探究融合BIM與GIS技術(shù)的普通公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)

黃俊 王志軍

1. 上饒市公路通信信息中心 江西 上饒 334000；2. 中科軟科技有限公司 北京 100000

引言

改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)公路交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)公路項(xiàng)目工程施工管理有了高度重視，在不斷強(qiáng)化公路工程施工項(xiàng)目管理時(shí)，不僅能夠確保公路工程施工質(zhì)量，還能減小公路工程施工項(xiàng)目成本，有效提升工作效率。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，人們?cè)隗w驗(yàn)感等方面的要求也有所提高，數(shù)字化變革愈演愈烈，相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到公路項(xiàng)目工程施工作業(yè)中。

1 BlM與GlS概述

1.1 BIM技術(shù)

BIM是建筑信息模型，它是在建筑工程項(xiàng)目的信息技術(shù)基礎(chǔ)之上建立起三維的建筑模型，運(yùn)用電子信息仿真將建筑物的內(nèi)真實(shí)情況進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)BIM含義進(jìn)行闡述時(shí)，我們了解到BIM表達(dá)了建筑項(xiàng)目物理和功能特性；BIM建立一套建筑信息共享資源，把和建筑有關(guān)的信息都分享到平臺(tái)上，有關(guān)建筑方面的信息都可以查詢的到，在建筑決策方面能提供可靠依據(jù)；另外，工程項(xiàng)目的各個(gè)階段設(shè)計(jì)單位、施工單位以及建設(shè)單位和相關(guān)的監(jiān)督部門都可以運(yùn)用BIM，在其中插入、更新相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，各個(gè)部門在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)的協(xié)同作業(yè)得到實(shí)現(xiàn)（如圖1）。BIM建立的建筑模型可以把各個(gè)部門的數(shù)據(jù)實(shí)行共享，使整個(gè)項(xiàng)目得到更加精細(xì)化的管理，進(jìn)而降低了項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)程度，促進(jìn)了項(xiàng)目的生產(chǎn)效率，在工程節(jié)約成本和縮短工期方面都起著重要的作用?？偠灾?，BIM具有一定的協(xié)調(diào)性、模擬性，使建筑的設(shè)計(jì)與施工方面更加的精準(zhǔn)、縮短了工期，使建筑的質(zhì)量得到了一定的保障。BIM技術(shù)應(yīng)用主要有可視化、可傳遞性、可傳遞性三大特點(diǎn)?？梢暬攸c(diǎn)不僅能夠?qū)D紙進(jìn)行協(xié)調(diào)，還能夠?qū)⒔ㄖ?gòu)件的相關(guān)信息表現(xiàn)處理，需要專業(yè)技術(shù)人員將具體的三維圖形還原，但此圖形不能進(jìn)行信息交流。應(yīng)BIM技術(shù)能夠?qū)⒐こ探ㄖ?gòu)件三維圖直觀地展現(xiàn)，為建筑工程施工提供參考，從而滿足建筑工程的需要。充分利用BIM技術(shù)可傳遞性特點(diǎn)，將BIM技術(shù)與工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)，無(wú)須設(shè)計(jì)人員對(duì)連接更新。在修改應(yīng)用程序內(nèi)容時(shí)，利用BIM技術(shù)能夠?qū)⑿薷牡牟糠址答伋鰜?lái)，從而更好地促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。利用BIM技術(shù)可優(yōu)化性特點(diǎn)將各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化與更新，在此過(guò)程中會(huì)受到各種因素所影響，例如，時(shí)間、復(fù)雜程度等。當(dāng)前傳統(tǒng)的變更方式無(wú)法適用于當(dāng)前工程設(shè)計(jì)與施工的需要，因此在實(shí)際建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)此技術(shù)的應(yīng)用，將施工資金投入、管理等因素很好地結(jié)合，從而制定出施工的最佳方案，獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 BlM的應(yīng)用

1.2 GIS技術(shù)

GIS地理信息系統(tǒng)又被人們稱之為地學(xué)信息系統(tǒng)，是非常重要的空間信息系統(tǒng)，在電腦硬件和軟件相關(guān)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)所有或者是一部分的地球表層空間中地理分布信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集、儲(chǔ)存、整理分析等技術(shù)系統(tǒng)，GIS概念框架和構(gòu)成如圖2。在公路工程項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理中，充分利用地理信息系統(tǒng)提供的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、Digital Elevation Model以及航空影像等信息數(shù)據(jù)源，構(gòu)建立體化、個(gè)性化的三維GIS，利用交互式三維虛擬場(chǎng)景及可視化信息集成系統(tǒng)、展示工程施工區(qū)域的空間地理大數(shù)據(jù)，對(duì)三維設(shè)計(jì)下你過(guò)關(guān)模型進(jìn)行有效整合。地理信息系統(tǒng)有關(guān)軟件有很多，如ArcGIs，它是一套完整的GIS平臺(tái)產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合、發(fā)布與共享的能力。ArcGIS Pro 是在桌面上創(chuàng)建和處理空間數(shù)據(jù)的基本應(yīng)用程序，它提供用于在2D和3D環(huán)境中顯示、分析、編譯和共享數(shù)據(jù)的工具。又如，Mapping + Information,這是一款全球有名的桌面地理信息系統(tǒng)軟件,由美國(guó)知名軟件公司Mapping + Information研究發(fā)布,已覆蓋全球58個(gè)國(guó)家和地區(qū)。是一種數(shù)據(jù)可視化、信息地圖化的桌面解決方案。它依據(jù)地圖及其應(yīng)用的概念、采用辦公自動(dòng)化的操作、集成多種數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、融合計(jì)算機(jī)地圖方法、使用地理數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、加入了地理信息系統(tǒng)分析功能形成了極具實(shí)用價(jià)值的、可以為各行各業(yè)所用的大眾化小型軟件系統(tǒng)[1]。

圖2 GlS概念框架和構(gòu)成

2 BlM與GlS技術(shù)的融合

BIM技術(shù)主要是整合與管理工程建筑物整個(gè)生命周期，而GIS技術(shù)使整合與管理工程建筑物外在環(huán)境信息，BIM技術(shù)與GIS技術(shù)兩者之間不存在可替代性，主要傾向于相互互補(bǔ)的關(guān)系，就微觀而言,在各個(gè)領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的地理信息系統(tǒng)信息進(jìn)行二者交換和操作，能夠滿足查詢信息和分析信息數(shù)據(jù)的功能，是今后BIM技術(shù)與GIS技術(shù)融合發(fā)展的新方向。如Google Earth（谷歌地球）中研發(fā)的三維建筑模型功能就是BIM技術(shù)與GIS技術(shù)融合的非常重要的實(shí)例?，F(xiàn)階段，BIM技術(shù)與GIS技術(shù)融合的方法主要有三種：數(shù)據(jù)格式相互間的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)展和探究世界的本原或基質(zhì)的哲學(xué)理論。數(shù)據(jù)格式相互間的轉(zhuǎn)換是最使適用的方式。IFC目前是國(guó)際通用的BIM標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在很多BIM軟件都采用其作為數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，因此在跨國(guó)工程中，IFC也成為工程項(xiàng)目中最常參考的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。而GIS的標(biāo)準(zhǔn)是CITYGML，CITYGML是一種用于虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)的格式，用以表達(dá)三維城市模板的通用數(shù)據(jù)模型。IFC與CITYGML之間又很多的相同點(diǎn)，例如，IFC與CITYGML都是基于對(duì)象，并定義了相關(guān)類似的實(shí)體。有些按照CITYGML的模型在某種程度上與幾何學(xué)的IFC是保持一致的，這兩種格式包含的信息類型卻有所不同，IFC比CITYGML包含的信息內(nèi)容更為詳盡，在涉及數(shù)據(jù)格式相互間的轉(zhuǎn)換時(shí)，通常會(huì)造成IFC與CITYGML之間的整體映射并不是很容易。雖然兩者之間有不兼容的特性，但是專業(yè)的科研工作者已經(jīng)在用不同的方法想辦法克服兩者的個(gè)體弱點(diǎn)，以開發(fā)和制定更多、更穩(wěn)定的解決措施[2]。

3 公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)建設(shè)需求

在分析和探索“互聯(lián)網(wǎng)+公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理”發(fā)展創(chuàng)新思路，通過(guò)先進(jìn)的信息化技術(shù)能夠促進(jìn)公路項(xiàng)目工程管理的細(xì)致化和整個(gè)過(guò)程管理，促進(jìn)大數(shù)據(jù)與公路項(xiàng)目管理體系的高度融合，加快實(shí)現(xiàn)工程施工全壽命周期關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)、互通、互享、互融 ，以提高公路項(xiàng)目管理信息化水平。想要形成公路項(xiàng)目信息動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)，就要站在公路項(xiàng)目投資方的角度看問(wèn)題，不斷提升參與建設(shè)單位或企業(yè)的服務(wù)，進(jìn)而滿足工程施工操作層、領(lǐng)帶管理層、決策支持層、資源支持層以及平臺(tái)支持層等相關(guān)業(yè)務(wù)要求。并積極推廣和運(yùn)用BIM技術(shù)、工藝監(jiān)視測(cè)量、施工工程相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集等公路項(xiàng)目施工管理過(guò)程中的集成應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將施工進(jìn)度、施工目標(biāo)、質(zhì)量和工程施工安全等各方面的信息融入信息化管理當(dāng)中，施行“智慧工地”的建設(shè)，利用移動(dòng)軟件技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)需要為未來(lái)公路的養(yǎng)護(hù)管理信息化系統(tǒng)預(yù)計(jì)好什么位置的數(shù)據(jù)需要從后端獲取,什么位置要用到后端的接口，以便于數(shù)據(jù)向公路的養(yǎng)護(hù)管理期傳遞。公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)和分析、深入挖掘數(shù)據(jù)、超限預(yù)報(bào)等相關(guān)功能，并對(duì)分析出的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的圖表展示。公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)易于操作、管理以及系統(tǒng)維護(hù)，錄入、報(bào)告等界面操作比較簡(jiǎn)單，具有一致性，能夠提供適合的人機(jī)界面，人機(jī)界面是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換[3]。

4 融合BlM與GlS技術(shù)的公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

開發(fā)并融合BIM與GIS技術(shù)的公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)，平臺(tái)模型通過(guò)與動(dòng)態(tài)管理體系工作分解結(jié)構(gòu)的分解清單相掛接，能夠?qū)崿F(xiàn)BIM技術(shù)的主要功能有以下三點(diǎn)：①可視性。BIM技術(shù)構(gòu)建的以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成的公路項(xiàng)目各項(xiàng)相關(guān)信息工程數(shù)據(jù)模型中包含了整個(gè)工程的信息和功能信息，有效提高了公路項(xiàng)目工程施工的可視化水平，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，可以快速提取相關(guān)信息，以便更好地開展工作。②模擬化。BIM技術(shù)可以模擬地面沉降、地質(zhì)環(huán)境等內(nèi)容，對(duì)即將可能發(fā)生的不同情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)公路項(xiàng)目結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題做出有效的防護(hù)措施，在一定程度上提高了公路項(xiàng)目工程施工的穩(wěn)定性。在工程施工前期，利用BIM技術(shù)對(duì)危險(xiǎn)性較大的作業(yè)進(jìn)行模擬，可以在大量的模擬結(jié)果中篩選最有效的施工方案。③優(yōu)化性。公路項(xiàng)目工程施工過(guò)程需要不斷進(jìn)行自我完善，借助信息模型提供的與工程有關(guān)聯(lián)的物理和幾何信息，通過(guò)三維可視化展示，可以進(jìn)行相關(guān)的模擬和調(diào)整，進(jìn)而保證公路項(xiàng)目工程施工安全管理決策的正確性和最優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了可視性、模擬化、優(yōu)化性等功能，能夠有效提高建設(shè)業(yè)主、從事設(shè)計(jì)工作的各類機(jī)構(gòu)、監(jiān)理單位以及工程施工企業(yè)對(duì)公路項(xiàng)目的全面協(xié)同控制管理水平。與此同時(shí)，助力工程施工單位科學(xué)制定一系列的施工方案，確保工程質(zhì)量，降低返工概率，縮短工期，使公路項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)有制度、有章法、有組織、有落實(shí)，排除一切不安全因素和可能發(fā)生的意外，使各個(gè)部位、各個(gè)環(huán)節(jié)全面受控，達(dá)到預(yù)先設(shè)想的完全控制住的目的，在交工和竣工階段提供全要素、多領(lǐng)域的可視公路信息模型，進(jìn)而為全方位提高公路運(yùn)營(yíng)管理水平打下基礎(chǔ)。

融合BIM與GIS技術(shù)的公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)將實(shí)景和數(shù)字模型的相結(jié)合顯示和動(dòng)態(tài)加載展現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)中，通過(guò)BIM技術(shù)與GIS技術(shù)的融合，采取近年來(lái)發(fā)展起來(lái)高新技術(shù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)五個(gè)角度對(duì)地面情況進(jìn)行拍攝，獲得三維數(shù)據(jù)可以真實(shí)的反映地物的本來(lái)面貌，客觀地再現(xiàn)了地物的外觀、結(jié)構(gòu)以及高度等屬性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)的測(cè)量不足，使傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)帶有空間位置信息和各種影像數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以輸出DSM、DOM、DLG等的數(shù)據(jù)成果，滿足了傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)的要求，除此之外，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)利用提取及貼紋理的方式，還可以降低三維建模的成本，同時(shí)結(jié)合工程施工圖可以對(duì)公路全線進(jìn)行根據(jù)BIM技術(shù)的建模，并基于地理信息系統(tǒng)將實(shí)景和圖紙模型做到較好的融合顯示。融合BIM與GIS技術(shù)的公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)引入了WBS分解的思路和技術(shù)，以工作分解結(jié)構(gòu)作為公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)中整體信息的主線，并聯(lián)系施工質(zhì)量、方案進(jìn)度以及投資控制等相關(guān)信息的傳遞。為實(shí)現(xiàn)公路項(xiàng)目工程質(zhì)量精細(xì)化管理，以規(guī)范施工現(xiàn)場(chǎng)管理行為、強(qiáng)化執(zhí)行力、實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量提升為主要目標(biāo)對(duì)工程進(jìn)行拆分，將此過(guò)程深化和細(xì)化到每個(gè)構(gòu)件單元，通過(guò)工作分解結(jié)構(gòu)將所有業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，主要包括構(gòu)件模型、制定進(jìn)度、計(jì)量支付、施工質(zhì)量以及檔案資料等。通過(guò)深入分解細(xì)化公路項(xiàng)目管理指標(biāo)，制定具有針對(duì)性的管理措施、管理流程和表單，采用工作分解結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理工作和實(shí)物工作相統(tǒng)一的目標(biāo)，建立管理指標(biāo)體制，完善公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理體系[4]。動(dòng)態(tài)展示平臺(tái)采取瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式，需要將以項(xiàng)目或標(biāo)段為單位的三維實(shí)景模型加載到平臺(tái)中，根據(jù)工程施工中的進(jìn)度動(dòng)態(tài)分析和加載數(shù)字模型。在現(xiàn)階段，通過(guò)專業(yè)的傾斜攝影相關(guān)軟件構(gòu)建的模型，對(duì)精密度的要求較高，反映地物類型或區(qū)域地理分布特征的點(diǎn)比較多，這就一定會(huì)導(dǎo)致實(shí)景模型將占用大量的儲(chǔ)存空間，給現(xiàn)階段主流技術(shù)架構(gòu)的3D建模加載以及渲染和后期處理性能帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，相關(guān)項(xiàng)目小組可以請(qǐng)教一些計(jì)算機(jī)方面的專家，聚焦關(guān)鍵核心共同進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，不斷優(yōu)化與完善其性能，進(jìn)而保障模型的加載質(zhì)量和公路項(xiàng)目工程進(jìn)度。通過(guò)與公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)鏈接，能夠更加直觀地將施工整個(gè)過(guò)程反映出來(lái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)例和視頻監(jiān)控點(diǎn)信息數(shù)據(jù)的接入，使數(shù)據(jù)的利用率和管理能力都得到了提高。公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)主要特點(diǎn)有建設(shè)工期緊、施工任務(wù)重、標(biāo)準(zhǔn)高，為了保證工程質(zhì)量和施工進(jìn)度，項(xiàng)目部可成立一系列專項(xiàng)工作小組，如系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目小組、實(shí)景和圖紙建模小組、數(shù)據(jù)可視化動(dòng)態(tài)展示小組等等，各小組應(yīng)攜手合作、通力進(jìn)行開展工作，采用融合BIM與GIS技術(shù)的動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)、多方共同參與的協(xié)同管理體系建設(shè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

融合BIM與GIS技術(shù)的公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域通過(guò)運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”的創(chuàng)新思路，為公路項(xiàng)目工程施工中的動(dòng)態(tài)管理提供了可視化的管理手段，利用便捷、先進(jìn)得信息化技術(shù)手段，為公路項(xiàng)目精細(xì)化管理控制提供了更完善的手段。未來(lái)公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)智慧化管理與健康發(fā)展離不開BIM與GIS技術(shù)的不斷融合，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將BIM與GIS技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)因地制宜、成果鮮明等效果，為公路項(xiàng)目動(dòng)態(tài)管理平臺(tái)的可持續(xù)發(fā)展推力。

圖3 BlM虛擬模型