模型对实体数字化描述的最大化，实现建筑在虚拟世界的“重生”。

(2)关联性

指模型中的对象相互关联，系统可以对模型信息进行统计、分析并生成图表。一旦某个对象发生变化，与之关联的所有对象都能自动更新，继续保持模型的完备性、正确性。

(3)一致性

指建筑全生命周期不同阶段、同一内容的信息只需输入一次。信息模型可以进行修改、扩充，无需重建，有效避免了信息不一致的错误。

1.2必要性分析

“信息”是BIM技术的灵魂，BIM技术对推动工程建设行业信息化影响巨大，通过搭建底层数据库、信息附加及二次开发，可将建筑信息数据从工程设计阶段传递到建造阶段，为施工分析、工序、工艺、资源配置、施组计划、施工模拟等提供数据基础。BIM技术在建筑工程中的应用主要通过建模软件(Revit等软件)和分析软件(PKPM等软件)实现[4]。BIM技术整个过程类似于一个拼图游戏，不同的人将手中的拼版(信息)放在桌面(平台)上，桌面协调各块拼版，将图案(数据库)状态即时展现，使整个图案趋于完整。

BIM成果中含有规范、统一标准、内容丰富的基础信息数据，包括各类测绘地理信息成果。成果可以直接被可视化运用[5]。BIM技术在工程建设中的推广应用丰富了信息资源，特别是对隧道、地铁等重要单体构筑物信息的掌握，促进了城市信息化发展，支撑了政府科学决策，改善了服务民生方式，起到了强决策、精管理、惠民生、促发展的作用。

测绘地理信息资源覆盖面直接影响地理国情监测工作的全面推进。可充分利用BIM成果，在其上扩展地形地貌、道路交通、水域分布、土地利用、城市规划、人口分布、经济等专题数据，实现空间位置与统计信息关联，基础和专题空间信息集成，为地理国情监测提供辅助信息[6]。结合地理国情监测数据成果，建设包含重要地理国情监测信息与典型地理国情监测信息的动态监测信息数据库，进而构建面向政务应用的地理国情服务系统和信息共享平台。对于地理国情监测来说，BIM技术核心应用价值体现在对测绘地理信息的可视化生成和成果输出上，即实现对监测对象的有序管理及三维化、可视化、交互式的成果表达和信息共享。

2　BIM技术在地理国情监测中的应用途径研究

2.1创建信息模型

地理国情监测的核心工作是对被监测对象的信息采集、分析工作。BIM技术在地理国情监测中的应用途径研究，首先要解决测绘地理信息数据与BIM技术有效结合的方式，将测绘地理信息数据转化为建筑信息模型，达到准确表达建筑工程信息的目的。利用BIM技术创建测绘地理信息模型如图1所示。

地理国情监测可利用3S技术、三维激光扫描、摄影测量等技术，辅以外业调绘，进行三维点云、平立剖面图、属性信息等测绘地理信息数据获取[7]。近年来，三维激光扫描技术凭借其方便快捷、无接触性损害等优势，被广泛应用于地理国情监测。在进行三维激光扫描之前，应先对被测建筑工程实施控制测量，在建筑周围和内部布设一系列控制点，使用精密全站仪(或GPS)测定控制点坐标。在控制点上安置三维激光扫描仪进行建筑工程三维激光扫描。扫描完成后，将每测站扫描数据拼合成完整的三维点云。经过“去噪”和“校正”的点云数据可输出为IFC标准格式，再导入BIM软件中即可创建信息模型。例如，一个大型建筑工程项目开工前，可使用三维激光扫描仪采集原始地貌信息，通过BIM软件生成地表模型，施工过程中，可随时采集地表信息，即可迅速完成阶段性的挖方量计算。

图1　测绘地理信息数据导入BIM软件生成信息模型

当前，BIM建模软件有Revit、CATIA等系列。如Revit Architecture软件：在运行模式上，软件所提供的信息平台与数据库可实现测绘地理信息数据的高效生成、存储与管理。软件所具备的点云数据文件导入功能不仅为后续的建模工作提供了手段，也将原始的测绘资料加以保存，并确保能在信息平台中被有效利用。软件中信息模型创建操作是基于对“族”的创建，创建者可以根据测绘地理信息数据创建相应的模型或构件，并设置不同的参数以满足使用需求。这种参数化的建模过程为建筑工程各部分的测绘信息建立了有效的关联，只要一部分发生变动，其它部分会自动进行相应调整。

2.2工程变形预测

地铁、隧道等工程构筑物是国家地理国情监测的重要对象。近年来，地铁、隧道等地下工程迅速发展，而地下工程施工会引起地层移动，导致不同程度的沉降和位移，造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道塌方、地下管线等附属物破坏等事故，影响到隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营[8]。因此，正确预测隧道等工程的移动及变形十分必要。

BIM技术不仅可以及时了解隧道工程的实时状况，也为隧道工程变形预测提供了手段。利用BIM技术对建筑工程进行变形预测模拟分析，需要以信息为基础，建立分析模型。根据分析预测目的不同，在模型中设置、输入不同的参数信息(如图2所示)。目前，分析模型建立有多种方法，例如可选择建立模糊神经网络模型进行变形预测模拟分析。其中，输入层中输入参量的确定是关键环节，影响预测的精度。隧道工程变形是一个复杂的力学过程，其影响因素有围岩的流变属性、工作面的推进距离、围岩与支护结构相互作用、时间周期、工程的结构构件、几何图形、材质属性和荷载等。根据影响权重，可以将时间周期、断面与工作面的距离这两个特征量作为隧道变形预测模糊神经网络模型的输入参量。工程变形预测分析将BIM技术引入到一个更高的应用层次，意味着可以通过BIM预测隧道在其生命周期内的变化趋势，并能即时体现在信息模型之中。

图2　BIM软件进行隧道变形预测虚拟

2.3构建信息管理平台

BIM技术的核心价值是各专业人员可以共享建筑信息，做到协同工作，提高信息的利用率，减小信息的获取成本[9]。实现信息共享，需要构建一个以信息技术为基础，各个专业利用图形编辑工具进行协同工作的BIM建筑信息管理平台，对所有资料进行真三维环境下归档和共享发布，为每个阶段提供全方位数据支持。信息管理平台可分数据层、图形层和专业层(如图3所示)。数据层为平台的基础层，涵盖BIM数据库，用以存储IFC标准数据文件格式的建筑信息，可以被建筑的各个专业共享使用；图形层为完成建筑的规划、设计、施工、运营维护等的工作层，可进行图形显示编辑；专业层为使用层，各专业可利用专业软件，对建筑完成概预算、结构计算、地理国情监测等专业工作。信息管理平台建成后，信息数据修改完善都可以经由平台同步更新至各方，进行多方协同，减少问题冲突，提高解决效率。

图3　BIM信息管理平台构建

通过BIM技术创建测绘地理信息模型，可实现地理国情监测对象信息的可视化、动态化、共享化。这不仅与地理信息系统(GIS)的信息管理功能相适应，且在建筑层面上弥补了GIS技术的不足。BIM与GIS的结合，其实质是以测绘地理信息为内容的建筑信息模型和地理国情监测管理平台的结合。GIS对于区域或城市整体信息的管理具备绝对优势，但对于建筑工程单体本身的信息处理能力却略显不足[10]。BIM作为建筑信息管理平台的重要基础，是今后的发展趋势，这要求前期的建筑工程测绘地理信息应充分利用BIM技术进行统一、规范的表达，以实现信息共享。

建筑工程交付阶段，如果开发企业能够将包含准确的设计信息、施工过程信息(如各类电气设备、安装构件、管线阀门等位置信息)、反映建筑最终情况的BIM模型交付运维单位，将为运维单位提供巨大便利[11]。在设备日常维护、检修等环节，依靠BIM模型中的数据，能够轻松获得所有设备管线和固定资产的日常运行维护信息、房屋设施设备的全生命周期管理信息、房间的使用功能及相关设计参数。根据大数据所反馈的数据信息，为设备检修、保养、更换做出预警，避免由于设备老化、检修不及时对建筑造成影响。

3　结束语

近几年，国家和社会对地理国情监测的投入加大，认识逐步增强，各种技术手段得到广泛应用，取得了显著成效[12]。测绘地理信息化体系是地理国情监测的重要支撑，BIM技术为测绘地理信息化体系构建提供了新的途径，增加了信息来源。BIM技术在地理国情监测中的应用实践，可为不断完善测绘地理信息化体系提供新的经验和途径，测绘地理信息化体系的完善反过来促进BIM技术中多专业的融合。

BIM在国内的应用处于起步阶段。目前，只有部分外商投资工程项目使用BIM技术，例如上海的迪斯尼乐园。因此，只要国家政策引导，BIM技术应用市场潜力巨大。同时，各行业对BIM应用深度要求不统一，接口规范不一致等问题造成了不同应用阶段之间、不同专业之间的数据损失等问题，制约了推进过程。应加紧制定包括支持交换共享的地理空间信息时空参照规范、模型描述、数据格式、接口规范等数据交换标准，实现异构地理信息系统之间基于统一数据模型和空间定位基础的数据交换和共享。

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