高速公路BIM+GIS 多源数据集成与融合探析

何 刚 尹紫红 廖知勇 陈 非 白 皓 冉光炯

(1、四川高速公路建设开发集团有限公司,四川 成都610041 2、西南交通大学,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)

高速公路属于国家经济与社会发展的重要产物,其在陆地交通运输中占据很大比例,同时,作为衡量国家公路交通运输及汽车工业现代化水平的重要标志,它对各国国民经济的发展有着举足轻重的地位和作用。截止到2020 年底,我国已建成并通车的高速公路总里程已经达到15 万千米之多,还有数十条正在计划修建中,连续多年位列世界第一。而随着我国社会和经济的不断发展,城市建设开始向信息化、智能化方向发展,高速公路智能建造便提上了日程,其建设信息集成与融合程度面临极大的挑战。本文则基于川高建设管理平台,对BIM 和GIS 技术各自的优势进行交互集成,实现多源数据的有机融合,以实现高速公路智能建设的平台基础以及全生命周期、各参与方的协同管理。

1 BIM+GIS 技术集成的目的与难点

1.1 技术集成目的

1.1.1 宏观与微观结合

BIM 与GIS 所涉及的范围不同。前者主要用来对城市建筑物的整体信息进行存储、分析、管理,但宏观建模的能力稍显不足,无法满足大范围地形数据的整合与处理；后者则主要用于地理空间信息的宏观表达,可存储和处理海量地形数据,但却缺乏对建筑模型内部精细化创建与处理的能力。BIM 与GIS 各有优劣,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发展中,需要二者的互补与融合。所以,利用BIM 技术整合、处理建筑物本身全阶段信息,同时利用GIS 对建筑外部环境信息进行补充、管理,通过研究两者格式、资料等方面的差异,建立可以将微观领域的BIM 信息与宏观领域的GIS 信息相互交换、集成与融合的概念和方法,有助于实现从选线设计到养护的高速公路全生命周期智能建造。

1.1.2 实现集成应用

高速公路是一个庞大复杂的综合系统,信息量巨大,在建设过程中如何实现各方协同管理是关键所在,两种技术的融合可以有效解决这类问题。高速公路在设计、施工及在运营养护阶段,交通量大、关注度高、技术手段丰富、资金保障充足,在公路工程体系中,最具有优势、具备条件建立完整的数字模型。在既有的设计及施工建设管理阶段,已经通过BIM+GIS 技术获取、整理、筛分出设计、施工两阶段的结构化工程数据。在运营养护阶段,通过物联网平台监控多种数据变化,结合BIM+GIS 技术快速联动数据。基于上述技术和基础数据支持,再结合卫星技术,可通过卫星技术对地形、影像的及时获取能力,通过对地形、影像的三维分析,结合各种构筑物监控数据,形成对某一个工点结构的所有数据汇总及分析,并实时呈现在直观的BIM 三维模型中,形成地面监测+卫星跟踪+数据综合分析、展示的完整数字模型评价体系,并通过大数据+AI 技术预测风险发生,提高管养部门事前处理的能力。

1.2 技术集成难点

1.2.1 标准体系不完善,数据融合存在壁垒。目前只有建筑行业的国家标准,但仍不完善,其它专业尚未出台BIM 或GIS标准,而且两者所使用的数据模型和标准完全不同,对模型信息的表达形式、适用范围等存在一定的差异。同时,不同的软件所生成的文件在空间参考、网格划分、信息处理与转换中也会存在冲突,严重时会导致数据源损坏或丢失。因此必须解决数据沟通的技术问题,建立完善的融合标准体系,才能从根本上实现多源数据的集成应用。

1.2.2 政策法规不完善,关键技术亟待突破。目前国内外还未建立关于BIM+GIS 集成应用的政策法规,导致此类项目应用良莠不齐,缺少体系指导；同时,国内BIM 和GIS 的应用以翻模为主,如何将工程信息从设计传递到施工、运维阶段,仍然缺少相应的标准,现阶段还没有合适的平台和工具添加和集成施工、运维信息。且应用软件不配套,国内缺乏成熟的BIM+GIS 集成设计软件,还存在国外软件专业不配套以及设计规范的限制等问题。

2 BIM+GIS 融合关键技术

BIM 与GIS 的融合主要关键技术包括数据对接、坐标系统一、模型的轻量化。

2.1 数据对接

构建BIM 模型的主流设计软件包括:Civil3D、Revit、Bentley、CATIA,GIS 软件包括:ArcGis、SuperMap 等。这些软件各自可识别的数据格式都有特殊定义,数据之间虽然可以通过一些工具进行转换,但往往转换效果和效率不甚理想。数据转换过程中,往往会出现模型和信息分离,材质、颜色信息丢失,转换效率低下,无法适应工程应用等问题。通过二次开发,既可以最大程度保留BIM 数据实例化的特点、拓扑完整性及闭合性,还能提升数据在三维GIS 平台中展示的性能,达到多细节层次水平。其中,拓扑闭合的三维对象,必须满足空间运算、空间关系查询、空间分析、与地形数据进行布尔运算等。

2.2 多坐标系统数据融合

在实际的路线、路基设计,结构物设计过程中,往往无法保证坐标系的统一,为了能够在GIS 中达到在同一坐标系下展示的效果,需要进行坐标系的转换。解决该问题首先要对坐标系信息进行统一管理。工程中所包含的全部路线、路基、结构物都应该包含相应的坐标系信息,以及各自在该坐标系下的对应坐标。在模型进入到GIS 之前,必须将模型的坐标统一转换到统一的标准坐标系之下。

2.3 BIM 模型的轻量化

BIM 模型的最终表现形式多为可视化的多维度、多层次、多功能、多应用的计算机图形模型,是一个集大数据的巨型平台模型。这些模型少则百兆,多则数GB 数量级。一个包含100 公里路线范围的BIM 模型和数据的数据量更是大于200GB。同时,BIM 应用需要协同,将模型集成到GIS 平台让工程各方都在线进行模型查看和进行业务处理,就需要对模型进行轻量化处理。针对公路工程的实际需求,精简模型中没有必要的信息,让传递到GIS 软件的信息技能最大程度满足工程各方的需求,又能够让信息尽量精简。通过编写设计软件插件的方法,将数据进行定制采集,传递到GIS 中去。

3 BIM 与GIS 技术集成的方法

BIM+GIS 技术的集成与融合,主要包含以下几个层面:数据、模型、应用、系统等融合。本文结合川高建设管理平台,从工可阶段的路线走廊带选择,到施工图阶段外业调查系统的使用,通过统一的高速公路构件库及构件编码,实现全专业快速建模,包括施工阶段的建设管理系统,形成以GIS 系统为平台,BIM 系统为内容的工程解决方案,最终实现交通工程建设项目的全生命周期智能协同与联系。

3.1 BIM 与GIS 融合过程

以川高建设管理平台为基础,进行BIM 与GIS 融合的二次开发及交互接口,从而实现BIM 模型的建立、多源数据库中广泛业务信息在GIS 环境中的前端展示。且基于平台,可对BIM模型进行包括加载渲染、深化设计、工程应用等多种操作,加强多层次的对象级数据管理,促进宏微观信息的高效集成。整体集成与融合模式以“BIM+GIS 应用”理念为基础,以业务需求为导向,充分发挥平台各组分的功能特点,去粗取精,优势互补,为运营期智能化管理提供全要素技术支持。融合内容主要包括模型场景融合及业务功能集成应用,创建集可视化数据分析、业务功能扩展为一体的融合交互环境。

3.1.1 模型解析转换

由前述技术集成难点可知,BIM 与GIS 的数据标准各不相同,直接共享会导致数据的不匹配、丢失、甚至损坏源数据。针对二者的融合问题,可采取保持一方数据不变,另一方数据转换的方式,即寻求基于川高建设管理平台,如何将IFC 标准格式下的BIM 模型转化为本平台所支持的3D Tiles 格式文件的办法。模型解析转换流程图如图1 所示。

图1 模型解析转换流程

3.1.2 三维场景创建

创建三维场景,即可为BIM+GIS 融合提供对应环境。首先,通过川高建设管理平台生成GIS 环境,并加载高分辨率的STKW orld Terrain 数据,以流式瓦片形式生成工程区域数字高程模型；再通过ArcGisMapServerIm-ageryProvider 方法跨域调用Esri ArcGIS 影像,实现高清切片影像数据的加载,并与数字高程模型叠加生成工程区地形数据模型进行发布,可通过Web 端数据访问接口实时调用。

3.1.3 渲染绘制BIM 模型

利用川高建设管理平台内置轻量化优化算法,基于上述流式瓦片形式,对适用于本平台的3D Tiles 模型进行渲染绘制,主要包括:①区块可见性判断；②LOD 级别判断；③剔除策略等。该方法的优势在于,以上优化均基于平台已有内核,无需进行二次开发,便于调整和优化,只需要通过Cesium3DTileset 接口,调用本地3D Tiles 模型文件,再根据工程项目实际信息定义相应的数据路径、瓦片个数、模型位置等信息即可。

3.1.4 构件属性双向链接

一些3D Tiles 文件在上述渲染过程中,可能会导致部分属性信息丢失,针对此问题,有以下两步主要解决方案:

3.1.4.1 查询属性集:IFCPropertySet 和IFCPropertySingleValue,从中提取该构件的guid 和属性值,之后利用JSON 生成库和Python 脚本进行解析,最后将属性信息存入数据库中,留作备用。

3.1.4.2 构件属性双向链接: 创建ScreenSpaceEventHandler,从中得到可视化场景中已选中实体的guid,并通过Ajax 异步交互创建接口,用于回调3.1.4.1 中数据库的属性信息。

3.2 BIM+GIS 建设管理应用方案

根据项目实际建设需求及项目施工的关键控制因素,BIM+GIS 建设管理平台的实际应用内容分为普通段落和重要工点段落两部分,其侧重点有所不同,具体如下:

3.2.1 全项目BIM 技术应用(普通段落工点)

搭建全项目BIM 模型,该模型要能够真实反映本项目的自然环境,体现本项目的工程概况,路线、路基、桥涵、隧道、交叉工程要素等基本信息要全面涵盖。用户可快速浏览模型,三维直观的BIM 模型能够提高管理、决策效率。

3.2.2 重要工点BIM 技术应用

项目重要工点包括全线桥梁、隧道及互通。对于重要工点BIM 模型,在全项目BIM 模型的基础上,重要工点模型精度满足本项目施工建设工程信息化分部分项划分标准,具有工程图纸数据、工程量数据、工程清单数据及分部分项划分数据信息,能够实现任意构件相关设计图纸、施工信息的挂接。重要工点结合BIM 模型,可让质保资料、进度计划、计量支付、实验检测等所有数据引用同一数据底层,实现数据的相互关联及高效转换。

3.3 原型系统及实现

3.3.1 系统框架设计

本系统采用B/S 架构设计,共分为4 大层次,其整体构架见图2。

图2 系统整体架构

3.3.2 系统功能与实现

搭建包含工程建设、质量管理、安管管理、竣工资料等传统详细化信息化平台的既有功能,可满足全项目段所有施工资料的信息化建设,具体搭建内容根据业主对项目实际管理的需求单独制定。其功能框架见图3。

图3 监管平台功能框架

3.3.3 重要工点段落信息化管理平台特点

重要工点段落具有BIM+GIS 的额外工程信息属性,其信息化管理平台可无缝融合BIM+GIS 建设管理系统,绑定设计数据、施工数据及BIM 模型,脱离传统信息化平台的单一表单管理模式。相关工程数据通过清洗、筛分、结构化设计工程量,并结合工程量清单编号自动绑定对应工程数据,实现对项目路基、桥梁、隧道及其它工程的工程量数据及清单数据的结构化管理。通过施工过程各工种分部分项(WBS)的划分,结合BIM模型,可让质保资料、进度计划、计量支付、实验检测等所有数据引用同一数据底层,实现四种数据的相互关联及高效转换。通过建设管理系统的数据接口,可通过网页端,直接根据模型填报、上传、录入相关工程建设资料,并在具体表单中,根据底层数据,自动填充相应的工程数据。(例如计量支付,该系统可自动根据分部分项、工程量清单进行查找分析,填充对应既有数据)

4 BIM+GIS 技术集成应用案例

研发于BIM+GIS 的建设管理系统,实现BIM 模型及信息化技术整体式交付,为建设管理阶段提供基于BIM 技术的整体解决方案,全面提升工程项目建设和管理信息化水平,目前该系统已在四川省内4 个重点高速公路项目成功应用。实现施工管理动态化、精细化；运营维护安全化；工作模式标准化；成果交付规范化。

4.1 全项目建管系统应用展示

建设管理系统服务于项目施工中对现场施工情况的信息查询、施工管理、现场资料上传整理等功能。本系统基于互联网方式联动,通过账号密码访问网页端(网页浏览器访问)及移动端(手机APP 访问)实现对项目施工建设阶段的服务功能。

在开发的网页端建管系统中,可支持如下功能:

4.1.1 工程定位:可通过多种方式(如桩号、桥梁名称、具体结构物信息等)快速定位、三维查看。

4.1.2 三维测量:可对任意工程结构及地形三维测量(如桥梁结构尺寸、桥梁净空、路基填高、坐标查询、面积测量等)。

在移动端(安卓苹果系统)除可实现网页端所有功能外,还具备现场定位等功能:可根据GPS 直接定位人员所在位置,进行模型查看等操作。

4.2 重要工点建管系统应用展示

除了在全项目建管系统概况性功能外,对于重要工点还支持如下功能:

4.2.1 信息查询:可对工程模型任意工程结构信息查看(如某一桥墩设计图纸、现场上传信息等)。

4.2.2 形象进度:可对全工程项目形象进度实时查看(如计划工程、已完成工程、正在进行中的工程等)。

4.2.3 地质及隐蔽工程:可对地质模型及隐蔽工程信息查看(如桩孔位置、钻孔信息、地质信息、软基信息、桥墩基础信息等)。

在移动端,也可开发若干重要功能,如下:

(1)资料上传:通过多种上传方式(现场定位、结构定位、离线上传、在线上传)将工地现场实时信息(工地巡检、工地核查等)上传并绑定在对应结构物中,同时记录上传时间、位置、人员信息等。上传资料永久保存。

(2)进度计划填报:通过手机填报项目工程进度,进度计划于项目核查情况逻辑关联。

5 结论

建设管理平台是施工全过程标准化管理平台,依照“全方位、多维度、多层级”的总体建设思路,结合物联网、互联网、人工智能等技术,实现了BIM+GIS 多源数据收集、分析和数据可视化,做到项目数据从设计、施工、竣工到养护的全面存储打通。建设管理平台为项目公司对施工现场的标准化管理提供了手段,确保了现场数据的实时采集及施工过程可溯源,有效提升了施工现场流程标准化水平。该平台的建成,既促进了高速公路BIM+GIS 多源数据集成与融合的发展,又可为类似工程项目提供平台基础,具有重大的经济和社会效益。