基于BIM+GIS的施工管理平台研究与应用.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.033基于BIM+GIS的施工管理平台研究与应用RESEARCH AND APPLICATION OF CONSTRUCTION MANAGEMENT PLATFORM BASED ON BIM+GIS林婧（广西交通设计集团有限公司，南宁 530029）LIN Jing（Guangxi Communications Design Group Co.,Ltd.,Nanning 530029,China）【摘要】为提升工程施工的质量和效率，文中以相思洲大桥项目作为应用对象，通过对BIM+GIS融合、施工平台设计与功能等关键技术进行研究，同时整合施工过程中各类数据资源，基于Cesium平台研发了项目施工管理平台。平台对施工过程中的图纸、技术、质量、安全、进度和人机等9个方面进行信息化管理，成功探索了在新基建环境下的项目施工信息化管理方式，有效推进了项目施工信息化管理进程。【关键词】BIM；三维数字化；施工管理；智慧建造【中图分类号】TU723【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0151-04Abstract：The Acacia Zhou Bridge project is studied to improve the quality and efficiency of engineering construction.Key technologies such as BIM+GIS integration,construction platform design and function are analyzed.A project construction management platform based on the Cesium platform is developed,which integrates various data resources in the construction process.The platform carries out information management in nine aspects,includingdrawings,technology,quality,safety,schedule,and man-machine during the construction process,which successfully explores the project construction information management mode under the new infrastructure environment,and effectively promotes the project construction information management process.Key words：BIM;three-dimensional digitalization;construction management;intelligent construction0引言高速公路信息化建设在美国、日本和欧洲发展最快且各国政府均高度重视，20世纪60年代，美国等已对路面管理系统开展路网养护和管理研究1，由于其市场前景广阔，各国的科研开发机构相继投入巨资，这也反映出未来高速公路建设的方向，且各国经济结构在进入新的调整时期，信息的传递和交流更加活跃，全球开启信息化浪潮，在时代大背景下高速公路建设也萌生新的需求。目前国内高速公路建设行业仍属于劳动密集型产业，多采用粗放式管理模式，存在诸多问题和弊端，在数字化与信息化高速发展的新时期，公路工程依靠二维信息建设和管理的传统模式已无法迎合当今智慧交通建设的需求2-4。如何有效地整合数据、信息资源，从而提高高速公路建设效率、工程质量并节约建设资金，是摆在各职能部门、施工企业和广大科研人员面前的一项亟需解决的重大工程和科学问题5。建设期管理涉及到多方管理交叉，传统管理模式往往以纸质文件形式上传下达，存档管理，没有形成有效数据统计和分析，对项目总体情况的决策能力有限。如何利用BIM技术收集管理数据，分析管理行为，重点部位重点控制是项目实施的关键。赵彬、丁杰等6，7展示了基于BIM平台的四维建模仿真工程应用与BIM技术优越性。王婷、高大涛、王雨薇等8-10研究基于5D技术应用于工程施工动态管理。在数字化与信息化高速发展的新时期，研究BIM+GIS融合等关键技术有助于驱动高速公路在施工过程中有效管理，从而推进高速公路建设程序标准化和智能化。1BIM+GIS融合关键技术研究1.1IFC模型信息IFC为一种基于对象的文件格式，使用EXPRESS语言对建筑项目的实体、实体属性、约束以及实体之间的相关关系信息进行描述和表达，是不受平台限制的开放文件格式规范。采用IFC数据对模型及信息进行传递应用，重点在于IFC属性集的定义，需要在标准IFC基础上针对公路工程及桥梁的特点进行扩充，根据不同工程结构的特点，定义适用的属性表达方式。1.2平台比选目前业内的三维 GIS 平台主要有 Google Earth、OpenWeb Globe、World Wind、Cesium、iModel.js等，依据交通建设项目的特点及需求，其对比情况如表1所示。151低温建筑技术-施工技术Jun.2023 No.300通过对比可以看出，采用Cesium作为GIS环境的基础平台具有其独到优势。Cesium的体系架构按层级可划分为动态场景层、场景层、渲染层和核心层4个层级，如表2所示。1.3坐标转换IFC为基于WebGL的Cesium 3DGIS系统，分为笛卡尔坐标系和地理坐标系，鉴于BIM模型使用相对坐标系，因此需对模型坐标到世界坐标进行转换，为此引入44的转换矩阵。将BIM模型的局部坐标点X0转换成直角坐标，其位置记为X1。通过旋转矩阵R和平移矢量T描述转换关系，其中X0、X1、Rx、Ry、Rz分别表示其对应的齐次坐标版本，x、y、z分别是绕着不同轴旋转的角度，Tx、Ty、Tz是平移矢量在不同轴上的分量轴，坐标转换如式（1）式（7）所示。X1=X0Tr（1）Tr=RT（2）R=RxRyRz（3）Rx=10000cosxsinx00-sinxcosx00001（4）Rz=coszsinz00-sinzcosz0000100001（5）Ry=cosy0-siny00100siny0cosy00001（6）T=100001000010TxTyTz1（7）1.4场景匹配通过将项目BIM模型的IFC格式文件进行转换，生成Cesium平台兼容的gltf格式文件，对模型进行实时三维化加载与渲染，实现BIM模型在三维大场景下的可视化应用。其中IFC需要通过中转格式Collada即dae文件并使用Collada2gltf工具转换为gltf。1.5信息传递BIM模型数据与GIS进行融合，除了三维几何信息外，还需要保留必要的专业属性信息，同时赋予模型构件唯一的标识编码，便于后期应用时进行资料和管理信息的关联。按照工程分部分项从项目到工点到构件进行层级划分，进行分层级的信息管理，便于后续施工、养护运营阶段模型的定义、识别和使用，实现全生命周期信息传递。2平台设计与功能通过建立深化设计模型并编制标准编码，将信息数据与模型的挂接、项目施工管理流程融合，基于项目管理过程的数据，融合3D模型、实景模型和信息管理，将项目管理过程从平面转向立体、将静态转向动态、将封闭转向协同共享。实现基于BIM技术的进度管理、安全管理、质量管理和技术管理等，同时在集成信息平台上预留开放端口，支持与海量多元异构数据的信息互通。在平台的设计过程中，主要基于以下原则进行：保证平台使用的稳定性和可靠性以及数据的一致性、完整性和准确性；支持多种格式BIM模型和数据上传；提高平台的可扩展性，便于后续业务功能的扩充和深化；保证平台的高质高效运行，减少响应时间，增加使用流畅性；提高系统的可维护性和可管理性，保证系统处于安全可负载的运行状态，可适应多个项目应用。根据项目施工管理需要，平台共分为BIM模型展示和管理子平台两大板块，其中管理子平台由项目介绍、图纸管理、技术管理、质量管理、安全管理、进度管理、人机管理、施工日志和施工监控九大模块组成，涵盖项目施工管理全套流程，实现从业务需求到平台功能的转换。此外还有移动端应用小程序，主要用于施工现场数据录入，信息查看等，提供基本的模型操作及施工管理功能，如图1所示。表1GIS平台对比GIS平台Google EarthOpenWeb GlobeWorld WindCesiumiModel.js开源性开源开源开源开源开源矢量数据及动态数据加载仅支持矢量数据均支持均支持均支持均支持编译定制难度大定制简单定制难度大定制简单定制难度大轻量化显示与渲染有利不利不利有利有利表2GIS平台对比层级动态场景层场景层渲染层核心层功能支持可视化，创建动态对象，并进行实时渲染可创建多数据源、高分辨率图层影像，实现大场景地形瓦片数据、模型、实体模型等添加对WebGL功能再封装和抽象，GLSL相关功能、着色器抽象表达等封装坐标转换、矩阵计算等算法，大场景快速切换图1BIM+GIS管理平台架构展示层电子沙盘 业务系统电脑手机管理要素人员设备材料投资文档BIM数据模型管理标准标准化规范化法律法规业务层进度质量安全计价1523项目应用效果3.1工程概况以相思洲大桥项目为例，作为国家高速公路网G59重要组成部分荔玉高速的重点控制性工程，全长1668m，跨江主桥870m，为组合梁斜拉桥，跨径布置为40m+170m+450m+170m+40m，北岸引桥为预应力混凝土小箱梁桥+预应力混凝土T梁桥，南岸引桥为钢混组合连续梁桥。3.2项目介绍项目介绍模块将施工阶段所涉及的相关信息关联到桥梁模型中，模型轻量化程度高，支持超大模型快速浏览，可以三维查看桥梁BIM模型和多角度成桥效果预览，同时提供施工方各部门的联系信息，实现对工程项目信息分析、查看和管理的功能。模块系统功能包括通讯录、土建分部工程概况、相思洲大桥BIM模型和720云成桥效果预览，如图2、图3所示。3.3图纸管理图纸管理模块将桥梁全套施工图纸、变更图纸和技术图纸等资料上传至系统，实现施工信息的有序存储和迅速查询，其中施工图纸和变更图纸上传后选择构件结构树上的关联部位，与BIM模型的具体构件相关联，实现了桥梁图纸与模型构件的联动查看，而技术图纸例如临建工程图纸等只做上传不做关联构件功能，同时对这三类图纸生成图纸数量统计柱状图，为远程协同工作提供极大便利。3.4技术管理技术管理模块对施工组织进行科学化设计与编排，并运用三维数字化技术指导完成施工重点和难点交底。模块系统功能包括施工组织设计、专项施工方案、作业指导书、技术交底等。其中专项施工方案针对桥梁的局部复杂施工工艺上传施工技术方案，可远程指导施工；技术交底对桥梁进行模拟施工，预知施工过程中可能遇到的问题并提出应对措施和解决方案，及时掌握施工动态情况。3.5质量管理质量管理模块宏观上感知项目整体质量态势，微观上做到重点分部分项质量管理工序化、流程化、精细化，质量管理提升到工序级自检管理，按照结构树分部分项划分，主要对桥梁施工工序的情况进行检查统计，对B/S平台或手机APP上报的质量隐患进行三维可视化预警，开展质量巡检并及时提出检查中发现的质量问题，并与工程树上构件进行绑定，向相关责任人发起整改提醒，发起人确认整改完毕即可确认整改闭合此质量问题，最后对巡检的情况生成柱状图看板见图4，同时提供基于BIM技术的质量安全管理方案。3.6安全管理安全管理模块对安全情况进行巡检统计，使用者根据发现问题部位和分类进行拍照和文字记录整理上传，可基于桥梁BIM模型定位具体问题的位置并与问题部位进行关联，将问题情况实时发送给相关责任人，并及时记录反馈问题的整改情况，实现跟踪留痕，形成整改闭环并一键生成整改单。3.7进度管理进度管理模块主要包括查看桥梁项目进度、总体进度计划以及分进度计划。查看桥梁项目进度支持以横道图形式按标段、天、周、月查看桥梁建设计划进度与实际进度，可以自动计算进度正常、延期、提前等对比情况，同时平台支持上传多条年度、季度及月度计划以及相应的增删改查，点击进度模拟按钮即可按照该条计划模拟进度，实现对桥梁项目实施进度的有效管控，如图5所示。图3720云成桥效果预览图2桥梁BIM模型浏览功能命令相思洲大桥BIM模型720yun行车道箱梁内桥面桥顶桥下 行车道 箱梁内 相思洲南索塔 俯视 箱梁下 南全景图4质量巡检统计看板未整改已整改全部543210数量/条325总条数图5总体进度计划新增新增总体进度计划文件名称：计划年份：计划季度：备注：荔玉高速TJ11标季度计划2022计划开始时间：计划结束时间：文件：点击选择文件提交重置153低温建筑技术-施工技术Jun.2023 No.3003.8人机管理人机管理模块对项目实施过程中的人工、材料和机械使用进行实时统计和管控，通过二维码等手段完成对现有人员、材料和机械进场情况的收集，针对于特种工种可设置证书有效期，在过期后显示红色进行提醒，从而实现建设资源的有效整合与利用，对项目降本增效具有积极作用。3.9施工日志施工技术日志在传统二维电子施工日志表格的基础上，增加了与模型的联动匹配，同时每日生成日志会与施工计划时间相匹配，达到驱动形象进度的效果，方便管理人员更及时形象地了解项目进度情况。3.10施工监控施工监控模块具有物联网、视频监控、智能控制等异构系统的集成能力和接口。基于“WEB+”技术，联合移动数码设备对项目驻地、重点施工区域、大型机械操作室等施工点进行布设，将监控内容全部接入到平台，完成施工数据的感知与收集。采用各类摄像头、传感器、无人机等设备作为数据采集的工具，利用物联网对采集到的数据进行远程传输，方便管理者快速调度施工现场信息，远程了解项目具体施工情况，对可能存在的问题进行及时反馈与纠正。4结语通过文中研究，得到相关结论如下：（1）采用Cesium作为GIS环境的基础平台与其他相比更具优势，为后续BIM+GIS的项目施工管理平台提供了开源、定制简单、支持矢量数据及动态数据加载和有利于轻量化显示与渲染的环境。（2）项目基于BIM技术、GIS技术、云计算、数据统计分析技术构建相思洲大桥项目施工管理平台，依托统一、安全、高效的数字化服务，能够提供多维度、多方式、多进程、多角色、多权限的智能化施工项目管理服务，充分适应我国国情发展以及交通建设的需要。（3）平台在维护国土信息安全方式上进行了有效探索，加速了BIM施工管理平台的本土化和国产化进程，在国内交通项目施工阶段具有强大的推广价值和市场竞争力，未来考虑完成项目协同设计管理平台、建设管理平台、高速公路网一张图平台等挂接，在海量多元异构数据融合和轻量化方面实现新的突破。参考文献1 董萌，杨超，李兴华.公路资产管理的发展之路 J.中国公路，2021（2）：76-78.2 曾蕾洁.基于BIM技术的高速公路施工期管理平台研究 D.邯郸：河北工程大学，2021.3 王昊平.基于BIM技术的高速公路设计应用研究 D.南京：东南大学，2018.4 董君，王志赫.高速公路工程建设中对BIM技术的应用实践J.公路工程，2017，42（4）：1-3.5 刘伟杰.BIM技术在公路工程施工阶段的应用 J.天津科技，2021，48（2）：57-61.6 赵彬，王友群，牛博生.基于BIM的4D虚拟建造技术在工程项目进度管理中的应用 J.建筑经济，2011（9）：93-95.7 丁杰.建设工程项目4D模型实现方法的研究 J.项目管理技术，2008（11）：21-25.8 王婷，肖莉萍.国内外BIM标准综述与探讨 J.建筑经济，2014（5）：108-111.9 高大涛，庞玉成.BIM5D在工程项目施工进度中的动态管理研究 J.城市建筑，2020，17（36）：90-91.10王雨薇，朱记伟，杨党锋，等.基于BIM5D的建筑工程施工动态管理及资源优化 J.施工技术，2019，48：249-253.收稿日期2022-8-25作者简介林婧（1989），女，广西柳州人，工程师，研究方向：BIM技术研究与应用。154