基于BIM与GIS的工程项目三维管理平台设计与实现

文｜宁波市安贞信息科技有限公司 方磊 王立幼 叶铭

1 引言

随着城市化进程的加快，工程项目管理相关的数据量越来越大、类型越来越复杂，传统工程信息管理与服务方式已较难满足当前需求。利用BIM技术结合GIS技术进行工程项目管理是当前的热点研究方向之一。

BIM技术基于数字模型实现对工程设计、建造和运营各阶段的精细化管理，但在宏观信息管理能力和周边环境整体展示能力方面存在不足。而GIS技术能融合大范围空间数据，集成地图视觉效果与地理信息的分析，完善城市级BIM大场景展示。因此，集成BIM技术和GIS技术进行城市级工程项目管理，将在海量信息可视化、项目信息协同以及工程管理技术融合等方面提供更完善的解决方案，服务于工程建设和市政管理工作。

2 研究现状分析

当前，基于BIM+GIS的工程项目信息化管理已有一定研究基础，相关信息平台已在许多城市开展应用。彭雷实现地形、影像和BIM模型的融合和一体化管理，为城市规划管理部门提供三维管理平台。潘飞实现了BIM 数据在GIS 环境下的快速、高效集成。薛梅等人实现对CAD/BIM要素服务的访问、三维场景中建设工程模拟展示和全生命周期集成应用。

然而，当前BIM+GIS的应用仍存在一定不足，主要体现在以下三方面：

1、当前基于BIM的项目管理多以单项目管理为主，在面对城市级BIM工程项目管理时，对城市三维GIS与BIM数据的集成和管理能力存在不足；

2、BIM空间结构复杂，数据量大，传统GIS三维模型优化算法较难适用于BIM，如何在互联网环境下实时获取、展示BIM数据，是亟需解决的问题；

3、如何使传统工程管理方法与BIM技术结合，使BIM技术真正落地应用。

本文利用GIS管理宏观多项目工程信息，通过BIM对单个建筑工程项目进行管理应用，设计并搭建了基于BIM+GIS的工程项目三维管理平台，实现了面向互联网的海量BIM数据快速可视化，形成了BIM与GIS融合的工程项目管理技术，并在实际项目中开展应用，提高了工程项目的管理效率。

3 面向网络的BIM数据优化与可视化

3.1 BIM数据特点分析

利用BIM技术进行工程管理，首先就要解决BIM数据在网络上传输和可视化的问题。BIM数据具有数据量大、空间结构复杂的特点，在进行数据切块发布与加载问题时，除了传统三维数据加载的共性问题，如数据量大、网速有限、显存内存显示以外，还存在BIM数据的个性问题，主要包括两方面：

第一，BIM数据空间拓扑结构复杂。BIM数据中最小颗粒度的模型构件对应着建筑设计或真实世界中的特定构件、结构或设备，其空间位置、属性信息具有专业意义，原则上不可分割，否则容易造成建筑属性和关联业务信息的丢失，在进行空间分析与专业、分层显示时也容易造成错误（如室内管线数据、楼板、墙面）。

第二、BIM信息包含多个专业。BIM数据一般包含建筑、结构、机电、装修等大类，还可以细分为门、窗、柱、楼、板、墙、水、暖、电等小类。在应用时，专业数据既需要组合使用，也需要相互拆分。

3.2 BIM数据优化发布

为保证BIM协同平台的数据分发和各专业系统对BIM数据的应用，本文研究了海量BIM模型数据在互联网环境下的快速获取和可视化技术，根据建筑行业特性，对BIM模型进行转换和重组。

本文根据BIM建模的LOD规则和专业分类，先对模型进行分层。再对各分层中的构件，根据最小包围盒，采用非平衡八叉树进行分块，将LOD和分块的索引与构件ID关联后存入属性表。在网络环境下，还需要对纹理进行压缩，以减小网络传输的数据量。然后，提取相同的构件，删除冗余的模型，以同一模型进行保存。最后，对osg数据进行压缩，必要时可进行加密。

通过上述方法，本文在不损失原始数据信息的情况下，实现了BIM数据的分层、分块和压缩，前端加载模型时可基于此方法实现按需加载，从而实现在网络环境下的数据快速可视化。

3.3 大规模BIM数据加载与可视化

城市级的BIM模型数据量可达TB级，若待数据传输完成后在进行渲染，不仅传输效率极低，而且容易造成内存、显存的溢出，严重影响体验。本文在BIM数据加载时，在分层分块发布数据的基础上，采用基于AOI的显示优化，分批加载数据。在读取数据时，首先根据视点位置和模型构件包围盒的距离，比较分层分块的索引信息，只加载视点范围内的数据。

在视点移动时，判断视域体范围内的构件与视点的距离，与索引数据比较后，加载新出现的构件，并移除视域体外的数据，以减小模型的内存和显存占用，从而实现任意数据量BIM模型从网络到内存再到显存的动态读取，解决了因数据量庞大而导致内存、显存溢出问题，也有效提高了数据加载的效率。

在数据绘制时，采用GPU编程实现模型顶点绘制、纹理映射、光线与阴影计算，以及内存数据读写和显存管理，有效提高了三维模型的绘制效率。

4 BIM+GIS集成平台的实现

4.1 平台总体架构

本文设计的基于BIM+GIS的工程项目三维管理平台总体架构如图1所示。

在硬件设备，包括施工现场的视频监控设备、环境监测设备和人员考勤设备。这些物联网设备获取的数据实时发送至数据库服务器。

图1 BIM+GIS平台的总体架构图

图2 项目管理与BIM+GIS可视化

图3 基于BIM+WBS的项目建设进度管理

在数据层，针对BIM数据、GIS数据、项目数据、业务信息和用户数据建立数据库。其中，关系型数据表采用mysql建立；BIM模型和切片数据，以及GIS影像、倾斜模型等瓦片数据采用文件方式进行管理。

服务层通过统一服务接口的方式，实现业务层向数据层的数据调用和返回。其中，BIM数据的优化发布在这一层进行实现。

业务层针对项目管理的业务功能，采用基于WebGL的开源项目Cesium进行封装和开发，分为项目信息、投资、工程计划、实施进度、质量安全监督、现场管理、合同管理、运维管理等模块。

最终，将平台在网页端、移动端和指挥中心的大屏幕进行展现。

4.2 平台主要功能

本文搭建的平台在集成项目各阶段、各来源数据的基础上，实现了工程全貌、项目投资、建设进度、工程质量、安全生产以及后期运营维护等方面的管理。平台面向施工管理的主要功能模块如下：

（1）项目信息管理

平台集成了所有项目基本信息，包括项目概况、资金情况、审批信息、总体建设情况，对BIM数据和GIS信息（如各阶段影像、全景、实景模型、用地红线、全景照片等）进行集成可视化管理，如图2所示。

（2）进度管理

平台将BIM和专业项目管理工具相融合，关联项目的施工计划、建设进度与流程工艺，将WBS各分部分项与BIM构件关联后，将任务分派到各工点的相关负责人，后者通过微信移动端实现进度的上报，系统自动生成实时的施工进度，如图3所示。

（3）投资分析

根据施工模型、计划进度和造价信息，平台可对项目各阶段所需投入的资金进行预估，从而优化投资曲线，实现项目资金的分阶段精细化投放，提高资金的利用率，提升企业投资效率。

（4）质量安全管理

平台通过将现场问题和BIM进行关联，建立一套完整的线上、线下质量安全隐患排查流程。质量安全巡查人员在现场发现问题、隐患后，可通过移动端上报问题，将现场问题与BIM构件进行关联，记录其问题类别、明细、现场照片以及规定处理时间，如图4所示。平台将问题记录后推送给项目负责人，由项目部派人解决问题，记录问题的解决方法并上传处理后照片，提交至平台进行现场审核。

（5）现场管理

平台接入了将工地现场各点位的监控视频，实现现场情况的实时查看；接入了扬尘和噪音监测设备，实现环保和噪音污染的监管和预警；接入了实名制打卡设备，实现每日工地人员的管理。

（6）指挥决策应用

平台建立了大屏指挥系统，将所集成各个项目的管理信息、BIM+GIS信息以及现场信息统一进行展示，如图5所示，协助管理人员进行指挥和决策。

5 结论和展望

本文分析了当前BIM和GIS数据以及相关技术在工程管理方面的应用现状，研究了面向网络的BIM数据优化发布和可视化方法，在BIM与GIS数据融合的基础上，设计并搭建了基于BIM+GIS的工程项目三维管理平台，集成BIM和GIS技术进行城市级工程项目管理。平台应用于轨道交通建设和高速公路建设等项目，实现项目建设、管理、维护全过程的信息管理、进度管理、投资管理、质量安全管理以及现场管理，帮助项目管理者随时随地掌控项目进度，提高了资金投放效率，保障项目质量与安全，有效提升了工程项目的管理水平，推动了项目建设的精细化管理和科学化决策。

图4 基于BIM的质量安全管理

图5 指挥决策应用