基于多软件融合应用的BIM+GIS快速施工场地优化布置.pdf

针对目前施工场地优化布置存在可视化、精细化、效率不足等问题，通过倾斜摄影技术采集地形GIS数据，基于.las数据格式保留点云和贴图属性，结合Recap软件的格栅抽取、修剪功能，在保障数据精度的前提下得到满足软件计算能力要求的点云文件；应用Infraworks对点云文件进行更好的可视化和降噪处理，快速实现场地、便道的初步设计，形成路线、占地面积、土方量等数据的初步统计，为工程前期决策提供科学依据；应用Civil 3D对Infraworks的初步设计成果进行深化设计，对场地平整、便道设计、工程量统计进行精细化处理，生成详细的平曲线图、纵断面图、横断面图、填挖方数量表等，为工程实施提供准确指导。关键词：BIM技术；GIS技术；施工场地优化布置；多软件融合应用中图分类号：TP31；U 415Rapid Construction Site Optimization Layout of BIM+GiS Based on(1.Beijing Guodaotong Highway Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100073,China;2.Beijing Municipal Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Beijing 100045,China)Abstract:Aiming at the problems of visualisation,refinement and lack of efficiency in optimized layout of the con-struction site,terrain GIS data were collected by tilt photography technology.Based on the las data format,the pointcloud and mapping attributes were kept.Combined with the grid extraction and pruning functions of Recap software,the point cloud file that meets the requirements of the softwares computational capability were obtained under thepremise of safeguarding data accuracy;Better visualisation and noise reduction processing of the point cloud filewere carried by Infraworks.The site and the right-of-way were quickly designed to obtain the formation of the route,the area,the amount of earth and other data of the preliminary statistics to provide a scientific basis for the pre-con-struction decision-making;The preliminary design results of Infraworks were deepened by Civil 3D.The site level-ling,the right-of-way route design,the amount of statistics were fine processed to generate detailed level and curvediagrams,longitudinal section diagrams,cross-section diagrams,fill and excavation quantity tables,etc.,whichprovided accurate guidance for the implementation of the project.Key words:BIM technology;GIS technology;optimization of construction site layout;multi-software integrationapplication收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 5作者简介：邓博，男，高级工程师，硕士，主要从事道路桥梁设计施工及智能建造研究工作。引文格式：邓博，叶锦华，张涛.基于多软件融合应用的BIM+GIS快速施工场地优化布置.市政技术，2 0 2 3，41（8)：148-155，159.（DENGB，YE JH,ZHANG T.Rapid construction site optimization layout of BIM+GIS based on multi-software integration application JJ.Journal ofmunicipal technology,2023,41(8):148-155,159.)文献标志码：AMulti-software Integration ApplicationDeng Bol*,Ye Jinhua,Zhang Tao?第8 期施工现场是每一个工程项目管理的主战场,项目所需的各类材料、设备、临时设施等资源都会在施工场地内汇聚。不合理的施工场地布置会增加材料运输距离、加重材料和机械设备的二次搬运工作量、需多次搭拆临建设施、降低设施生产率，杂乱的施工场地布置还会进一步增加施工现场的安全风险。而科学、规范、合理的施工场地布置，不仅能保障运输道路通畅、提高生产效率、确保施工安全性，还能减少二次搬运工作量、降低施工成本、提高项目效益。当前，施工场地优化布置主要是基于二维图纸进行，在精细化、可视化、效率等方面都存在问题。BIM技术和GIS技术虽然在工程领域得到了广泛应用，但是受限于软硬件技术的发展，在施工场地优化布置上依然难以实现信息数据的高效互通，缺乏统一的软件平台对BIM和 GIS信息进行集成。对既有软件取长补短，综合应用各类软件，基于BIM+GIS快速进行施工场地优化布置是当前的主要研究方向。1BIM技术与GIS技术简介BIM技术的核心是通过建立虚拟的建筑工程三倾斜摄影数据获取计算形成三维实景模型Infraworks快速场地布Infraworks地形文件与置、便道设计BIM模型集成邓博等：基于多软件融合应用的BIM+GIS快速施工场地优化布置149维模型,利用数字化技术,为模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库2。BIM技术能够很好地共享和传递从项目策划到运行维护整个周期的过程信息，使得工程技术人员对各种项目都能做出正确理解和高效应对3。但是对于大型基础设施工程,BIM技术对工程周边地形及宏观场景建模能力较差，模型数据量大，可视化预处理周期长。GIS 技术的核心是在计算机软硬件系统的支持下，对整个或部分地球表层空间中有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述4。CIS技术可以有效地管理各种资源环境的空间信息和时间信息，对资源环境管理和实践模式进行快速动态检测和分析测试，便于制定决策5。但是GIS技术对建筑物本身的模型精度不够，无法实现建筑单体内部的碰撞检查和工程量分析6-7。BIM技术与GIS技术均存在优势和不足,需要将二者优势互补进行工程应用。BIM技术主要用于构筑物信息的分析和协同，GIS技术主要用于区域空间信息管理，分析地理信息数据。综合应用BIM技术和GIS技术，管理者可实现对工程项目的精细化控制，如图1所示。Recap对.las点云文件进行运算生成.las点云文件预处理生成.rcp文件Infraworks基于.rcp文件生工程BIM模型建立成地形Infraworks快速工程量提取，方案比选Fig.1 Optimal layout process of construction site based on BIM+GIS2GIS数据的获取与处理2.1倾斜摄影数据获取GIS数据的基本特征为空间、时间和专题属性。CIS数据的主要来源包括地图、遥感图像、文本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据和已有系统数据等8。基于既有的商用GIS数据平台可快速获取施工区域的地形数据，但此数据往往在时效上滞后，精度也难以满足当前工程需求。应用倾斜摄影技术，结合文本资料、实测数据等，可快速获取施工Civil3D对Infraworks成果精细化设计，确定方案图1基于BIM+GIS的施工场地优化布置流程平面图、纵断面图、横断面图、工程数量表生成区域准确GIS信息，为施工场地优化布置提供精准支持。对施工现场周边进行全方位考察，对周边地形环境和敏感区域进行调查。考察完成后，根据项目需求划分倾斜摄影拍摄区域，对拍摄区域进行地面站和航线规划。应用无人机，根据规划航线进行拍摄，得到全部倾斜摄影数据，如图2 所示。2.2GIS数据运算处理倾斜摄影技术通过对选定区域的各个拍摄点的4个倾斜+1个垂直共5个视角同步采集影像，获150取被拍摄对象顶面和侧面高分辨率纹理信息9。通过三维建模软件Smart3D对3.8 6 km?的倾斜摄影照片和点云文件进行自动处理，通过空中三角运算生成三维实景模型。数据类型文件碎、数量多、高级别金字塔文件大，难以高效、.0sgb标准地进行网络发布标准的3D模型文件格式，几乎所有著名3D软件都.obj支持读写，但需要插件.fbx通用3D文件格式，兼容材质信息纯文本格式，自由度高，数据按类型划分，兼容模.dae型、材质、动画等信息文件格式简单，仅可描述三维物体几何信息，不支.stl持颜色、材质信息.las点云文件，保留激光雷达测量的全部属性信息2.3地形数据Recap处理基于Infraworks和Civil3D软件在地形快速和精细化处理方面的便捷性和强大功能以及市场应用的广泛性，笔者选择应用Recap对.las点云文件进行优化处理，生成符合施工场地布置需求的.rcp文件11-12 应用Recap索引不同区域的多个点云文件，按倾斜摄影区块读取完整的施工场地点云文件，如图3所示。对点云文件进行抽取格栅设置，通过抽取Journal of Municipal Technology303图2 航拍路径设置Fig.2 Aerial path setingTab.1 Smart3D output data format features数据特性适用场景单一场景应用无需协同的情况静态多边形模型，不含动画、材质等信息3dsMAX、M a y a、So f t i m a g e 软件模型互导Sketchup,Lumion,GoogleMap等数字几何CAD、3D 打印基于点云的精细化地形处理第41卷三维建模软件Smart3D可基于运算生成的三维实景模型输出多种数据格式，不同数据格式具有不同的特性，以满足不同应用场景的需求，如表1所示。.las点云数据格式可保留激光雷达测量的全部属性信息，可支持后续应用中更好的可视化效果；且输出数据可基于三维倾斜摄影像素进行精度调整，从而确保在满足应用精度的前提下，控制数据体量以提升后续应用处理速度。基于对施工场地优化布置的需求,笔者采用.las点云数据格式进行后续应用10,10像素精度的.las点云数据体量为1.9 3G,可实现基于普通工作站的后续编辑，大幅降低了计算机硬件配置需求,地形处理时间为1像素精度.las点云数据的 1/40 1/2 0。表1Smart3D输出数据格式特性数据体量7.06 G11.93 G3.80 G8.46 G16G193G/1像素、1.9 3G/10像素格栅的数值控制点云文件的密度，以保障点云文件的使用功能和运算量大小处于均衡状态，如图4所示。通过运算得到索引完整的点云文件，并根据实际情况对错误点进行剪除，得到符合要求的Recap点云数据，如图5、6 所示。基于Recap点云数据，可以根据地形文件应用图3Recap点云文件索引Fig,3 Recap point cloud file index需求，按区块进行调用，从而提高点云文件的整体应用效率,如图7 所示。同时，可对点云文件以RCB色彩的形式进行高程展示，辅助基于高程的施工场地优化布置决策，如图8 所示。第8 期PRO邓博等：基于多软件融合应用的BIM+GIS快速施工场地优化布置151X办文件图4Recap点云文件抽取格栅处理Fig.4 Grid processing of Recap point cloud file extraction图5Recap错误点剪除Fig.5 Recap error point pruning图8 点云文件RGB高程展示Fig.8 RGB elevation display of point cloud file3基于Infraworks的快速施工场地布置应用在公路与市政基础设施工程建设前期，施工场地布置尤为重要，如场地平整、便道设置等对工程成本和施工效率有着重大影响。笔者以某互通立交工程为例，阐明如何基于GIS数据进行可视化施工场地布置与方案优化。3.1Recap点云数据导入将拟建互通立交的原始地形点云数据用Recap处理完成后，以.rcp文件格式导人Infraworks，设定坐标系，基于Recap点云数据生成地形和贴图文件，并按照施工场地布置需求设置精度，如图9所示。根据生成的地形文件，对电线杆、树木、房屋等进行智能识别,将其提取为已识别要素,从而降低其对地形数据的干扰，提高地形数据的准确度，如图10 所示。图6 Recap点云数据Fig.6 Recap point cloud data口Q图9Infraworks地形文件生成Fig.9 Infraworks terrain file generation将经过精细化处理的地形文件与导人的工程BIM模型结合，实现拟建互通立交虚拟模型与现实地形模型的结合，为施工场地优化布置方案的前期图7 点云分块处理Fig.7Point cloud block processing策划提供准确依据,如图11所示。152Journal of Municipal Technology第41卷XX?图10 垂直要素提取Fig.10 Vertical feature extraction图11工程BIM模型与现实地形模型结合Fig.11 Combination of engineering BIM model and real terrain model3.2Infraworks场地平整快速模拟基于互通立交BIM模型和现实地形模型，观察场地条件和周边既有道路，应用Infraworks对场站进行初步规划，在拟建互通立交南、北两侧预选了3个场地作为项目驻地。在Infraworks内，快速对预选场地进行比选，提取场地面积、标高等信息，如图12所示13;测量场地距离,结合现场勘察,完成驻地的初步比选，如图13、表2 所示，单次Infraworks场地平整方案设计及数据提取可在2 0 min内完成。图13场地距离测量Fig.13 Site distance measurement表2 场地平整数据比选Tab.2 Comparison and selection of site leveling data场地编号距离/km1号1.492号1.133号1.28由表2 可知,3个场地的占地面积均在1万m以上，均满足使用面积需求；但2 号场地的整体标高为43.4m，更有利于场地排水防洪，且运距最短，因此选取2 号场地作为项目驻地。3.3Infraworks便道设计快速模拟根据选定的项目驻地位置和互通立交建设规划,应用Infraworks对便道进行初步规划,以满足施工现场通行、预制梁运输、土方运输等要求。应用平均宽度7 m的填土组件道路，部分区段根据实际需求添加临时桥梁、涵洞等设施，快速对便道进行设计，基于可视化信息对便道平面曲线、纵断面进行微调，形成符合地形和施工需求的便道路线，如图14、15所示。占地面积/万标高/m42.743.442.51.281.071.28图12 场地面积、标高信息提取Fig.12 Extraction of site area and elevation information图14便道平面曲线信息调整Fig.14 Adjustment of plane curves information of access road第8 期邓博等：基于多软件融合应用的BIM+GIS快速施工场地优化布置153图15便道纵断面信息调整Fig.15 Adjustment of profile information of access roada)处理前对各条便道进行快速计算，导出组件道路的逐桩挖方、填方、净值数据，形成统计表，为便道选择提供决策依据，如表3所示，单次Infraworks便道设计及数据提取可在30 min内完成。表3便道设计数据比选Tab.3 Comparison and selection of access road design datab)处理后图16 Civil3D地形曲面点简化处理Fig.16 Terrain surface points simplification by Civil 3D图17 Civil3D模型集成Fig.17 Model integration by Civil 3D便道编号长度/km挖方/m3填方/m净值/m成本/元1号1.072号0.893号0.98由表3可知，拟建互通立交北侧的2 号便道长度最短，南侧的3号便道填挖方量最平衡。因此,选择长度适中、填挖方量最优、成本最低的3号便道方案。4基于Civil3D的精细化施工场地布置应用4.1Infraworks文件导入Infraworks可快速基于点云数据生成地形文件，并集成工程BIM模型进行场地、便道的快速设计。同时，Civil 3D可在Infraworks的基础上，对初步设计的场地、便道进行精细化设计，对其标高、放坡、平纵断面等进一步处理，形成能指导具体施工的详细数据14。在Civil3D内，基于Infraworks插件，打开已经完成初步设计的场地和便道设计文件，选择地形曲面、规划道路、组件道路等各项信息，完成Infraworks对象至Civil3D对象的导入。对地形曲面点进行简化处理，以提高运算效率，如图16 所示。同时，导入工程BIM模型，实现精细化的互通立交与地形模型集成，如图17 所示。1 1365119111735722436(填方）93.5626564463(挖方)17 860118568(填方）11 7064.2基于Civil3D的精细化场地平整基于Civil3D对Infraworks初步规划的2 号场地进行精细化调整，在满足场地布置功能的基础上，充分考虑场地排水、防汛安全、边坡稳定、填挖方量市放技术154Journal of Municipal Technology平衡等因素，生成不同标高、坡率的场地平整方案，形成填挖方数据，为实际施工提供准确依据，如图18、表4所示。第41卷地平整方案。4.3基于Civil3D的精细化便道设计基于Civil3D对Infraworks初步规划的3号便道进行精细化调整，结合现场勘察，综合考虑便道承载力，对便道的平面曲线和纵断面曲线进行微调，提升纵断面高程，缩小放坡比例，使其更符合现场实际需求，形成完善的Civil3D便道模型，如图19所示。L.00513.202.方*7:净1134.42味513.20立*图18 Civil3D精细化场地平整处理Fig.18 Fine site leveling by Civil 3D表4场地平整数据比选Tab.4 Comparison and selection of site leveling data方案标高/m边坡坡率挖方/m填方/m净值/m成本/元方案143.0方案243.0方案343.2方案443.2方案543.5方案643.5方案744.0方案：44.0由表4可知，方案3在保证合理标高的条件下，挖方净值为1319 m3,成本最低，为最经济合理的场1:11:1.51:11:1.51:11:1.51:11:1.5367637091831184844226142172(填方)7863844826222174(填方)78 757388 0648026(填方)2772153981178078（填方）279018243652（挖方）10317243685(挖方)104095121319(挖方)79445131335(挖方)7997图19Civil3D便道精细化调整Fig.19 Fine adjustment of Civil 3D access road基于Civil3D便道模型，设定便道里程桩号，导出平曲线图、纵断面图、横断面图、填挖方数量表，形成完整的施工指导资料，如图2 0 2 2 所示。调整后的便道整体填方为2 32 9m,挖方为112 3m,净值为12 0 6 m（填方），在Infraworks初步设计填挖方量平衡方案的基础上，以优质填料填筑便道顶面，保证便道整体承载力，综合成本控制为5.1万元。M图2 0 Civil3D便道纵断面图Fig.20 Profile view of Civil 3D access road发，取长补短，在市政基础设施领域的施工场地优化5结论布置上开展了BIM+GIS综合应用。通过总结应用过笔者从BIM技术与GIS技术各自的优缺点出程，形成如下结论：第8 期邓博等：基于多软件融合应用的BIM+GIS快速施工场地优化布置155图2 1Civil3D便道横断面图Fig.21 Section view of Civil 3D access roadTotalVolumeTableStotionFillAreo0+020.000.500+040.000:000+050:002:340+080.000+100:000+120.000+140.000+160.000+180.00O+200.00O+220:000+240:000+260.000.000+280.000+300.002.910+320.000+340.000+360.006:670+380:005.490+400.001)通过BIM技术与 GIS技术的结合应用,基于倾斜摄影数据与.las点云数据处理，结合工程BIM模型，依托Recap、In f r a w o r k s、Ci v i l 3D 等软件的配合，可实现工程施工场地平整、便道设计、土方计算的快速模拟和精细化处理，形成完善的BIM+GIS施工场地优化布置方法。2)基于当前软硬件环境,GIS数据的.las格式可较好地保留点云和贴图属性。通过控制GIS数据的输出精度,结合Recap软件的格栅抽取、修剪处理，可在保障数据精度的前提下得到满足软件计算能力要求的点云文件。3)采用Infraworks对点云文件进行处理能够取得更好的可视化和降噪效果，可快速实现对场地、便道的初步设计，并形成路线、占地面积、土方量等数据的初步统计。4)Civil3D可对Infraworks的初步设计成果进行深化设计，对场地平整、便道设计、工程量统计进行精细化处理，生成详细的道路平曲线图、纵断面图、横断面图、填挖方数量表等，为工程实施提供准确指导。MET【1徐炽乾.装配式建筑施工场地布置方案研究D.武汉：华中Total VolumeTableutAreoCutVob0.280.001.075:010:0823.380.0049.47500.00.650.030.650:080.00.011310.070.000:05.470.000:000:37TotalVolumeToblemulolive.FillVolmulativeCut:Vof0:000.0013.555.0111.5628.380.8277:8541:050.0026.027.0922.553.5628.125.7516.86.729.687.25800.8027.9630.130.6943.2213813.8030.430.7187.630.5470.3915.5478:0115.01121-590.0056:053.68Stotion0.000+420.000.4513:5525.1125.93118.9025.93144.9233.02167.4646.58195.5853:33212.3960.06222.0767.31258.876811286.8498:25287.53141.47288.91155:27319.34155.98406.9715652477.36172:06555.37.187.07676:9618707733.02190.76Fig.22 The flling and excavation quantity of Civil 3D access roadand Technology,2020.)2刘占省，赵雪峰.BIM技术与施工项目管理M.北京：中国电力出版社,2 0 15:1-10.(LIU Z S,ZHAO X F.BIM technology andconstruction project managementMj.Beijing:China Electric Pow-erPress,2015:1-10.)3李志辉.基于BIM-GIS技术的场地土石方调配应用研究J.四川水泥,2 0 18(6):17 3.(LI ZH.Application research on siteearthwork allocation based on BIM-GIS 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Civil3D便道填挖方数量表FilVolume0.845.610.0029.0330.0848.6293.9970.7843.9354.268575.0455.27.0054.2990.36D.5965.990.3729.653.019.650.0036.604.3136.603.220.002.955.0090.00Cut:Volume12:098：4011.411.40.00000.000.390.390.005.869.5933:8850.1443.1175.7331:5982.2769:1750.04Cumulotive.FillVol738:63767.66797:73846.36940.341011.13.061119:321205.071260.331314.62404.991470.981500.631510.29546.891583.481583:481615:081684.24Cumuloftive.CutVol202:84211.2522.6523406234:.0624192249.78249.78249.78250.17250:56250.56256:41266.00299.88330.02373.13448.86531-13581.17科技大学,2 0 2 0.(XU Z Q.Research on layout plan of prefabri-cated building site D.Wuhan:Huazhong University of ScienceStotion0+820.003.700+B40.000.640+B60.000+880.000+900.000+920.000+940.000+960.000+980.001+000.001+020.00+040.001+060.001+080.001+100.000.10+120.FllA5.19.60.00nulative:Fill0.0076.702.1443.360.0026.6434:3912.7328.78.7721.28.0057.110.0066:22.00110.58O.01103.242.137.00.740.008:171.0510.83mulotive.CutVol0.001760.9521.411804:3121.411830:950.001885.6114.741920.0015.261932.732.761961.519.931982.787.6920.39.900.022106.110.022216.690.122319:9321372326.9378.632326:93139.042327.9789.92329.02581.17.602.59624.00624.00638.74654.00666.76686.69694.38894.41694.43694.55715.92794.55933:581123.51第8 期础上减小30 0 40 0 m。2)分流鼻端瞬时速度由主线设计速度来决定，建议设计速度大于7 0 km/h的匝道在分流鼻端采用相应设计速度的竖曲线控制指标。3)凹形竖曲线缓和冲击的要求值比保证夜间停车视距竖曲线最小半径的要求值小，将夜间停车视距作为凹形竖曲线极限最小半径的主要控制因素，其长度可包含缓和冲击和视距必要的长度；建议将现有规范中主线设计速度为12 0 km/h的互通立交出口凹形竖曲线半径增大0.8 倍；主线设计速度为10 0 km/h的互通立交出口凹形竖曲线半径增大0.5倍；主线设计速度为8 0 km/h的互通式立交出口凹形竖曲线半径增大0.3倍。MET参考文献【1刘子剑.互通式立体交叉设计原理与应用M.北京：人民交通出版社,2 0 15:6 3.(LIU ZJ.Interchange design principle andapplication M.Beijing:China 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