BIM与GIS融合的工程数字孪生平台研究及应用

陈宇　孙辉　张卫兵　黎旭　刘邦玉

摘要：针对高速公路作业面分布非常广、BIM技术不能搭建地理环境大场景、GIS技术无法实现构筑物单体内部构件级精细化管理的问题，文章研究了公路工程多专业BIM快速建模与大范围地形影像数据采集、处理、融合技术，实现了在三维环境中对整个工程项目进行宏观场景和微观构件的多层级可视化管理。同时，以三维虚拟BIM模型为工程数据载体，GIS实景模型为数据底座，通过BES与WBS的映射将业务系统集成到BIM+GIS平台，实现项目工程实体的数字化、管理业务的智能化、业务流程的线上化，推动工程项目管理向智能化方向发展。

关键词：BIM技术；GIS技术；数据融合；业务系统；项目管理

0引言

BIM技术能将构筑物工程信息数据以三维模型形式集成展示，相比传统的二维图纸表达，更易实现工程信息的共享与传递。但BIM模型仅针对单一构筑物进行信息的集成展示，在精确定位地理位置、分析地理空间信息以及展示工程周边地理环境方面存在严重不足。而GIS技术可以对工程合同段范围内的地理信息数据进行完美地集成、展示和分析，但GIS无法获取工程结构物内部的信息数据，不能满足工地现场对工程实体结构构件级的管理需求。基于此，整合BIM结构物精细模型与GIS地理环境实景模型，实现微观领域BIM信息与宏观领域GIS信息的集成交互，成为工程行业发展的一大热点［1］。高速公路项目建设线路长、范围广、业务复杂，存在建设过程可视化程度低、出错率高、信息协同效率差、业务管理脱节等一系列问题。基于BIM和GIS技术，结合信息化业务管理软件，将项目建设过程中的质量、计量、实验等各类业务数据进行有机整合，形成全线数据互通共享的BIM+GIS可视化管理平台，最大限度地降低项目建设过程中的监管、交通和办公成本，成为公路工程乃至交通工程项目管理发展的新方向，并具有广阔的市场应用前景。

1 多专业BIM快速建模技術

为满足公路工程项目建设管理建模的时效性，创新性地提出了BIM高效建模方式。针对路基领域，采用“先精细、后组合”的构件表达思路，创建出能够自适应所有地形的标准路基路面部件，以实现长线性路基的快速建模；围绕桥梁建模，将桥梁抽象为零件层、组件层、构建层等参数化族库，并建立了上百种常规桥梁参数化族库，定义了每种族库模型样式和属性格式，通过提取桥梁梁片尺寸、桩径等参数信息，以实现不同布梁情况下梁体长度、横坡、梁端首尾夹角、边梁翼缘悬臂等尺寸的自动化调整匹配；隧道领域则采用参数化驱动的方式，通过建立参数化族库来实现模型的自动化快速创建，且将族模型属性写入数据库，方便自动创建EBS数据，实现数据和模型的分离，继而支持形象进度、质检资料管理等业务的管理工作。以上建模方法极大地减少了手动干预模型的时间，有效地提升了建模的效率和精准度［2］，为公路工程百公里级范围实体结构微观构件级可视化管理提供了模型数据基础。

2 高精度地形影像采集技术

为进一步提高公路建设项目大起伏地形影像数据采集的准确率与效率，针对传统无人机数据采集时存在的高程数据需事先获取、仿地飞行精度低等问题，提出了基于实时雷达测高数据的地形预判与仿地飞行控制技术，无需事先获取高程数据，一次飞行即可完成采集，解决了实际作业中需航飞二次进山的难题，并通过划分前方区域为若干子区域，基于海拔高程拟合以识别前方区域，避免了仿地飞行和避障操作的冲突，大幅提升了无人机采集作业的准确率与效率。通过毫米波雷达架构设计，无人机测距量程可达到300 m，测距精度达10 cm，测距精度和量程大大提高，实现了公路项目大起伏地形影像的高效、精准采集。

3 大场景实景三维建模技术

为构建长线性工程建设项目的数字化施工现场，实现公路建设环境的可视化和数据化管理，通过采用空地一体多源数据联合空三定向方法［3］，克服了空地影像在分辨率、摄影角度、影像辐射特性等方面的差异，并通过POS辅助、DSM引导、抗变形矩不变特征匹配等技术综合应用，解决多源影像间转点的匹配难题［4］；同时采用分布式优化方案，将全局光束法平差修正为基于共轭梯度的迭代求解法，有效地将计算峰值均匀地配置到算法管道的多个环节，大幅度提升了倾斜摄影数据后处理的效率和质量；搭建分布式集群运算服务框架，将基于GPU加速的影像匹配算法，实现百公里级范围的复杂山区交通线路海量原始地形影像实景三维建模的高效处理。

4 BIM与GIS融合的工程数字孪生平台

针对公路工程大体量BIM与GIS数据融合坐标转换慢、配准率低、承载难度大等问题，研发了BIM与GIS融合的工程数字孪生平台，构建了以三维实景模型为基底参考的动态数据配准框架，实现了基础地形、高清影像、实景三维倾斜摄影、激光点云、三维建模等多源GIS数据与BIM数据的自动化配准；针对各类多源数据的结构及特点，开发了多源空间数据管理插件，采用金字塔、空间索引、缓存切片等各类技术手段进行数据预处理，极大地提升了大范围场景下各类数据在web端的刷新响应效率，从而实现大范围场景BIM与三维GIS数据的高精配准与融合，为后续数字化施工各业务管理进行三维可视化赋能。同时，针对施工过程中各业务管理脱节、数据互联互通性差、数据孤岛、无法采用统一的数字化管理平台对工程各管理过程进行有效的可视化管理等问题，平台首先根据公路工程质量检验评定标准和公路工程标准施工招标文件工程量清单计量规则建立了统一的工作结构分解数据标准，解决了质检、进度、计量等业务数据引用的一致性问题［5］；然后以标准WBS作为BIM建模细度依据，将BIM模型构件编码与WBS分项工程节点编码设置一致，从而实现标准WBS结构树与BIM模型工程系统分解结构（EBS）结构树之间的映射，达到BIM图形数据与工程业务管理系统数据的共享与有效协同，解决了系统与业务“两张皮”现状；最后以公路实景三维GIS模型为数据底座、BIM模型为工程数据载体、标准化WBS为业务纽带将工程管理核心业务系统进行集成，打造基于BIM与GIS融合的公路工程全管理要素数字孪生平台，将工程管理从平面多点式提升到三维协同式，解决业务系统碎片、数据孤岛问题，实现工程项目数据录入一数一源、工程数据可追溯、内业资料无返工、进度产值计量“三同步”的三维数字化管理，从而缩短项目现场任务处理周期，提升项目决策的效率和科学性。

5 应用案例

5.1 工程概况

龙胜—恫中口岸公路龙胜芙蓉至县城段路线高速公路项目（简称龙城路），位于桂林市龙胜县马堤乡芙蓉村西北侧广西与湖南交界处，路线沿途跨越寻江，经马堤乡、泗水乡及龙胜镇等3乡10村，与桂三高速公路相连；设计时速为100 km/h，双向四车道，桥隧比约65.4%，投资约60亿元，征地3 000亩，建设工期3年。项目征地范围广，临建场站规划建设难度大，且沿线地形地貌复杂，存在人工检校难度大、施工过程难推演、施工工艺交底困难、工程进度展示难、工程信息传递滞后不全、管理决策粗放拖延等问题，亟需一套集GIS的宏观全线管理、BIM的微观构件管理及业务数据精细化管理于一体的多层次项目管理系统。

5.2 应用效果

本項目通过自建的参数化族库以及根据设计图纸整理出来的建模参数，按照参数化驱动的方式，实现了全线多专业的BIM自动化建模，共创建了本项目全线32 km的路基模型、46座桥梁模型、5座隧道模型，部分BIM模型成果如下页图1所示。将高精度的BIM模型、设计图纸与AR软件关联，通过Unity软件在施工图纸中添加识别图标，即可通过手机端扫描图纸得出工程实体构件的三维模型，将模型叠加于实际施工部位，实现精准交底，解决了工人看图难的问题，降低了项目沟通成本［6］。同时利用BIM模型对项目各关键性工程施工工艺进行虚拟建造演示，弥补传统图纸、施工方案等静态展示的不足，帮助现场人员掌握施工要点，明确各类施工工序，提前预知问题并优化解决，减少返工出错率，在实际生成中起到降本增效的作用，为项目节省了大量工期。

通过无人机倾斜摄影技术高效精准采集了本项目现场395 km2精度达0.15m的地理数据，将地理信息导入Photo scan软件中处理成可导入Midas Civil 3D软件的数据模型［7］。项目成功获取了大量现场地勘信息，有效地避免了勘测人员人工作业产生的安全及质量隐患，极大地节约了人力资源成本。如下页图2所示，GIS实景三维模型将项目施工工地现场搬到办公室电脑计算机环境中进行三维可视化协同管理，为项目提供一幅合同段范围内的工程三维活地图，在项目早期进场时就可直观查看周边地形地貌，为项目征拆、驻地选址、场站建设、取弃土场选取、施工便道选址等提供了三维指导。同时基于BIM+GIS融合的工程数字孪生平台空间分析功能，项目管理人员对现场的布置提前进行部署、规划和推演，以更加直观的方式比选出最优方案，优化了项目资源配置，达到数据多跑腿、人员少跑腿的目的；平台准确注记了全线工程现场场站布置、施工便道、施工范围、项目驻地等位置信息，可根据实体结构物桩号、名称一键定位查找；项目定期对实景模型进行更新，对比查看多期实景模型的变化情况，直观展示工程建设进度情况，加强了项目人员对工程现场的管理，使现场管理更加直观高效。结合视频监控系统，实现了工程屏幕端的可视化，在可视化的三维地图[KG（0.14mm]中可选择任意工程项目进行自动化定位和视频观察，远程管理人员均可看到工程现场的施工情况，且均可在BIM+GIS平台上进行量测及标注，并基于此进行协同讨论，显著加快了信息传递，提高了项目决策效率。

平台以三维BIM模型为数据载体，将工程实体分解结构与BIM建模进行统一，把业务系统集成到BIM+GIS模型，同时统一工作流程、统一清单编制、统一工序用表、固化工作任务，并将工程文件、表格、清单与施工工序一一匹配，在3D图形界面展示三维形象进度及资料情况，实现工程实体数字化、管理业务智能化、业务流程线上化。与传统管理模式相比，龙城路BIM+GIS建设管理平台整体上达到了可视化、痕迹化、闭环化管理的目的，使施工现场任务处理周期平均缩短了50%以上，任务闭环率提升了30%，间接节省项目施工管理成本1 000万元以上。

6 结语

本文创新了公路工程路基、桥梁、隧道专业的建模方法，实现了龙城路长线性工程大场景BIM模型的高效精准创建；同时提出了基于实时雷达测高数据的地形预判与仿地飞行控制技术，大幅提升了无人机作业效率，实现了龙城路项目现场395 km2地理数据的高效采集；研发了BIM与GIS融合的工程数字孪生平台，实现了在三维地图中对本项目进行宏观场景和微观构件的多层级可视化管理；通过底层的数据拉通，以三维BIM模型为数据载体，研发了一数一源、数据集成共享的数字化项目管理平台，解决了项目管理中质检、试验、计量等核心业务管理脱节、数据互联互通性差的问题，推进了工程项目全业务流程、全生命周期的协同管理，推动了工程项目管理向智能化方向发展。

参考文献：

［1］孟 阳，张志艳，张 洁，等.基于VGE理念的高山滑雪数字孪生关键技术研究与应用［J］.城市住宅，2020，27（7）：12-15.

［2］杨鸿斌.基于三维点云数据的快速建模系统研究与开发［D］.南京：南京航空航天大学，2018.

［3］蒲生亮，邓 非，张 婧，等.控制点影像库构建与多源影像联合空三定位［J］.遥感信息，2017，32（1）：71-78.

［4］唐 恬，赵国民.增强现实三维建模在警用地理信息平台的应用［J］.计算机时代，2017（7）：42-46.

［5］刘凯丰，王金龙，田海燕.EPC精益管理：实现三个“转向”的突破口［J］.中国公路，2018（10）：56-58.

［6］孙 辉.BIM技术在隧道工程中的应用［J］.西部交通科技，2018（7）：124-128，171.

［7］蒋赣猷，林广泰，谢灿荣，等.BIM虚拟技术在异形建筑施工中的应用分析［J］.西部交通科技，2019（3）：137-140.

作者简介：陈 宇（1979—），硕士，高级工程师，研究方向：高速公路工程管理研究。