基于BIM與GIS的工程項(xiàng)目三維管理平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

文｜寧波市安貞信息科技有限公司 方磊 王立幼 葉銘

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，工程項(xiàng)目管理相關(guān)的數(shù)據(jù)量越來越大、類型越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)工程信息管理與服務(wù)方式已較難滿足當(dāng)前需求。利用BIM技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行工程項(xiàng)目管理是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究方向之一。

BIM技術(shù)基于數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)對工程設(shè)計、建造和運(yùn)營各階段的精細(xì)化管理，但在宏觀信息管理能力和周邊環(huán)境整體展示能力方面存在不足。而GIS技術(shù)能融合大范圍空間數(shù)據(jù)，集成地圖視覺效果與地理信息的分析，完善城市級BIM大場景展示。因此，集成BIM技術(shù)和GIS技術(shù)進(jìn)行城市級工程項(xiàng)目管理，將在海量信息可視化、項(xiàng)目信息協(xié)同以及工程管理技術(shù)融合等方面提供更完善的解決方案，服務(wù)于工程建設(shè)和市政管理工作。

2 研究現(xiàn)狀分析

當(dāng)前，基于BIM+GIS的工程項(xiàng)目信息化管理已有一定研究基礎(chǔ)，相關(guān)信息平臺已在許多城市開展應(yīng)用。彭雷實(shí)現(xiàn)地形、影像和BIM模型的融合和一體化管理，為城市規(guī)劃管理部門提供三維管理平臺。潘飛實(shí)現(xiàn)了BIM 數(shù)據(jù)在GIS 環(huán)境下的快速、高效集成。薛梅等人實(shí)現(xiàn)對CAD/BIM要素服務(wù)的訪問、三維場景中建設(shè)工程模擬展示和全生命周期集成應(yīng)用。

然而，當(dāng)前BIM+GIS的應(yīng)用仍存在一定不足，主要體現(xiàn)在以下三方面：

1、當(dāng)前基于BIM的項(xiàng)目管理多以單項(xiàng)目管理為主，在面對城市級BIM工程項(xiàng)目管理時，對城市三維GIS與BIM數(shù)據(jù)的集成和管理能力存在不足；

2、BIM空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)GIS三維模型優(yōu)化算法較難適用于BIM，如何在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)時獲取、展示BIM數(shù)據(jù)，是亟需解決的問題；

3、如何使傳統(tǒng)工程管理方法與BIM技術(shù)結(jié)合，使BIM技術(shù)真正落地應(yīng)用。

本文利用GIS管理宏觀多項(xiàng)目工程信息，通過BIM對單個建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行管理應(yīng)用，設(shè)計并搭建了基于BIM+GIS的工程項(xiàng)目三維管理平臺，實(shí)現(xiàn)了面向互聯(lián)網(wǎng)的海量BIM數(shù)據(jù)快速可視化，形成了BIM與GIS融合的工程項(xiàng)目管理技術(shù)，并在實(shí)際項(xiàng)目中開展應(yīng)用，提高了工程項(xiàng)目的管理效率。

3 面向網(wǎng)絡(luò)的BIM數(shù)據(jù)優(yōu)化與可視化

3.1 BIM數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

利用BIM技術(shù)進(jìn)行工程管理，首先就要解決BIM數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸和可視化的問題。BIM數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)切塊發(fā)布與加載問題時，除了傳統(tǒng)三維數(shù)據(jù)加載的共性問題，如數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)速有限、顯存內(nèi)存顯示以外，還存在BIM數(shù)據(jù)的個性問題，主要包括兩方面：

第一，BIM數(shù)據(jù)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。BIM數(shù)據(jù)中最小顆粒度的模型構(gòu)件對應(yīng)著建筑設(shè)計或真實(shí)世界中的特定構(gòu)件、結(jié)構(gòu)或設(shè)備，其空間位置、屬性信息具有專業(yè)意義，原則上不可分割，否則容易造成建筑屬性和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)信息的丟失，在進(jìn)行空間分析與專業(yè)、分層顯示時也容易造成錯誤（如室內(nèi)管線數(shù)據(jù)、樓板、墻面）。

第二、BIM信息包含多個專業(yè)。BIM數(shù)據(jù)一般包含建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、裝修等大類，還可以細(xì)分為門、窗、柱、樓、板、墻、水、暖、電等小類。在應(yīng)用時，專業(yè)數(shù)據(jù)既需要組合使用，也需要相互拆分。

3.2 BIM數(shù)據(jù)優(yōu)化發(fā)布

為保證BIM協(xié)同平臺的數(shù)據(jù)分發(fā)和各專業(yè)系統(tǒng)對BIM數(shù)據(jù)的應(yīng)用，本文研究了海量BIM模型數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的快速獲取和可視化技術(shù)，根據(jù)建筑行業(yè)特性，對BIM模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換和重組。

本文根據(jù)BIM建模的LOD規(guī)則和專業(yè)分類，先對模型進(jìn)行分層。再對各分層中的構(gòu)件，根據(jù)最小包圍盒，采用非平衡八叉樹進(jìn)行分塊，將LOD和分塊的索引與構(gòu)件ID關(guān)聯(lián)后存入屬性表。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，還需要對紋理進(jìn)行壓縮，以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。然后，提取相同的構(gòu)件，刪除冗余的模型，以同一模型進(jìn)行保存。最后，對osg數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，必要時可進(jìn)行加密。

通過上述方法，本文在不損失原始數(shù)據(jù)信息的情況下，實(shí)現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)的分層、分塊和壓縮，前端加載模型時可基于此方法實(shí)現(xiàn)按需加載，從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)快速可視化。

3.3 大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)加載與可視化

城市級的BIM模型數(shù)據(jù)量可達(dá)TB級，若待數(shù)據(jù)傳輸完成后在進(jìn)行渲染，不僅傳輸效率極低，而且容易造成內(nèi)存、顯存的溢出，嚴(yán)重影響體驗(yàn)。本文在BIM數(shù)據(jù)加載時，在分層分塊發(fā)布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用基于AOI的顯示優(yōu)化，分批加載數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時，首先根據(jù)視點(diǎn)位置和模型構(gòu)件包圍盒的距離，比較分層分塊的索引信息，只加載視點(diǎn)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

在視點(diǎn)移動時，判斷視域體范圍內(nèi)的構(gòu)件與視點(diǎn)的距離，與索引數(shù)據(jù)比較后，加載新出現(xiàn)的構(gòu)件，并移除視域體外的數(shù)據(jù)，以減小模型的內(nèi)存和顯存占用，從而實(shí)現(xiàn)任意數(shù)據(jù)量BIM模型從網(wǎng)絡(luò)到內(nèi)存再到顯存的動態(tài)讀取，解決了因數(shù)據(jù)量龐大而導(dǎo)致內(nèi)存、顯存溢出問題，也有效提高了數(shù)據(jù)加載的效率。

在數(shù)據(jù)繪制時，采用GPU編程實(shí)現(xiàn)模型頂點(diǎn)繪制、紋理映射、光線與陰影計算，以及內(nèi)存數(shù)據(jù)讀寫和顯存管理，有效提高了三維模型的繪制效率。

4 BIM+GIS集成平臺的實(shí)現(xiàn)

4.1 平臺總體架構(gòu)

本文設(shè)計的基于BIM+GIS的工程項(xiàng)目三維管理平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

在硬件設(shè)備，包括施工現(xiàn)場的視頻監(jiān)控設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和人員考勤設(shè)備。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

圖1 BIM+GIS平臺的總體架構(gòu)圖

圖2 項(xiàng)目管理與BIM+GIS可視化

圖3 基于BIM+WBS的項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度管理

在數(shù)據(jù)層，針對BIM數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、項(xiàng)目數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)信息和用戶數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫。其中，關(guān)系型數(shù)據(jù)表采用mysql建立；BIM模型和切片數(shù)據(jù)，以及GIS影像、傾斜模型等瓦片數(shù)據(jù)采用文件方式進(jìn)行管理。

服務(wù)層通過統(tǒng)一服務(wù)接口的方式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層向數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)調(diào)用和返回。其中，BIM數(shù)據(jù)的優(yōu)化發(fā)布在這一層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

業(yè)務(wù)層針對項(xiàng)目管理的業(yè)務(wù)功能，采用基于WebGL的開源項(xiàng)目Cesium進(jìn)行封裝和開發(fā)，分為項(xiàng)目信息、投資、工程計劃、實(shí)施進(jìn)度、質(zhì)量安全監(jiān)督、現(xiàn)場管理、合同管理、運(yùn)維管理等模塊。

最終，將平臺在網(wǎng)頁端、移動端和指揮中心的大屏幕進(jìn)行展現(xiàn)。

4.2 平臺主要功能

本文搭建的平臺在集成項(xiàng)目各階段、各來源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了工程全貌、項(xiàng)目投資、建設(shè)進(jìn)度、工程質(zhì)量、安全生產(chǎn)以及后期運(yùn)營維護(hù)等方面的管理。平臺面向施工管理的主要功能模塊如下：

（1）項(xiàng)目信息管理

平臺集成了所有項(xiàng)目基本信息，包括項(xiàng)目概況、資金情況、審批信息、總體建設(shè)情況，對BIM數(shù)據(jù)和GIS信息（如各階段影像、全景、實(shí)景模型、用地紅線、全景照片等）進(jìn)行集成可視化管理，如圖2所示。

（2）進(jìn)度管理

平臺將BIM和專業(yè)項(xiàng)目管理工具相融合，關(guān)聯(lián)項(xiàng)目的施工計劃、建設(shè)進(jìn)度與流程工藝，將WBS各分部分項(xiàng)與BIM構(gòu)件關(guān)聯(lián)后，將任務(wù)分派到各工點(diǎn)的相關(guān)負(fù)責(zé)人，后者通過微信移動端實(shí)現(xiàn)進(jìn)度的上報，系統(tǒng)自動生成實(shí)時的施工進(jìn)度，如圖3所示。

（3）投資分析

根據(jù)施工模型、計劃進(jìn)度和造價信息，平臺可對項(xiàng)目各階段所需投入的資金進(jìn)行預(yù)估，從而優(yōu)化投資曲線，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目資金的分階段精細(xì)化投放，提高資金的利用率，提升企業(yè)投資效率。

（4）質(zhì)量安全管理

平臺通過將現(xiàn)場問題和BIM進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立一套完整的線上、線下質(zhì)量安全隱患排查流程。質(zhì)量安全巡查人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題、隱患后，可通過移動端上報問題，將現(xiàn)場問題與BIM構(gòu)件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，記錄其問題類別、明細(xì)、現(xiàn)場照片以及規(guī)定處理時間，如圖4所示。平臺將問題記錄后推送給項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，由項(xiàng)目部派人解決問題，記錄問題的解決方法并上傳處理后照片，提交至平臺進(jìn)行現(xiàn)場審核。

（5）現(xiàn)場管理

平臺接入了將工地現(xiàn)場各點(diǎn)位的監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場情況的實(shí)時查看；接入了揚(yáng)塵和噪音監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和噪音污染的監(jiān)管和預(yù)警；接入了實(shí)名制打卡設(shè)備，實(shí)現(xiàn)每日工地人員的管理。

（6）指揮決策應(yīng)用

平臺建立了大屏指揮系統(tǒng)，將所集成各個項(xiàng)目的管理信息、BIM+GIS信息以及現(xiàn)場信息統(tǒng)一進(jìn)行展示，如圖5所示，協(xié)助管理人員進(jìn)行指揮和決策。

5 結(jié)論和展望

本文分析了當(dāng)前BIM和GIS數(shù)據(jù)以及相關(guān)技術(shù)在工程管理方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，研究了面向網(wǎng)絡(luò)的BIM數(shù)據(jù)優(yōu)化發(fā)布和可視化方法，在BIM與GIS數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，設(shè)計并搭建了基于BIM+GIS的工程項(xiàng)目三維管理平臺，集成BIM和GIS技術(shù)進(jìn)行城市級工程項(xiàng)目管理。平臺應(yīng)用于軌道交通建設(shè)和高速公路建設(shè)等項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)、管理、維護(hù)全過程的信息管理、進(jìn)度管理、投資管理、質(zhì)量安全管理以及現(xiàn)場管理，幫助項(xiàng)目管理者隨時隨地掌控項(xiàng)目進(jìn)度，提高了資金投放效率，保障項(xiàng)目質(zhì)量與安全，有效提升了工程項(xiàng)目的管理水平，推動了項(xiàng)目建設(shè)的精細(xì)化管理和科學(xué)化決策。

圖4 基于BIM的質(zhì)量安全管理

圖5 指揮決策應(yīng)用