曾慶偉　王　濤　晁召波

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南　714000；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安　710043)

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BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用途徑研究

曾慶偉1王濤1晁召波2

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000；2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710043)

以“信息”為核心的建筑信息模型(BIM)，因其三維、動(dòng)態(tài)且全生命周期的信息管理模式，為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)提供了新的途徑。分析BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的必要性，研究BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的信息模型創(chuàng)建、變形預(yù)測(cè)等應(yīng)用?？赏ㄟ^進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析工作，挖掘出BIM中蘊(yùn)涵的地理要素信息，為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)創(chuàng)造條件。

測(cè)繪信息化BIM技術(shù)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)應(yīng)用

開展地理國(guó)情監(jiān)測(cè)，提供地理要素的空間分布、數(shù)量與質(zhì)量特征、發(fā)展趨勢(shì)和演變規(guī)律等，是測(cè)繪地理信息服務(wù)的進(jìn)一步深化發(fā)展[1]，不僅可以為政府部門科學(xué)決策提供依據(jù)，提高政府管理的科學(xué)性、規(guī)范性和前瞻性，優(yōu)化國(guó)土空間利用，推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，而且可以使社會(huì)公眾直觀地了解國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、環(huán)境變化等方面的實(shí)際情況，促進(jìn)公眾保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，自覺選擇綠色、低碳生活方式。

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)基于對(duì)地理要素基本情況的全面、準(zhǔn)確掌握，利用地理空間信息數(shù)據(jù)構(gòu)建地理國(guó)情信息基本數(shù)據(jù)庫，并集成多專題數(shù)據(jù)資源，是地理國(guó)情監(jiān)測(cè)信息服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)[2]。開展地理國(guó)情監(jiān)測(cè)，要充分利用已取得的測(cè)繪信息成果，采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，減少重復(fù)投資，擴(kuò)展服務(wù)方式和內(nèi)容。BIM技術(shù)作為一項(xiàng)跨專業(yè)的技術(shù)手段，能夠融合多專業(yè)的專題資源數(shù)據(jù)，它的推廣應(yīng)用無疑為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)搭建了一個(gè)良好的基礎(chǔ)地理信息利用平臺(tái)。

1　BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的必要性

1.1BIM技術(shù)特性

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)是一種應(yīng)用于建筑工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)管理的三維數(shù)字化技術(shù)。通過建立模型，整合建筑工程項(xiàng)目的各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息資源，以便在建筑的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，為設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)管理單位提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)。BIM可在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本、縮短工期和減少風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮重要作用[3]。BIM技術(shù)具有完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性等特性。

(1)完備性

指能夠有效體現(xiàn)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間位置、幾何尺寸、地質(zhì)情況等，功能特性主要指與建筑本身有關(guān)的屬性信息。BIM建?？蓪?shí)現(xiàn)虛擬模型對(duì)實(shí)體數(shù)字化描述的最大化，實(shí)現(xiàn)建筑在虛擬世界的“重生”。

(2)關(guān)聯(lián)性

指模型中的對(duì)象相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)可以對(duì)模型信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析并生成圖表。一旦某個(gè)對(duì)象發(fā)生變化，與之關(guān)聯(lián)的所有對(duì)象都能自動(dòng)更新，繼續(xù)保持模型的完備性、正確性。

(3)一致性

指建筑全生命周期不同階段、同一內(nèi)容的信息只需輸入一次。信息模型可以進(jìn)行修改、擴(kuò)充，無需重建，有效避免了信息不一致的錯(cuò)誤。

1.2必要性分析

“信息”是BIM技術(shù)的靈魂，BIM技術(shù)對(duì)推動(dòng)工程建設(shè)行業(yè)信息化影響巨大，通過搭建底層數(shù)據(jù)庫、信息附加及二次開發(fā)，可將建筑信息數(shù)據(jù)從工程設(shè)計(jì)階段傳遞到建造階段，為施工分析、工序、工藝、資源配置、施組計(jì)劃、施工模擬等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用主要通過建模軟件(Revit等軟件)和分析軟件(PKPM等軟件)實(shí)現(xiàn)[4]。BIM技術(shù)整個(gè)過程類似于一個(gè)拼圖游戲，不同的人將手中的拼版(信息)放在桌面(平臺(tái))上，桌面協(xié)調(diào)各塊拼版，將圖案(數(shù)據(jù)庫)狀態(tài)即時(shí)展現(xiàn)，使整個(gè)圖案趨于完整。

BIM成果中含有規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)容豐富的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，包括各類測(cè)繪地理信息成果。成果可以直接被可視化運(yùn)用[5]。BIM技術(shù)在工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用豐富了信息資源，特別是對(duì)隧道、地鐵等重要單體構(gòu)筑物信息的掌握，促進(jìn)了城市信息化發(fā)展，支撐了政府科學(xué)決策，改善了服務(wù)民生方式，起到了強(qiáng)決策、精管理、惠民生、促發(fā)展的作用。

測(cè)繪地理信息資源覆蓋面直接影響地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作的全面推進(jìn)?？沙浞掷肂IM成果，在其上擴(kuò)展地形地貌、道路交通、水域分布、土地利用、城市規(guī)劃、人口分布、經(jīng)濟(jì)等專題數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間位置與統(tǒng)計(jì)信息關(guān)聯(lián)，基礎(chǔ)和專題空間信息集成，為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)提供輔助信息[6]。結(jié)合地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，建設(shè)包含重要地理國(guó)情監(jiān)測(cè)信息與典型地理國(guó)情監(jiān)測(cè)信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而構(gòu)建面向政務(wù)應(yīng)用的地理國(guó)情服務(wù)系統(tǒng)和信息共享平臺(tái)。對(duì)于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)來說，BIM技術(shù)核心應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在對(duì)測(cè)繪地理信息的可視化生成和成果輸出上，即實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的有序管理及三維化、可視化、交互式的成果表達(dá)和信息共享。

2　BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用途徑研究

2.1創(chuàng)建信息模型

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的核心工作是對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息采集、分析工作。BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用途徑研究，首先要解決測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)與BIM技術(shù)有效結(jié)合的方式，將測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為建筑信息模型，達(dá)到準(zhǔn)確表達(dá)建筑工程信息的目的。利用BIM技術(shù)創(chuàng)建測(cè)繪地理信息模型如圖1所示。

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)可利用3S技術(shù)、三維激光掃描、攝影測(cè)量等技術(shù)，輔以外業(yè)調(diào)繪，進(jìn)行三維點(diǎn)云、平立剖面圖、屬性信息等測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)獲取[7]。近年來，三維激光掃描技術(shù)憑借其方便快捷、無接觸性損害等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)。在進(jìn)行三維激光掃描之前，應(yīng)先對(duì)被測(cè)建筑工程實(shí)施控制測(cè)量，在建筑周圍和內(nèi)部布設(shè)一系列控制點(diǎn)，使用精密全站儀(或GPS)測(cè)定控制點(diǎn)坐標(biāo)。在控制點(diǎn)上安置三維激光掃描儀進(jìn)行建筑工程三維激光掃描。掃描完成后，將每測(cè)站掃描數(shù)據(jù)拼合成完整的三維點(diǎn)云。經(jīng)過“去噪”和“校正”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可輸出為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，再導(dǎo)入BIM軟件中即可創(chuàng)建信息模型。例如，一個(gè)大型建筑工程項(xiàng)目開工前，可使用三維激光掃描儀采集原始地貌信息，通過BIM軟件生成地表模型，施工過程中，可隨時(shí)采集地表信息，即可迅速完成階段性的挖方量計(jì)算。

圖1　測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件生成信息模型

當(dāng)前，BIM建模軟件有Revit、CATIA等系列。如Revit Architecture軟件：在運(yùn)行模式上，軟件所提供的信息平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)的高效生成、存儲(chǔ)與管理。軟件所具備的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入功能不僅為后續(xù)的建模工作提供了手段，也將原始的測(cè)繪資料加以保存，并確保能在信息平臺(tái)中被有效利用。軟件中信息模型創(chuàng)建操作是基于對(duì)“族”的創(chuàng)建，創(chuàng)建者可以根據(jù)測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的模型或構(gòu)件，并設(shè)置不同的參數(shù)以滿足使用需求。這種參數(shù)化的建模過程為建筑工程各部分的測(cè)繪信息建立了有效的關(guān)聯(lián)，只要一部分發(fā)生變動(dòng)，其它部分會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2.2工程變形預(yù)測(cè)

地鐵、隧道等工程構(gòu)筑物是國(guó)家地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的重要對(duì)象。近年來，地鐵、隧道等地下工程迅速發(fā)展，而地下工程施工會(huì)引起地層移動(dòng)，導(dǎo)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、地下管線等附屬物破壞等事故，影響到隧道和地表建筑物的正常使用和安全運(yùn)營(yíng)[8]。因此，正確預(yù)測(cè)隧道等工程的移動(dòng)及變形十分必要。

BIM技術(shù)不僅可以及時(shí)了解隧道工程的實(shí)時(shí)狀況，也為隧道工程變形預(yù)測(cè)提供了手段。利用BIM技術(shù)對(duì)建筑工程進(jìn)行變形預(yù)測(cè)模擬分析，需要以信息為基礎(chǔ)，建立分析模型。根據(jù)分析預(yù)測(cè)目的不同，在模型中設(shè)置、輸入不同的參數(shù)信息(如圖2所示)。目前，分析模型建立有多種方法，例如可選擇建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行變形預(yù)測(cè)模擬分析。其中，輸入層中輸入?yún)⒘康拇_定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響預(yù)測(cè)的精度。隧道工程變形是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過程，其影響因素有圍巖的流變屬性、工作面的推進(jìn)距離、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用、時(shí)間周期、工程的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、幾何圖形、材質(zhì)屬性和荷載等。根據(jù)影響權(quán)重，可以將時(shí)間周期、斷面與工作面的距離這兩個(gè)特征量作為隧道變形預(yù)測(cè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入?yún)⒘俊９こ套冃晤A(yù)測(cè)分析將BIM技術(shù)引入到一個(gè)更高的應(yīng)用層次，意味著可以通過BIM預(yù)測(cè)隧道在其生命周期內(nèi)的變化趨勢(shì)，并能即時(shí)體現(xiàn)在信息模型之中。

圖2　BIM軟件進(jìn)行隧道變形預(yù)測(cè)虛擬

2.3構(gòu)建信息管理平臺(tái)

BIM技術(shù)的核心價(jià)值是各專業(yè)人員可以共享建筑信息，做到協(xié)同工作，提高信息的利用率，減小信息的獲取成本[9]。實(shí)現(xiàn)信息共享，需要構(gòu)建一個(gè)以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，各個(gè)專業(yè)利用圖形編輯工具進(jìn)行協(xié)同工作的BIM建筑信息管理平臺(tái)，對(duì)所有資料進(jìn)行真三維環(huán)境下歸檔和共享發(fā)布，為每個(gè)階段提供全方位數(shù)據(jù)支持。信息管理平臺(tái)可分?jǐn)?shù)據(jù)層、圖形層和專業(yè)層(如圖3所示)。數(shù)據(jù)層為平臺(tái)的基礎(chǔ)層，涵蓋BIM數(shù)據(jù)庫，用以存儲(chǔ)IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件格式的建筑信息，可以被建筑的各個(gè)專業(yè)共享使用；圖形層為完成建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等的工作層，可進(jìn)行圖形顯示編輯；專業(yè)層為使用層，各專業(yè)可利用專業(yè)軟件，對(duì)建筑完成概預(yù)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)等專業(yè)工作。信息管理平臺(tái)建成后，信息數(shù)據(jù)修改完善都可以經(jīng)由平臺(tái)同步更新至各方，進(jìn)行多方協(xié)同，減少問題沖突，提高解決效率。

圖3　BIM信息管理平臺(tái)構(gòu)建

通過BIM技術(shù)創(chuàng)建測(cè)繪地理信息模型，可實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)對(duì)象信息的可視化、動(dòng)態(tài)化、共享化。這不僅與地理信息系統(tǒng)(GIS)的信息管理功能相適應(yīng)，且在建筑層面上彌補(bǔ)了GIS技術(shù)的不足。BIM與GIS的結(jié)合，其實(shí)質(zhì)是以測(cè)繪地理信息為內(nèi)容的建筑信息模型和地理國(guó)情監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的結(jié)合。GIS對(duì)于區(qū)域或城市整體信息的管理具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于建筑工程單體本身的信息處理能力卻略顯不足[10]。BIM作為建筑信息管理平臺(tái)的重要基礎(chǔ)，是今后的發(fā)展趨勢(shì)，這要求前期的建筑工程測(cè)繪地理信息應(yīng)充分利用BIM技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范的表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)信息共享。

建筑工程交付階段，如果開發(fā)企業(yè)能夠?qū)瑴?zhǔn)確的設(shè)計(jì)信息、施工過程信息(如各類電氣設(shè)備、安裝構(gòu)件、管線閥門等位置信息)、反映建筑最終情況的BIM模型交付運(yùn)維單位，將為運(yùn)維單位提供巨大便利[11]。在設(shè)備日常維護(hù)、檢修等環(huán)節(jié)，依靠BIM模型中的數(shù)據(jù)，能夠輕松獲得所有設(shè)備管線和固定資產(chǎn)的日常運(yùn)行維護(hù)信息、房屋設(shè)施設(shè)備的全生命周期管理信息、房間的使用功能及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)大數(shù)據(jù)所反饋的數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備檢修、保養(yǎng)、更換做出預(yù)警，避免由于設(shè)備老化、檢修不及時(shí)對(duì)建筑造成影響。

3　結(jié)束語

近幾年，國(guó)家和社會(huì)對(duì)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的投入加大，認(rèn)識(shí)逐步增強(qiáng)，各種技術(shù)手段得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著成效[12]。測(cè)繪地理信息化體系是地理國(guó)情監(jiān)測(cè)的重要支撐，BIM技術(shù)為測(cè)繪地理信息化體系構(gòu)建提供了新的途徑，增加了信息來源。BIM技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)踐，可為不斷完善測(cè)繪地理信息化體系提供新的經(jīng)驗(yàn)和途徑，測(cè)繪地理信息化體系的完善反過來促進(jìn)BIM技術(shù)中多專業(yè)的融合。

BIM在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用處于起步階段。目前，只有部分外商投資工程項(xiàng)目使用BIM技術(shù)，例如上海的迪斯尼樂園。因此，只要國(guó)家政策引導(dǎo)，BIM技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)潛力巨大。同時(shí)，各行業(yè)對(duì)BIM應(yīng)用深度要求不統(tǒng)一，接口規(guī)范不一致等問題造成了不同應(yīng)用階段之間、不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)損失等問題，制約了推進(jìn)過程。應(yīng)加緊制定包括支持交換共享的地理空間信息時(shí)空參照規(guī)范、模型描述、數(shù)據(jù)格式、接口規(guī)范等數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)地理信息系統(tǒng)之間基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和空間定位基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)交換和共享。

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Research on Application of BIM Technology in Geographic National Conditions Monitoring

ZANG Qingwei1WANG Tao1CHAO Zhaobo2

2016-05-12

陜西省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目(名稱：高精度磁懸浮陀螺全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)濾波及優(yōu)效處理算法研究，編號(hào)：14JK1167)；陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(名稱：測(cè)繪新技術(shù)在地理國(guó)情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究，編號(hào)：2012-31)

曾慶偉(1984—)，男，2005年畢業(yè)于解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)，工學(xué)碩士，講師。

1672-7479(2016)04-0030-04

P208

B