CN111191307B - 一种基于bim+gis技术的土方工程虚拟施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法，利用无人机正向、倾斜摄影技术采集项目地的地形数据，形成资料库；利用BentleyContextCapture，对数据资料进行处理，生成GIS模型；在所述GIS模型中进行现场土石方的开挖与回填测算，输出计算结果；不再停留于传统“方格法”绘制“土方平衡图”进行工程量粗略估算，节约工程量计算时间及提高计算结果的准确度，并且在模型上可以直接进行距离、高层、面积、体积的测量，也可直接计算挖方填方，误差极小。还可用于审核BIM模型测算误差，利用BIM和GIS数据，双重保障土方数据的准确，为合理制定施工计划、精确掌握施工进度以及最终结算提供保障。

Description

一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法

技术领域

本发明涉及一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法。

背景技术

土方工程包括土方开挖、回填与场地平整。土方平衡，指的是计算出场内高处需要挖出的土方量。传统的土方平衡计算方法就是利用“方格法”绘制“土方平衡图”，计算出场内高处需要开挖的土方量和低处需要回填的土方量，就知道计划外运进、出的土方量。在计划基础开挖施工时，要尽量减少外运进、出的土方量，不仅关系土方费用(土方平衡的计算错误有时能够导致额外支付将近100％～150％的工程造价)，而且对施工场地空间及平面布置的策划、实施有很大的影响。

目前BIM(Building Information Modeling)不仅仅是建筑设计的新工具，也是建筑施工、运营维护的新工具。它的核心是以模型为载体，利用数字化的技术，将建筑设计、施工、运行的各类物理数据和实际信息集成化、三维化的展示出来，从而为了建筑工程项目的参建各方提供了一个信息交互的协同工作平台。GIS(Geographic Information System或Geo－Information system)又称之为地理信息***，它是一种空间信息***，是对整个或部分的表层空间中有关空间分布的数据信息进行采集、运算、分析和显示等功能的***，它为我们提供了客观的定性的原始数据。

随着近些年来两项技术的不断进步，BIM+GIS技术为建筑业的信息化、智能化发展提供了良好的支撑，由GIS建立空间数据库，BIM对其进行细化补充，从宏观和微观两个角度对两项技术进行了一加一大于二的集成升级。

传统的土方平衡计算方法就是利用“方格法”绘制“土方平衡图”，各原始标高的数据采集工作费时费力且容易产生误差，土方计划开挖、回填的工程量计算过程繁琐复杂容易导致计算错误。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种本发明，减少计算土方工程量误差以及工作量。

本发明是这样实现的：一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法，包括：

步骤1、采集项目地的地形数据，形成资料库；

步骤2、对资料库中的数据处理，生成GIS模型；

步骤3、在所述GIS模型中进行现场土石方的开挖与回填测算，输出计算结果。

进一步地，还包括步骤4、根据项目地质勘察报告生成BIM模型，并通过BIM模型计算土方量；将所述土方量与所述计算结果进行对照修正，输出土方平衡数据。

进一步地，所述步骤4进一步具体为：根据项目地质勘察报告采用Civil 3D进行土方平衡BIM模型的建立，利用复合体积算法和平均断面算法，计算现有曲面和设计曲面之间的土方量，将所述土方量与所述计算结果进行对照修正，输出土方平衡数据。

进一步地，所述根据项目地质勘察报告生成BIM模型进一步具体为：首先根据项目地质勘察报告进行分类整理为TXT文件，导入TXT文件，生成各个点位，并根据持力层进行点编组；根据持力层进行曲面的创建，并将曲面相对应的点编组，添加至曲面中使其与持力层关联，软件自动通过有限元方式计算划分，所获得的曲面即为地形或各持力层的表皮；选中相邻持力层，采用生成实体命令，软件便会自动计算生成两两曲面之间的填充，之后采用布尔运算命令，将地质模块进行修剪，完成BIM模型建立。

进一步地，还包括步骤5、根据GIS模型以及BIM模型，生成工作沙盘。

进一步地，所述步骤1进一步具体为：确定无人机航测范围，对无人机的航线进行规划，开始航测作业，通过无人机正向、倾斜摄影技术采集到项目地的地形数据，形成资料库。

进一步地，所述步骤2进一步具体为：若资料库中的数据大小小于限定值，则采用Bentley ContextCapture完成数据处理，生成GIS模型；否，则采用Altizure三维建模社区的云计算功能进行数据处理，生成GIS模型。

本发明具有如下优点：将BIM+GIS的优势进行有效的结合，使得土方工程的现场管理从传统的粗放式向精细化转型，实现GIS真实模型与BIM数字模型的双向对比，共同存档，最终提供给运维使用，做到真正的数据全生命周期的传递。BIM+GIS技术在土方工程中的应用，极大地提高了生产效率，不仅是数据采集方式的变革，更可实现数字建造、智慧建造。在项目前期利用无人机航拍建立正向、侧向摄影模型，利用模型进行地形数据、地质数据的采集，形成数据资料库，建立生成地形模型及地质模型。将地质情况可视化，导出点云数据，辅助Civil 3D进行土方平衡作业，在施工地质情况分布、方案论证方面具有参考作用。利用地形模型，在施工场地平整，土方开挖回填及外运方案优化，成本控制等方面具有明显优势。对所采集数据利用Bentley ContextCapture等专业BIM软件对数据进行处理生成高精度三维模型。通过云端或电脑、手机或平板等终端平台，利用扫描二维码的方式就能够快速查看项目的三维模型以及周边的建筑、道路、场地条件等环境信息。这种GIS+实景模型的方式，使得地质及地形模型可视化，可编辑化，在施工地质及地形的综合运用中展现了突出的优势。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明方法执行流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法，包括：

步骤1、确定无人机航测范围，对无人机的航线进行规划，开始航测作业，通过无人机正向、倾斜摄影技术采集到项目地的地形数据，形成资料库；

步骤2、若资料库中的数据大小小于限定值，则采用Bentley ContextCapture完成数据处理，生成GIS模型；否，则采用Altizure三维建模社区的云计算功能进行数据处理，生成GIS模型；

步骤3、在所述GIS模型中进行现场土石方的开挖与回填测算，输出计算结果。

步骤4、根据项目地质勘察报告采用Civil 3D进行土方平衡BIM模型的建立，利用复合体积算法和平均断面算法，计算现有曲面和设计曲面之间的土方量，将所述土方量与所述计算结果进行对照修正，输出土方平衡数据。

所述根据项目地质勘察报告生成BIM模型进一步具体为：首先根据项目地质勘察报告进行分类整理为TXT文件，导入TXT文件，生成各个点位，并根据持力层进行点编组；根据持力层进行曲面的创建，并将曲面相对应的点编组，添加至曲面中使其与持力层关联，软件自动通过有限元方式计算划分，所获得的曲面即为地形或各持力层的表皮；选中相邻持力层，采用生成实体命令，软件便会自动计算生成两两曲面之间的填充，之后采用布尔运算命令，将地质模块进行修剪，完成BIM模型建立。

步骤5、根据GIS模型以及BIM模型，生成工作沙盘。

本发明一种具体实施方式：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，减少土方工程量争议，采用BIM+GIS的模拟土方平衡的测算技术。在项目前期利用无人机正向、倾斜摄影技术进行地形数据的采集，形成数据资料库，基于数据资料库对数据进行处理生成高精度GIS点云模型，在模型中进行现场土石方的开挖与回填测算，同时为了相互验证减少误差，根据项目地质勘察报告采用Civil 3D进行地质模型的建立，利用复合体积算法和平均断面算法，快速地计算现有曲面和设计曲面之间的土方量。最终用BIM模型数据与GIS模型数据对照修正的方式输出土方平衡数据，测算数据与实际总方量相比误差小，并且该模型可提供土方工程土壤及岩石类别的划分估算数据，为项目土方工程量的结算提供科学准确的依据，有效把控项目成本。同时，采用的无人机区别于一般娱乐机型，一般娱乐机型是采用GPS定位，误差范围在5-10米之间，而RTK(Real-time kinematic)模块的无人机是采用基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度，误差为±1cm+1ppm。利用无人机航拍，使得土方工程量计算不在停留于传统“方格法”绘制“土方平衡图”进行工程量粗略估算，能节约工程量计算时间以及提高计算结果的准确度，并且在模型上可以直接进行距离、高层、面积、体积的测量，也可直接计算挖方填方，误差极小。还可用于审核BIM模型测算误差，利用BIM和GIS数据，双重保障土方数据的准确，为合理制定施工计划、精确掌握施工进度以及最终结算提供保障。

具体实施方式：

1、确定无人机航测范围。利用地面站的Google Earth(谷歌地图)，用点选的方式确定项目航测范围，并进行合理的飞行架次划分，优化航拍方案，提升作业效率。

2、航线规划及参数设定。正向、倾斜航测的飞行参数一般包括高度、速度、拍摄间隔、航向间距、旁向间距等，不同的参数设置影响最终模型的精度、航拍的效率等。

3、当地面站设置及无人机组装完成后，便可开始航测作业。无人机将以恒定的速度，根据地面站设定的重叠率和路径、范围等参数对地面进行等距拍照，操作人员观察无人机位置及地面站实时飞行参数即可。

4、最后进行数据处理，相对较小的单体或地块采用Bentley ContextCapture(基于影像自动化进行三维模型构建的并行软件***)完成航测的后期数据处理，可输出OSGB、OBJ、S3C、3MX等格式文件成果，以供后期浏览或加工。

5、较大的工程项目或地块由于拍摄范围大，影像数据多，完成重建所需的计算机内存往往达到上百G，现有设备无法完成重建计算，采用Altizure三维建模社区的云计算功能进行模型建立，大大缩短了建模时长，已达到最终成果输出的目的。

6、最终建立的实景模型可直接在模型中进行测量分析，包括距离、高层、面积、体积等数据，也可导入Revit软件中进行直接准确的进行现场土方的开挖与回填测算，减少争议管控成本。同时也可用于现场勘查、场布规划、灾后调查、施工阶段进度跟踪及形象汇报、竣工阶段形成项目实景模型等方面。

7、BIM模型的建立和应用的方法和步骤：采用Autodesk公司的Civil 3D软件进行土方模型的建立和模拟。首先根据建设项目岩土工程勘察报告中的勘探点一览表提取各钻孔点位的孔号、坐标X、Y值、孔口标高以及标准贯入试验分层一览表中各岩土层的标贯深度，分类整理为软件可读取的TXT文件。

8、通过软件中创建点的菜单，选择导入数据文件，将分类好的数据逐一的进行导入，生成各个点位，并根据持力层进行点编组。

9、进行曲面的创建，有几个持力层就建立对应个数的曲面，并将曲面相对应的点编组，添加至曲面中使其与之关联(即将“曲面”与“点编组”进行关联)，这样软件自动通过有限元方式计算划分，所获得的曲面即为地形或各持力层的表皮。

10、选中相邻持力层，采用生成实体命令，软件便会自动计算生成两两曲面之间的填充，但往往建立的地质模块会有间隙或交叉关系，此时我们采用布尔运算命令，将地质模块进行修剪，可形成一个完整的地质模块。

11、通过将Civil 3D建立的地质勘察模型，导入Revit中与项目基坑支护模型相嵌套，这样就可以进行直接准确的进行现场土方开挖与回填的测算。

12、进一步的，还可以结合桩基模型，对桩基施工过程进行模拟的方式方法，利用模型对压桩设备的穿层能力进行分析，选择合理的桩基持力层；并依据地质勘察模型直观分析建筑基础分布与受力，结合工程算量，优化基础数量与选型预判桩基长度等。也对可能影响桩基施工的(透镜体、夹层)岩土体提出处理预案。

13、进一步的，还可利用BIM+GIS技术建立规建管一体化平台。首先利用无人机正向、倾斜摄影建立GIS模型，表达既有建筑、地形、道路等实际情况，然后将市政管网、新建项目等BIM模型和信息通过平台整合放置到实景模型中去，形成规划设计管控规则与评估体系，针对具体的规划用地，可以查询到其规划的经济技术指标，也可以看到具体地块上落地的城市建设项目和公共服务设施设施的行政区域和服务半径。为设计单位、规划管理部门、城市决策者提供统一的工作沙盘。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法，其特征在于：包括：

步骤1、采集项目地的地形数据，形成资料库；

步骤2、若资料库中的数据大小小于限定值，则采用Bentley ContextCapture完成数据处理，生成GIS模型；否，则采用 Altizure 三维建模社区的云计算功能进行数据处理，生成GIS模型；

步骤3、在所述GIS模型中进行现场土石方的开挖与回填测算，输出计算结果；

步骤4、根据项目地质勘察报告采用Civil 3D进行土方平衡BIM模型的建立，利用复合体积算法和平均断面算法，计算现有曲面和设计曲面之间的土方量，将所述土方量与所述计算结果进行对照修正，输出土方平衡数据；

根据项目地质勘察报告生成BIM模型进一步具体为：首先根据项目地质勘察报告进行分类整理为TXT文件，导入TXT文件，生成各个点位，并根据持力层进行点编组；根据持力层进行曲面的创建，并将曲面相对应的点编组，添加至曲面中使其与持力层关联，软件自动通过有限元方式计算划分，所获得的曲面即为地形或各持力层的表皮；选中相邻持力层，采用生成实体命令，软件便会自动计算生成两两曲面之间的填充，之后采用布尔运算命令，将地质模块进行修剪，完成BIM模型建立。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法，其特征在于：

还包括步骤5、根据GIS模型以及BIM模型，生成工作沙盘。

3.根据权利要求1所述的一种基于BIM+GIS技术的土方工程虚拟施工方法，其特征在于：所述步骤1进一步具体为：确定无人机航测范围，对无人机的航线进行规划，开始航测作业，通过无人机正向、倾斜摄影技术采集到项目地的地形数据，形成资料库。

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