基于GIS+BIM融合的建设工程项目数字化管理平台研究与应用

贺晓钢，黄志宏，敖 翔，李 谧

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

近年来，随着“数字中国”、“智能建造”、“智慧运维”的不断推进与发展，建设工程项目的数字化管理逐渐成为社会关注的热点。精细化、智能化、标准化是当今建设工程管理的核心要求，以BIM为代表的工程信息化技术应用，正推动着工程建设管理模式的创新[1]，运用数字化和信息化手段提升建设工程项目管理的质量与效率，已成为当前建设工程项目管理新的研究方向。

建设工程项目存在工期紧、管理数据来源多、管理模式多样、信息化程度低等特点，项目在规划、设计、施工、运维各阶段逐步开展BIM、GIS等技术应用，但大多局限于阶段性、单一技术应用，BIM与GIS的融合深度较低，项目管理的信息化程度较低，项目管理平台缺乏，智慧程度不足[2]。

本文基于GIS+BIM融合技术，在明确建设工程项目数字化管理的数据内容与功能需求前提下，研究在GIS+BIM融合基础上实现多源数据集成的建设工程项目数字化管理平台架构，为建设工程项目管理提供新的数字化、智能化的解决途径。

1 GIS与BIM技术现状分析

1.1 BIM技术

BIM是指创建并利用数字化模型对建设工程项目的设计、建造和运营全过程进行管理和优化的过程、方法和技术[3]，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等五大特点，能够实现对数据的整合和对工程协同管理的促进。BIM技术通过对项目全生命周期数据的高效组织和管理，从根本上解决项目规划、设计、施工、运维管理各阶段及应用系统之间的信息断层，为提高生产效率、保证生产质量、节约成本、缩短工期等发挥出巨大的作用[4]。

BIM技术的应用有效提高了工程管理的水平，同时也暴露出一些问题：①针对多项目统一管理的需求，无法实现工程信息共享；②只适合小范围工程结构的管理，无法解决大场景模型创建和展示问题；③在Web端或移动端展示时，BIM模型会出现数据承载量不高、浏览效率下降、图形效果不佳等问题。

1.2 GIS技术

GIS是一种具有空间专业形式的数据管理系统，可对地理空间信息进行描述、采集、处理、存储、管理、分析和应用[5]。GIS的主要技术特点包括数据管理、空间管理、空间分析、多元展示等[6]，可实现二维图形与数据的统一管理、查询与浏览以及三维地理空间数据的展示。但其短板在于对微观模型的展示，无法创建精细化的单体建筑模型，模型信息相对粗略，很难满足精细化管理的需求。

1.3 GIS与BIM融合技术

从目前建设工程项目数字化管理的情况来看，依靠单一技术已无法满足需求，多种技术间的融合和集成应用将是必然趋势。GIS与BIM的融合技术为建设工程项目管理提供一种新的方法，以弥补单一技术在项目管理中的短板，两者各有侧重，BIM技术侧重于建筑物内部信息的管理，GIS侧重于与建筑物相关的室外地理空间数据分析[7]。BIM为精细化管理提供了精确信息模型，GIS为工程建设和管理提供了宏观场景。

通过GIS与BIM技术的有效结合，可以解决建设工程项目宏观管理与微观精细化管理并存的问题。GIS与BIM技术的融合与集成，一方面可以让设计单位、建设单位、监理单位和业主基于一个更加轻量的平台开展工作，进行协同应用，形成资源共享和功能互补[8]，同时可以实现从微观到宏观的多尺度项目管理，对项目建设过程的设计、进度、成本、合同、资金、虚拟建造、质量、安全、采购、资料等进行可视化管理[9]。

目前GIS与BIM的融合方法有3种，即数据格式转换、数据标准扩展、本体论[10]。数据格式转换是目前最常用的方法，主要方式是BIM数据向GIS数据的转换，可以通过中间格式与GIS平台交互，如通过Ifc、Stl、Stp、3ds、Obj等格式交互；也可以通过GIS平台的二次开发插件转换，如SuperMap通过插件转换为udd和udb的数据格式。

BIM向GIS数据的转换融合应考虑模型几何结构、材质、属性等要素，二者的融合应以GIS平台中定义的格式为准，通过提取模型表面轮廓，实现几何规格的统一；通过充分解析BIM材质参数的方式，统一材质规格；通过对GIS与BIM数据的关联性进行定义，实现属性融合。另外，BIM模型在GIS平台的运行效率也将作为考核数据融合效果的一个因子[10]。

本研究中采用SuperMap BIM模型转换工具，自主研发数据交换插件，对BIM模型进行轻量化转换，在GIS平台继承BIM模型的结构树、模型属性等。BIM模型在GIS场景中的坐标转换也通过数据接口设置BIM坐标与GIS球面坐标的对应关系，进行自动转换，使得场景融合真实有效。BIM模型关联的数据，通过唯一的模型ID，进行工程全生命周期的数据流转。

2 建设工程项目数字化管理价值分析

基于建设工程项目智能建造、智慧管理的需求，为提高项目在规划设计管理、施工建造、运行管理全生命周期的数字化、信息化水平，提升管理效率，利用GIS与BIM交互融合技术，深度融合地理信息数据与三维工程模型，打造基于GIS+BIM的建设工程项目数字化管理平台，实现项目数据集成、高效管控、辅助决策的目的。

(1)数据集成：建立项目数据中心，以BIM为核心，接入各阶段工程施工数据、质量数据、安全数据、物资数据、成本数据、工程验收数据等，并进行统一的存储处理，为各部门之间的数据共享交换提供管理服务，为智慧工地、资源管理、管理协同等业务应用提供基础的应用支撑，为工程建设管理提供基础数据服务。

(2)高效管控：通过数字化管理平台建设，经过统一的数据访问服务及应用支撑服务，对质量、进度、安全等业务组织模块进行业务重组，对项目人员、物资管理、视频监控等信息分类，最终通过业务表现、预警预报、综合管控呈现出来，实现工程建设的宏观、整体、高效管控。

(3)辅助决策：基于该平台建立工程数据库，可将业务组织模块成果提供给决策指挥、企业门户和移动平台等应用，从而支持政府、业主以及项目其他参与方对项目进行安全、质量、进度、投资等信息的综合管控以及运维管理；通过数据挖掘将相关联的明细数据进行综合呈现，为项目决策提供报表、图形等多维度的数据分析和综合研判信息。

3 建设工程项目数字化管理平台建设

3.1 平台能力

建设工程项目数字化管理，以数字化的工程信息为支撑，管理数据存在来源多、类型各异、数据量大等特点，因此，从技术角度看，数字化管理平台应具备以下能力：

(1)兼容多种格式(工程文档、表格、图纸、BIM模型等)、多类型工程(道路、桥梁、综合管廊、轨道交通等)数据源。

(2)整合、加载大体量BIM模型(单体模型在1GB以上)。

(3)突破文件，能够通过增量修改的方式处理构件级的信息及其变更。

(4)满足基于云分布式计算与存储。

(5)具备满足跨平台数据服务的接口。

3.2 数据中心

针对上述需求，应建立基于GIS+BIM的数据中心，用来存储工程建设过程中的多源数据，并通过人工录入或系统自动采集的方式不断增加、更新数据。

从时间维度看，建设工程项目数字化管理是包含规划、设计、施工、运维在内的全生命周期的管理，其管理数据应是贯穿项目全生命周期的数据。

从业务维度看，工程管理数据应包含设计阶段的BIM模型、GIS信息、测绘信息、地质信息、图纸、文档，施工过程数据(质量、进度、安全、物资、成本、人员等)，竣工数据(竣工档案、竣工模型)，资产、运维数据等。

基于GIS+BIM的数据中心是多源数据的集成中心，为建设工程项目数字化管理提供数据支撑，通过明确的规则将不同系统、不同格式的数据采用相同的语义解析规则进行解析，统一数据格式，实现真正的多源数据的融合与存储。

3.3 平台架构

基于GIS+BIM的数据中心是实现工程管理多源数据融合的基础，在此基础上继续扩展，可以形成满足项目协同管理的数字化平台。图1为建设工程项目数字化管理平台的基本架构。数据中心是BIM模型、GIS信息、设计数据、施工管理数据、运维数据等的集成平台，在数据中心的基础上，搭建工作流引擎服务和数据接口服务，从而实现基于数据中心的建设工程项目数字化管理平台，为工程规划、设计、施工、运维等阶段提供管理服务。

图1 建设工程项目数字化平台

3.4 平台特点

建设工程项目数字化管理平台集成了工程管理的多源数据，其特点如下：

(1)相对于BIM模型，平台包含了工程建设过程中设计、施工阶段更加完善、全面的数据，更能够代表真实的工程。

(2)底层支持多种格式、多种工程类型的数据，如GIS与BIM的融合、BIM与工程质量、进度、安全等数据的融合。

(3)基于云的存储于服务模式，减少对客户端性能的要求。

(4)基于“数据中心+服务”的工作模式，以用户和工作流程为中心，实现建设工程项目数字化管理。

4 数字化管理平台的应用

在某基础设施工程建设中，利用建设工程数字化管理平台实现了新建结构BIM模型、GIS数据、项目周边环境的倾斜摄影数据等多源数据的融合与展示，并在此基础上开展项目设计阶段资料管理、施工过程管理等应用。

4.1 数据浏览

以GIS为背景，将BIM模型轻量化处理后，与周边环境倾斜摄影数据整合，导入项目数字化管理平台，实现在Web浏览器查看、多角度模型展示、漫游等功能，如图2所示。

图2 模型浏览

4.2 资料管理

项目数字化管理平台中收集了整个项目全生命周期的设计文档、图纸等资料，实现了项目资料的查看、下载等管理功能，如图3所示。

图3 资料管理

4.3 工程管理

基于建设工程项目数字化管理平台，在项目施工阶段，以质量、进度、安全管理为重点，通过对施工过程中各管理要素的在线监控、管理、远程监管等，进一步提升工了程建设管理水平。

4.3.1质量管理

质量管理功能以单元工程三检制为核心，通过匹配预先定义好并与工程模型关联的施工单元结构树，在线发起单元工程三检流程，实现与模型关联的质量三检，如图4所示；将单元工程质量三检情况进行统计分析，并通过图表形式进行可视化展示，项目质量管理数据一目了然。

图4 质量管理

4.3.2安全管理

安全管理功能模块将市政工程隐患数据库以及风险源库预置在系统内，并可在后期进行扩充维护，如图5所示；通过安全检查与整改流程的在线管理，实现了安全风险闭环管理。

图5 安全管理

4.3.3进度管理

进度管理功能基于单元工程结构，将模型对象与检验批质量三检流程关联，自动判断检验批的施工进度，驱动相应模型对象的显示状态，形成工程进度面貌模型，通过可视化的方式展示工程实时建设进度，实现质量三检驱动的进度管理功能，如图6所示。

4.3.4视频监控

视频监控功能集成工程施工现场所有视频监控设备，实现实时在线视频监控，并支持回放功能，随时掌握工地建设进展及安全生产情况，如图7所示。

图7 视频监控

5 结语

随着计算机技术的飞速发展，数字化、智能化、网络化的信息技术开始在各个领域广泛应用，信息化技术正在不断对原有的生产、经营模式进行改进[11]。数字化、信息化管理成为建设工程项目管理的必然趋势。本文基于GIS+BIM的融合技术，提出建设工程项目数字化管理平台的架构，基于“工程数据中心+服务”的模式，构建了建设工程项目数字化管理平台，并通过某道路工程的实际应用，将BIM数据、GIS数据、倾斜摄影数据以及工程施工过程中的管理数据进行高效融合，为工程数字化协同管理提供了有效的数据支撑及工具。下一步将结合具体项目管理需求，研究数字化、信息化管理技术在运维阶段的应用，推动数字化管理平台在工程全生命周期的推广应用。