蔚立军
(云南经济管理学院)
摘要：随着BIM技术和GNSS技术的发展，开始逐渐应用到国内外大型工程上，测量工作是工程施工的前期，高精度的控制网传递是超高建筑测量工作的关键。 超高层建筑是城市未来发展的趋势，“千米”超高建筑施工及监测技术将填补国内外在该领域的空白，提高“中国建筑”在国内外相关领域的核心竞争力，掌握在市场中的主动权，研究成果可更好地服务于国家重大建筑工程建设和运营管理需要，对测量定位技术方法进行创新，解决现代建筑工程建设所面临的突出问题，具有重要的理论意义和广阔的实用价值，对建筑工程测量学科的发展也具有重大的推动作用。
关键词：GNSS技术；BIM技术；工程测量
一、BIM技术和GNSS技术概况
GPS系统的组成① 空间部分——GPS卫星星座 GPS卫星星座由21颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星组成，运行周期11小时58分钟（对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星），轨道面数6个，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗（接收机看到超过11颗的有可能是接受到日本的SBAS卫星） ② 地面控制部分——地面监控系统GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注人站和五个监测站。主控站设在美国本上科罗拉多，三个注人站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰，五个监测站除了位于主控站和三个注人站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。（都由美国政府和军方控制，主要是为了控制卫星和给卫星提供播发星历等）。 ③ 用户设备部分——GPS信号接收机接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。 2、GPS信号的组成（码分多址技术）GPS卫星发送的导航定位信号一般包括载波、测距码和数据码（或称D码）三类信号。GPS卫星广播L1和L2两种频率的信号，其中L1信号载波频率为1575.42MHz，并调制了P/Y码、C/A码和数据码（或称D码）；L2信号载波频率为1227.60 MHz，测距码仅调制了P/Y码，其中P/Y码为军用码，C/A码为民用码。 GPS导航电文（D码）是包含有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航数据码。导航电文是利用GPS进行定位的基础。GPS信号现代化：系统计划新增4个信号，L2和L5新增2个民用信号（就是某些接收机上标注的L2C和L5），在L1和L2上新增2个军用信号。 3、坐标系统与时间系统
时间体统采用的是UTC时间，整个地球分为二十四时区，每个时区都有自己的本地时间。在国际无线电通信场合，为了统一起见，使用一个统一的时间，称为通用协调时(UTC, Universal Time Coordinated)。UTC与格林尼治平均时(GMT, Greenwich Mean Time)一样，都与英国伦敦的本地时相同，北京时区是东八区，领先UTC八个小时。 坐标系统采用的是WGS84：WGS－84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。在国内我们往往采用的是国家坐标（北京54、西安80、新北京54等）或地方坐标，因此需要坐标转换求取当地转换参数。 1.2 GLONASS系统（俄罗斯的全球卫星定位系统） 1、系统的组成 ① 空间部分——GLONASS卫星星座 GLONASS星座由21颗工作星和3颗备份星组成， 所以GLONASS星座共由24颗卫星组成。24颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星。 ② 地面支持系统地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。地面支持系统的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS系统由俄罗斯航天局管理， 地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地了， 系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科， 遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。 ③ 用户设备部分——GLONASS信号接收机接收GLONASS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GLONASS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是近几年来建筑行业提出的新理念，也是信息化技术手段的一大变革。住建部于《2011~2015 建筑业信息化发展纲要》中表明：全面推进BIM技术在建设项目设计、施工阶段的广泛应用，促进BIM技术发展，并将其作为建筑行业信息化推广的重点，将4D管理模式运用于目前大型复杂化建筑项目施工进程当中，实现建筑工程可视化管理。近期，住建部副部长易军在BIM技术促进建筑产业现代化高层论坛发表讲话时，强调建筑产业现代化和BIM 技术的推广应用是我国建筑业发展和改革的重要任务和目标，BIM技术应用是推进建筑业信息化的重要手段，为产业链贯通、工业化建造提供技术保障，谁掌握了BIM，谁就掌握了未来。
随着我国经济的持续快速发展，城市化、工业化进程的不断加快，国家和地方政府十分重视建筑施工过程的建设，致力于扩建设规模，改进施工工艺，提高施工效率，这也导致建筑施工工程设计、施工管理难度越来越大，传统的以Auto CAD为主体的、以工程图纸为核心的设计施工管理模式不能满足高度复杂化的建筑施工工程的要求，急需寻找一些新的技术方法来取得新的进展。BIM技术的引入为解决这些问题提供了新的方向。
二、新技术BIM和GNSS技术在建筑施工中的应用分析
90年代以后，随着BIM和GNSS技术的发展，BIM和GNSS技术开始逐渐应用到国内外大型工程上，国际上大型工程应用GPS技术，但观测技术不成熟、没有系统的总结。国内应用全站仪、激光铅直仪对建筑进行施工控制①采用激光铅直仪进行控制点的竖向传递，精度受测站点误差、人眼分辨误差、仪器对中误差、激光铅直仪光斑中心估读误差、建筑物摆动的情况下，控制点传递的精度不能达到毫米级，而且铅直仪垂直传递只能建筑物稳定的条件下进行，无法消除建筑摆动对传递带来的影响。②全站仪外控法对100～150米的建筑能够进行精确的定位，随着建筑的升高，全站仪外控法测量瞄准目标越来也困难，并且仰角大，受大气湍流及大气折光影响，测角、测距精度变低。③传统设备测量每个作业层都需要专业技术人员，且不能同时对多点进行测量，劳动强度大，效率低；无法测定建筑体摆动周期和摆动规律，不能保证动态建筑体的垂直度。这就需要全新的测量方法，在现有的观测技术、设备的基础上进行自主创新，确保超高建筑空间几何形态的精确定位。
设计机构BIM和GNSS技术的提出，是CAD等设计软件的研发应用的结果。因此，BIM技术首先达到应用的领域是建筑设计。目前比较成熟的BIM软件，如 Graphisoft 公司的Archi CAD，Bentley 公司的 Tri Foma以及Autodesk 公司的 Revit，这些软件的应用过程雷同，主要是将建筑物实体和构件通过数字参数化设计，并将其作为设计元素，通过元素间的空间关系、功能联系的自动计算和反映，为设计师提供了发挥想象力的空间。BIM和GNSS技术在建筑设计中应用，就是利用BIM和GNSS技术软件，创建一个虚拟的建筑信息模型，包含实际建筑物中所有信息，这是设计的核心。在建筑信息模型中不仅仅是漂亮的 3D 渲染，也不仅仅标注详细的施工图，这些只是其中的一部分，它所包含的信息，可以应用于项目建设的全生命过程。
施工单位与设计机构不同，施工单位在BIM和GNSS技术的应用中较为主动。分析其原因，一方面由于目前的施工建设现状下，施工企业的效率较低，每年超过30%的项目在实际施工过程需要返工。另一方面，由于施工企业的利润率较低，迫使他们急需寻找一种新的技术方法，降低施工成本，实现利润最大化。施工单位可直接利用设计单位提供的BIM和GNSS技术信息模型，修改形成适用于施工阶段的实时模型，将施工计划与施工方案通过模型进行初步模拟，消除设计中隐藏的问题，优化施工进程，提高施工效率，减少窝工、返工的现象，降低由于工程变更造成人力、物资的浪费，从而达到提高利润的目的。
目前，已有很多施工企业拥有自己的BIM团队，但实际应用仅停留在软件本身的应用上，随着BIM和GNSS技术在施工阶段的应用发展，及其优势的不断展露，会有更多的企业使用BIM和GNSS技术。建筑施工工程，作为市政公用工程的有机组成之一，是城市基础设施的重要一环，为城市生产、生活的稳定有序进行，提供基础服务和保障。随着我国现代化城市的发展，建筑施工工程作为解决人口、经济发展等问题的关键，国家和政府十分重视市建筑施工工程建设质量及建筑施工效果。建筑施工工程的规模不断增大、建筑施工工艺更加繁杂，建筑施工工程施工规模、技术、管理难度也就越来越大。
三、 BIM和GNSS技术在建筑施工工程中的应用优势
BIM和GNSS技术技术所创建的建筑信息模型并不是一个图形，它是一个包含着指定项目相关信息的完整的数据库。该数据库中包含建设项目所有构建的大小尺寸、数量、位置关系等一系列信息，通过这些参数化信息所表达出来的及时项目建成后的真实效果，通过该模型能够看到二维图纸不能表现的视觉角度和效果。在设计阶段创建的建筑信息模型上做施工图的优化设计，可以将数据库及视图进行双向联系，轻松得到平、立、剖面的图形，可根据需求选择不同位置的剖面图，对于模型中的非图形数据也可通过明细表进行统计，提高施工效率。
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加强各专业的协同合作建筑施工工程设及多个专业，基础工程是多个部门协作完成的，在BIM技术中也是不同专业各自进行设计的，各专业设计的最终模型可通过相关应用软件，整合成一个整体，实现协同设计，从根本上改变过去通过文字及图纸表达设计意图的工作方式。软件通过对模型中不同专业之间的冲突进行碰撞检查，并进行修改以达到规定要求，避免了因协同问题造成的对工程进度的影响。拥有强大的可视化虚拟功能可视化是BIM最直观的特点，BIM模型可视化的应用主要体现在两个方面：一是通过对施工进度的可视化模拟，及时发现进度计划中存在的问题，优化施工方案；二是通过可视化的建筑信息模型指导施工，尤其是对异形结构、预埋件等。三维可视化的建筑信息模型加上时间维度，形成4D模型进行虚拟施工。在4D 模型中，在虚拟的环境中，可以准确的发现使用中可能存在的问题，从而优化施工方案计划，达到有效控制项目进度的目的。施工人员可以通过控制视图，全方位查看建筑内部构件的空间位置，不再局限于二维平立剖面图的二维表达，更加直观、准确，避免了施工错误造成的不必要的浪费。另外，施工企业通过4D模型在项目的招标投标中获得巨大的优势，他可以快速并直观的了解施工方对项目的理解和施工方法的一系列措施，并对施工单位作出更准确的评估。
从二维CAD 到三维BIM设计和空间定位GNSS技术
利用二维图纸进行建筑设计，对设计师的空间想象能力要求比较高，设计师需要根据二维图纸想象建筑内部的结构特征。但是即使设计师能想象出建筑内部的结构也无妨将其以一种连续的方式展现在二维图纸上。但三维设计方式可以实现建筑工程项目三维立体展示的目标，利用 BIM和GNSS技术可以对建筑工程项目进行虚拟模拟，设计师可以对建筑工程项目有一个直观的了解，不需要再进行凭空的想象。同时， BIM和GNSS技术不仅能展示建筑工程项目的空间结构，还能显示建筑工程项目使用的材料特性等具体内容，设计师可以根据自己的需要进行数据库访问，这样可以让设计人员对建筑工程项目有一个更加全面的了解。
此外， BIM和GNSS技术还能将较为复杂的几何结构以一种比较直观的方式展现出来，例如比较著名的国家大剧院、鸟巢体育场等都属于外观机构较为复杂的建筑，二维设计无法对其进行全面的展示，但 BIM和GNSS技术三维技术却能将设计的成果直接模拟出来，使人能直接看到建筑工程项目的效果。虽然， BIM和GNSS技术三维设计方法能较为直观的展示建筑工程项目的几何空间结构，但这不是 BIM和GNSS技术技术唯一的功能特点，BIM和GNSS技术还包括很多其它方面的数据信息，如建筑工程的材料、力学原理、物理性质等，这些非几何信息的存在使得 BIM和GNSS技术的功能变得更加强大，一些在二维设计中需要人工完成的任务就可以通过输入相关数据而自动生成，例如建筑施工需要使用的各种二维图纸。
四、 BIM和GNSS技术技术在工程施工及运营阶段的应用分析
BIM和GNSS技术在工程施工阶段的应用分析
1、在施工阶段应用 BIM和GNSS技术可以优化施工方案。利用 BIM和GNSS技术可以对施工阶段进行四维处理。不仅包括三维几何立体坐标轴，还包括时间轴，即进度计划。通过四维应用可以对从月、季度、周、天等时间段对施工进度计划进行分析，并可以根据施工现场实际情况进行相应的调整，从中寻找最优的施工方案。此外，还可以对施工过程中的重点项目内容和难点项目内容进行模拟演练，从而选择最优的施工顺序和施工工艺，使得整体的施工方案更加完善。2、在施工阶段应用BIM和GNSS技术可以实现虚拟施工的目标。虚拟施工过程对于整个施工阶段而言具有重要的价值。一方面可以通过虚拟了解到真实施工过程进展的情况，从而判断计划是否合理；另一方面利用 BIM 技术的协同能使项目参与方面全面了解建筑工程项目的情况和存在的问题。无论是监理单位、施工单位还是业主都能进行信息共享，确保彼此之间信息的对称性。从而减少摩擦和矛盾。
3、在施工阶段应用 BIM和GNSS技术可以进行三维动画渲染。业主在进行建筑产品销售时由于建筑工程还没有完工，需要使用三维动画手段虚拟建筑工程项目，但这些三维动画效果都是经过渲染的，主要目的是为了吸引客户。但是在没有素材的情况下，创建三维动画是一个比较困难的过程，即使制作完成的三维动画效果也很难使业主满意。而且进行广告宣传还需要大量的投入，如果不能起到预期的效果，宣传工作就是无效的。 BIM和GNSS技术包括大量建筑工程项目的真实数据，为广告公司制作三维动画提供有用的素材，从而使得制作出的三维动画效果更能真实地反映建筑工程项目的实际情况；4、在施工阶段应用 BIM和GNSS技术可以进行模型校验。BIM和GNSS技术将建筑工程项目的实际情况如实地反映在计算机中，通过虚拟结果和实际工程的对比能及时发现其中存在的偏差，便于对建筑工程项目进行校验。此外，业主还将更加直观的看到建筑工程项目的效果图，便于业主对建筑工程项目做出调整。
在工程施工阶段应用 BIM和GNSS技术的益处
1、在施工阶段应用 BIM和GNSS技术可以进行碰撞检查。在传统的二维CAD设计方法中，各个专业的图纸都是进行独立进行设计的，在施工开始前由总工程师进行检查核对，发现其中存在问题。这种人工检查的方法存在很大的偏差性，同时也会浪费大量的时间和精力，建筑工程施工对于工期有着严格的要求，这种检查方式必然会影响建筑工程项目完工的日期。在施工过程中，最怕遇到设备管线碰撞的问题，这个问题一旦发生视情况的而定，可能需要重新进行部分安装也可能需要全部重新安装，不仅会耽误工期，同时还会造成严重的经济损失。在施工阶段应用BIM技术可以有效避免这种现象的发生， BIM和GNSS技术具有碰撞检查的功能，能在设计阶段就发现管线碰撞的问题，并给出解决方案，从而有效减少工程施工阶段因管线碰撞问题而导致的损失；2、在施工阶段使用 BIM和GNSS技术可以进行施工规划调整。 BIM和GNSS技术可以实现对施工阶段进行量化管理的目标，能根据现场的实际情况进行工程评估，制定新的施工规划方案；3、在施工阶段使用 BIM和GNSS技术可以有效避免重大失误的发生。通过对建筑工程项目的虚拟，在施工之前就可以清楚地掌握各个阶段施工的情况，及时预见一些问题的发生，并在设计阶段就采取解决措施，避免影响施工过程。此外，在施工的过程中，使用三维施工图便于施工人员更好地解读图纸信息，可以避免对图纸信息理解错误的现象； 4、在施工阶段使用 BIM和GNSS技术可以实现零库存的目标。零库存概念本是工业生产过程中使用的名词，以往的建筑工程管理过程中由于对现场材料管理工作的不到位很难实现零库存的目标。但通过应用 BIM 技术，可以对施工过程进行五维管理，实现零库存的目标，从而最大限度地保护业主的经济利益。
BIM和GNSS技术在工程造价管理中的应用分析
1、在工程造价管理中使用 BIM和GNSS技术是为了早日进入过程管控时代。现在应用范围比较广的工程造价管理方法还是传统型的，这种造价管理方式要在工程项目完工后才能对整个工程项目有一个比较全面地了解，从而使得工程造价的准确性难以保证，经常会出现业主和施工单位因工程款问题而闹上法庭的事件。在工程造价管理中应用 BIM和GNSS技术可以更好地进行风险管理控制，实现工程造价精细化管理的目标，从而使得工程造价管理早日进入过程管控的时代； 2、在工程造价管理中应用 BIM和GNSS技术能随时访问工程数据信息，确保相关信息的准确性。工程造价管理进入到过程管控的时代，需要有先进的数据系统做支撑，必须能准确地获得和工程相关的数据信息。 BIM和GNSS技术本身就是信息化的一种手段，有容量庞大的数据库，能储存建筑工程项目全生命周期中的所有数据信息，也可以让项目参与方对数据进行访问。因此，将 BIM和GNSS技术应用于工程造价管理中可以确保获取信息的准确性和及时性； 3、 BIM和GNSS技术日趋成熟。 BIM和GNSS技术核心就是以计算机技术为依托的具有三维模型的数据库。这个数据库不仅能存储大量的数据信息，同时还可以利用模型实现数据信息的动态变化，即修改任何一个数据都会引起相关数据的变化。随着 BIM技术的发展，相关方面的软件技术也有了很大的进步和发展，工程造价软件就是其中之一。将 BIM和GNSS技术 应用于工程造价软件设计中，改变了传统工程造价软件静态的特性，使其也能随着数据信息的变化进行不断调整，实现了工程造价软件动态化发展的目标。
施工过程模拟实现3D建筑信息模型是实现虚拟施工的基础，通过使用相关的BIM应用软件，结合部分编程，实现全面、准确的建筑工程施工过程的模拟。本节中拟采用Navisworks软件，用于实现虚拟施工进度的 BIM和GNSS技术应用。实时4D模型创建的具体方法：Revit 平台完成的3D模型，通过Revit中外部工具导出至Nviswoks 软件中，同时导入详细的施工进度计划，将施工任务包含的结构内容创建集合，附着到任务中，并与施工进度计划进行关联，结合Navisworks虚拟动画工具即可实现施工过程三维模拟。模拟施工进程1.建立施工进度计划由于污水处理工程建设项目规模较大，且施工过程较为复杂，需要专业施工人员根据经验将整个项目分解为一个个的基本单元，利用Project 软件进行施工进度计划的编制，通过施工经验估算任务的工期以及不同任务之间的关联关系，形成施工进度计划的甘特图。使用Navisworks软件中的Timeliner工具，将进度任务导入 Navisworks 平台，即可为3D建筑信息模型添加时间信息。2.创建选择集使用Navisworks中的Timeline功能，将进度计划中个基本单元所包含的构件创建为选择集，并附着到对应的任务名称中，完成进度信息与模型的关联，即可完成施工进度的模拟。在4D模型中，通过定义每道工序甚至每个构件的作业时间，能够把任意时间点的工程进展情况展现出来，方便项目经理向各作业班组人员布置进一步工作任务，并与计划进度作对比，随时掌握进度偏差，发现进度计划中的问题，从而及时调整方案，合理安排人工、材料、机械等资源，确保按期完成任务。
五、总结
基于BIM和GNSS技术在建筑行业应用的迅速发展，为解决建筑工程建设现状中存在的问题，本文提出了将BIM和GNSS技术引入建筑施工工程的理念，并探讨建筑施工BIM和GNSS技术的构建方法及其在施工阶段具体应用。首先介绍了BIM和GNSS技术的概念、特点，通过对相关软件的了解，选出适用于与本次建模的核心建模软件及应用软件；其次，在构筑物建筑信息模型基础上，利用Navisworks 软件进行不同专业间的碰撞检查，并将进度信息导入优化后的模型，形成 4D 进度模性，虚拟施工进度，实现可视化施工进度管理。
参考文献
[1]刘晓光.BIM技术在建筑施工中的应用研究[J].消费电子,2014(2):165-166.
[2]魏飞龙.BIM技术在建筑施工中的应用研究[J].城市建设理论研究,2014(12).
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论文作者:蔚立军
论文发表刊物:《中国住宅设施》2018年6月下
论文发表时间:2019/3/12
标签：技术论文; 建筑论文; 模型论文; 工程项目论文; 信息论文; 阶段论文; 建筑施工论文; 《中国住宅设施》2018年6月下论文;