实景三维模型与BIM技术的集成应用

吴弦骏，闻平，吴小东，王莹

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650041）

实景三维模型是单一的表面模型，并不涵盖建筑物内部的结构信息和附属的其他属性信息，但可为智慧城市提供了现实城市的真实环境，精确还原整个城市的基础设施面貌，为新的基础设施建设提供了可预览的实际施工环境。BIM技术是一种全新的信息化工程管理技术，以工程项目各项相关信息数据为基础，建立三维模型，通过数字信息仿真模拟构筑物所具有的真实信息。BIM技术目前正越来越广泛地应用于基础设施工程行业中。本文研究了两种模型在GIS平台集成的关键技术，实现了两种技术在工程项目全生命周期建设中的集成应用[1]。

1 三维建模

1.1 实景三维模型与BIM模型的建模特点

倾斜摄影测量是国际测绘领域近些年发展起来高新技术，可快速构建坐标准确、纹理精细的实景三维模型。相较于传统的三维建模方式，实景三维建模具有自动化程度高、更接近真实世界的特点。BIM模型则依托于项目的可研、设计、施工、竣工等不同阶段，采用BIM设计软件，多专业设计师协同设计，逐步深化建模而得[2]。实景三维建模与BIM建模两种方式的对比如表1所示。

表1两种建模方式的对比

1.2 实景三维模型的生产

实景三维模型的生产流程如图1所示：①倾斜摄影，采用多旋翼无人机搭载倾斜相机进行航空摄影，影像包含同一地物不同视角的信息特征，弥补了传统垂直影像中欠缺信息的缺点[4]；②空三加密，对相机参数、影像数据、POS数据进行多视角影像特征点密集匹配和区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，完成相对定向，再利用外业测量的像控点成果进行约束平差解算，完成绝对定向；③全自动三维建模，采用多机多节点并行运算，将空三加密后的成果数据提交生成三维TIN格网，创建三维白膜、自动纹理映射和倾斜三维模型；④模型后处理，针对建筑物遮挡、噪声、水域等造成的模型空洞、拉花、变形，采取编辑三角网、重建白膜等方式对重点模型进行精修，为了便于后续的实体选中、赋值，实现实景三维模型的深入应用，还需对模型进行单体化处理。

图1 实景三维模型生产流程图

2 模型处理与集成

三维GIS平台基于空间数据库技术，依托其大范围海量的数据管理、可视化和分析能力，可将实景三维模型与BIM模型融合在同一个三维地理环境中，实现二者的空间集成。本文采用伟景行CityMaker实现多种实景三维模型格式与BIM格式的集成。

2.1 实景三维模型处理

实景三维模型主要包括osgb、obj等常见格式，依托于CityMaker对倾斜模型的支持能力，完成实景三维模型数据的格式转换。

2.2 BIM模型处理

在BIM建模过程中，由于设计对象的不同，通常采用不同的软件，如利用Civil 3D软件建立的三维模型，一般是与地形曲面密切相关的带状模型（如软基、道路等）[4]；利用Revit软件建立的三维模型，一般是构件化的结构较复杂的模型（如桥梁、管网、地下空间等）。由于BIM模型的信息数据量较大，将其在三维GIS场景中集成前需对模型进行优化处理[5]。具体步骤为：①模型切分，结合模型后期报量、进度展示等应用要求，可使用“合并”、“拆分”等命令来修改模型细度，如图2所示；②添加材质，选择符合要求的材质赋给模型，使模型外观更逼真；③属性赋值，根据BIM标准，赋予三维实体属性信息；④位置配准，落实BIM模型项目的基点坐标情况，确保正确的空间位置[6]；⑤模型整合，依托应用重新组织BIM模型的结构；⑥格式转换，依托平台插件，将BIM模型转换为FDB数据库。

图2 路基模型拆分

2.3 三维场景的集成

利用实景三维数据、BIM数据、二维交通、注记等数据，构建多源数据融合的三维场景。其主要难点在于BIM模型与地理数据的空间位置匹配和地形匹配[7]。

1）空间位置匹配（图3）。对于项目基点明确、工程坐标准确的BIM模型，通过坐标系统的准确赋值即可完成空间位置的匹配；否则需要通过设计图纸寻找同名点，计算转换参数，进而完成三维模型的空间转换。本文基于二维的四参数转换，引入高程修改参数，拓展为五参数转换模型，实现了三维模型在不同坐标系间的严密转换。

图3 空间位置匹配

2）地形匹配（图4）。通过直接读取BIM模型在三维设计阶段产生的模型边界、地形开挖等参数，修改地形，使得地形与BIM模型的严密贴合[8]。

3 实景三维模型与BIM技术的集成应用

实景三维模型与BIM技术的集成既能满足空间分析的宏观GIS要求，又能满足BIM技术在项目设计、施工、运维阶段的深化应用要求。

3.1 三维空间分析功能

将实景三维模型与BIM数据集成于同一三维空间后，借助于平台强大的GIS分析功能，可在三维场景中实现各类实用的三维分析功能，如图5、表2所示。

图5 可视域分析与控高分析效果

表2 集成后三维场景的三维空间分析功能列表

3.2 辅助规划设计

1）方案比选和优化。将不同方案的三维模型（BIM模型或3ds Max、Sketchup等主流建模软件制作的规划模型）与实景三维场景进行融合，将设计的方案与现状做真实对比，如图6所示。通过比例缩放、位置平移和旋转后，将规划模型放置于实景三维场景中。若放置位置本身存在相关地物，则将该处的实景三维模型压平或裁减再进行放置。比较不同方案对城市景观、周围建筑的影响，同时配合方案上报数据包中的属性数据、指标数据、相关附件进行综合对比评价分析，以直观的方式评估各方案的优缺点[9]。

图6 实景三维模型与BIM模型的集成

2）实景三维模型直接导入三维设计平台。倾斜实景三维模型与Civil 3D的融合有助于设计人员在Civil 3D中基于真实场景和真实地理坐标实现规划设计。为了将实景三维模型导入Civil 3D，需对倾斜实景三维模型进行格式转换，将osgb文件拆分为表达结构信息的qxsy文件和表达纹理信息的jpg文件，并生成索引文件，再通过插件将模型导入Civil 3D。通过插件将实景三维模型导入后可生成地形曲面，作为真实地形、地貌、地物的参照，能很好地辅助道路、桥梁等建筑的设计，如图7所示。

图7 实景三维模型导入Civil 3D

3）实景三维场景和CAD联动设计。通过DP-CAD联动设计软件，将实景三维模型载入DP软件中，将DWG数据载入CAD软件中，可实现二者之间的联动设计。两个窗口可同步放大、缩小、漫游，CAD的矢量数据能叠加于实景三维场景之上，在实景三维场景中进行各种标注、勾画，相关信息也将同步展示于CAD界面中。采用实景三维模型作为设计的基底数据更加真实、直观，可更好地辅助设计过程。

3.3 BIM深化应用

1）模型库与设计管理。对所有BIM模型进行统一管理，支持模型漫游、量测、属性查询、图纸关联、剖切、二维码查询、模型信息统计等操作，实现设计图纸查阅、变更管理、图模校审等。

2）进度模拟。通过WBS与模型编码，将进度信息关联到BIM模型，通过模型展示未建、在建、已完成等工程状态，实现对进度的对比、分析和反馈。

3）施工场布管理。辅助施工便道设计和变更，优化施工现场平面布置方案，如图8所示。

图8 施工场布管理效果

4）施工安全。在BIM模型和实景三维模型集成场景的基础上，结合视频、全景、门禁系统以及其他传感器实时回传的数据，实现人员进出的可视化管理，自动检测人和设备的各类行为，对工人的非法操作以及仪器设备的异常状态进行及时报警。

5）风险管控。业主可通过模型的完成程度直观查看工程进度，通过模型与实景模型的比对，分析施工偏差，并将工程联系单、验收记录表、施工检测记录等工程施工过程文件挂接到模型上，做到质量问题可追溯，如图9所示。

图9 风险管控

4 应用案例

依托本文的研究成果，以BIM技术和实景三维模型的集成应用为核心，围绕横琴新区海绵城市第一批示范项目、珠海市富山工业园管理委员会珠海市富山第一水质净化厂、建个元高速公路、巫家坝城市新中心项目BIM全生命周期咨询服务工程等项目的实施，打造了基于GIS+BIM的项目管控平台，可实现项目参建各方的协同管理，对项目进度、质量、投资、费用、合同、风险、监测评价和反馈等进行有效管理与控制。

5 结语

BIM技术作为建筑施工行业的新技术，存在并服务于建筑的全生命周期，以三维模型为载体，承载着建筑全生命周期的信息。实景三维建模是利用倾斜摄影等新型测绘手段方便快捷地获取数据并高度自动化建模的方式，可为项目建设提供大范围的真实三维环境。本文研究了实景三维模型与BIM技术在工程全生命周期中的集成应用。结果表明，两种模型可在三维场景中实现有效融合，充分发挥各自的优势，在规划、设计、施工、运营维护等各阶段发挥重要作用，体现了两种模型集成应用的可行性和重要性。