BIM＋GIS在高速公路建設(shè)管理中的應(yīng)用與研究

謝來坤 秦曉晗 李旭

摘要：隨著公路信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)公路建設(shè)管理技術(shù)和手段已不能滿足項(xiàng)目的需求。作為工程領(lǐng)域兩大新興技術(shù)，BIM與GIS在微觀和宏觀方面分別具有獨(dú)特的優(yōu)勢。文章通過分析廣西地區(qū)高速公路建設(shè)的特點(diǎn)，結(jié)合BIM+GIS的優(yōu)點(diǎn)，依托廣西荔玉高速公路平南相思洲大橋段工程實(shí)踐，介紹了BIM+GIS項(xiàng)目管理應(yīng)用的流程和方法，為技術(shù)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的高速公路建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞： BIM;GIS;高速公路;建設(shè)管理

0 引言

BIM作為工程數(shù)字化的一種工具，是為了解決工程信息化而提出的工程建筑信息體系。BIM模型中的屬性信息能夠精確至構(gòu)件級(jí)別，從而具有可視化、信息全面、協(xié)同性好等優(yōu)點(diǎn)，但對于規(guī)模大、路線長的高速公路項(xiàng)目，BIM技術(shù)的缺點(diǎn)包括模型數(shù)據(jù)量大、可視化預(yù)處理時(shí)間長等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，GIS技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)逐漸趨于成熟，它能夠有效地處理海量的大范圍地形數(shù)據(jù)，從而大大提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算效率，并使其運(yùn)行流暢，在宏觀模型的展示方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但微觀、精細(xì)仍然是其技術(shù)方面的劣勢。因此，將BIM與GIS兩者優(yōu)勢相結(jié)合，能夠更好地為工程項(xiàng)目提供豐富全面的可視化管理信息。

1 廣西高速公路建設(shè)特點(diǎn)

廣西位于中國地勢第二臺(tái)階中的云貴高原的東南邊緣，同時(shí)也處于兩廣丘陵的西部，總體地貌為山地丘陵性盆地，境內(nèi)喀斯特地貌廣布。由于廣西境內(nèi)地形復(fù)雜、氣候多變，相對于國內(nèi)平原地區(qū)而言，其在修建高速公路時(shí)更易受到地形、地貌、地質(zhì)、氣象水文等自然條件的影響，建設(shè)難度大。

（1）地質(zhì)地貌復(fù)雜對高速公路項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段的線路優(yōu)化、施工階段的土方量計(jì)算以及征拆紅線的定位準(zhǔn)確性影響較大。

（2）區(qū)內(nèi)喀斯特地貌分布廣泛，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育，工程地質(zhì)條件不良等導(dǎo)致施工安全管控存在較多的不可預(yù)見因素。

（3）近年來廣西高速公路發(fā)展進(jìn)入“黃金時(shí)期”，施工進(jìn)度壓力大但現(xiàn)有的進(jìn)度管理模式已經(jīng)不適應(yīng)新的時(shí)代。

面對上述問題，傳統(tǒng)的管理方式難以進(jìn)行科學(xué)、有效、集中式的管理，需要采用新的技術(shù)和手段提升管理水平以滿足項(xiàng)目建設(shè)需求。

2 BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)勢

BIM有兩層含義，即建筑信息模型與建筑信息建模，一層強(qiáng)調(diào)結(jié)果，另一層強(qiáng)調(diào)過程。在CAD技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，BIM成為最新且有效的建筑信息模型創(chuàng)建技術(shù)。同時(shí)BIM的應(yīng)用能有效促進(jìn)高速公路向智慧高速公路建設(shè)轉(zhuǎn)變，并且可將物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)納入其中?[1]，更好地達(dá)到在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營整個(gè)建設(shè)過程的有效管理。而GIS是傳統(tǒng)地圖學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種特殊的空間信息系統(tǒng)?[2]，通過收集空間對象的地理位置及其他相關(guān)的屬性信息，對其進(jìn)行運(yùn)算分析，將現(xiàn)實(shí)空間對象轉(zhuǎn)化為圖形顯示，直觀地為項(xiàng)目管理和決策提供數(shù)據(jù)支撐。

隨著高速公路信息化的快速發(fā)展，單一的技術(shù)使用很難滿足現(xiàn)代公路建設(shè)的需要，技術(shù)的協(xié)同性成為關(guān)鍵因素，BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的有效結(jié)合正好滿足了這樣的需求。其中，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展不僅提高了BIM技術(shù)的建模的速度，而且其快速生成項(xiàng)目三維地形曲面使BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)景建模，這也為BIM技術(shù)的靜態(tài)和GIS技術(shù)動(dòng)態(tài)多維方的技術(shù)特性有效結(jié)合提供了技術(shù)支撐。

通過研究發(fā)現(xiàn)，BIM+GIS一般是通過數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的集成或者應(yīng)用的集成實(shí)現(xiàn)的，即可在BIM應(yīng)用環(huán)境中集成GIS，亦可以在GIS環(huán)境中集成BIM，或者兩者進(jìn)行深度的集成，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢，拓展更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。

BIM與GIS的融合使用首先可解決的是數(shù)據(jù)共享問題 [3]，其次也實(shí)現(xiàn)了工程微觀模型信息與宏觀場地信息的結(jié)合。研究“BIM+GIS”技術(shù)在高速公路建設(shè)管理中的應(yīng)用，有利于推動(dòng)高速公路“信息化建設(shè)”，對實(shí)現(xiàn)“智慧交通”具有重要意義。目前市場中大多數(shù)BIM軟件都支持多種格式的導(dǎo)出，如IFC、OBJ、DAE等常見的三維共享交互格式，不同的GIS平臺(tái)對各種格式的兼容性略有側(cè)重，但兩者的結(jié)合目前都較為成熟。

3 項(xiàng)目實(shí)踐

鑒于BIM+GIS技術(shù)在公路工程中的先進(jìn)優(yōu)勢，本文對該技術(shù)在廣西荔玉高速公路項(xiàng)目建設(shè)和在其控制性工程平南相思洲大橋建設(shè)中的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行分析。

3.1 項(xiàng)目概況

荔玉高速公路起于荔浦市，途經(jīng)蒙山縣、平南縣、桂平市，終于玉林市，全長 263.11 km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道。其控制性工程相思洲大橋是廣西荔玉高速公路上的一座特大橋，是該項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵性控制節(jié)點(diǎn)工程。大橋全長 1 668 m，跨江主橋長 870 m，為組合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，跨徑布置采用 40 m+ 170 m+ 450 m+ 170 m+ 40 m（如圖1所示）。兩側(cè)引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋+預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目建設(shè)主要具有以下幾個(gè)難點(diǎn)：

（1）氣象水文條件復(fù)雜。項(xiàng)目地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為 21.5 ℃，多年平均降水量為 1 400～ 2 100 mm，每年4～9月為多雨季節(jié)，降雨量為全年的80%，該地區(qū)經(jīng)常發(fā)生春秋旱夏澇的自然災(zāi)害。

（2）施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。項(xiàng)目施工工序繁多，涉及施工設(shè)備較多，安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）項(xiàng)目組織協(xié)調(diào)難度大。本項(xiàng)目涉及單位多、戰(zhàn)線長，施工組織協(xié)調(diào)難度大。

3.2 BIM模型的創(chuàng)建

根據(jù)項(xiàng)目施工建設(shè)及管理的需求，利用Bentley軟件采用LOD300的模型精度創(chuàng)建主橋結(jié)構(gòu)和引橋結(jié)構(gòu)的BIM模型，如圖2所示。

在BIM三維模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行主橋施工工藝仿真模擬及相關(guān)漫游效果制作，實(shí)現(xiàn)三維的施工交底（如圖3所示）， 使施工人員對工程特點(diǎn)、技術(shù)質(zhì)量要求、施工方法、措施和安全等方面有更為詳細(xì)的了解，以便于科學(xué)有序地組織施工，確保施工質(zhì)量安全。

3.3 項(xiàng)目GIS模型創(chuàng)建

GIS模型創(chuàng)建的形式有很多， 可以通過下載谷歌衛(wèi)片生成，也可以通過三維激光雷達(dá)掃描和無人機(jī)傾斜攝影等方式進(jìn)行。其中，谷歌下載衛(wèi)片生成地形精度較低;三維激光雷達(dá)掃描效果最好，精度最高，可以把誤差控制在 10 cm以內(nèi)，但是成本較高;現(xiàn)階段行業(yè)使用最多的是無人機(jī)傾斜攝影生成GIS地形，也是本項(xiàng)目采用的技術(shù)手段。

傾斜攝影工作流程主要包括外業(yè)測量和飛行攝影兩大步驟，具體流程如圖4所示。

在Smart 3D Capture自動(dòng)建模系統(tǒng)中加載測區(qū)影像，人工給定一定數(shù)量的控制點(diǎn)，軟件采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交匯，將整體區(qū)域最佳點(diǎn)加入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。然后采用密集匹配技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)高精度的影像匹配算法，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。地物越復(fù)雜，建筑物越密集的地方，點(diǎn)密集程度越高;反之，則相對稀疏。由空中三角測量建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成三角TIN，再由三角TIN構(gòu)成白模，軟件從影像中計(jì)算對應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維場景，將三維場景導(dǎo)出OSGB格式數(shù)據(jù)，上傳至服務(wù)器進(jìn)行GIS地形發(fā)布，如圖5所示。

3.4 基于BIM+GIS的項(xiàng)目施工管理應(yīng)用

3.4.1 基于BIM+GIS的三維可視化進(jìn)行方案比選

三維可視化是BIM+GIS的特有屬性，通過三維可視化可以大大提高項(xiàng)目溝通效率。在方案探討、專家論證和專家評(píng)審過程中能大大提高工作效率，以實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。山區(qū)高速往往存在山體與路線的繞行關(guān)系，在涉及方案變更時(shí)通過BIM+GIS可以快速發(fā)現(xiàn)山體和路線的關(guān)系，提出繞行路線，實(shí)現(xiàn)變更方案的快速討論。考慮到本項(xiàng)目后期可能因地質(zhì)原因造成山體不穩(wěn)，為保證高速公路主體的安全和運(yùn)維過程中的人員安全，現(xiàn)需對原設(shè)計(jì)局部線路進(jìn)行調(diào)整，原有路線如圖6所示。

針對本項(xiàng)目情況提出了兩種調(diào)整方案：（1）對路線進(jìn)行調(diào)整，由原來的橋梁變更為隧道，繞到滑坡山體后面進(jìn)行設(shè)計(jì)，可完全避免可能的山體滑坡造成財(cái)產(chǎn)損失，如下頁圖7所示;（2）對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行右側(cè)調(diào)整，占用部分省道，對右側(cè)山體進(jìn)行部分開挖，如圖8所示。

最后綜合考慮選擇了方案2，通過BIM+GIS的三維可視化功能實(shí)現(xiàn)了方案的高效溝通和專家評(píng)審的快速通過，對方案優(yōu)選起到了賦能作用。

3.4.2 基于BIM+GIS的土方算量

由于建設(shè)需要，現(xiàn)對一處服務(wù)區(qū)進(jìn)行土方平衡，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)情況從附近調(diào)土進(jìn)行場地平整，初步計(jì)算需要幾百萬立方米土方，GIS地形如圖9所示，為了合理調(diào)配可以通過GIS模型計(jì)算土石方功能進(jìn)行精確計(jì)算。

利用已知點(diǎn)（控制點(diǎn)或者已測量點(diǎn)），使用SX10進(jìn)行測站設(shè)立，掃描所需要的點(diǎn)云。再利用 SX10全站儀功能測量一些特征點(diǎn)。在此項(xiàng)目中，掃描了兩個(gè)測站，取景選擇全部范圍方式，掃描密度選擇粗略，照相機(jī)選擇廣角，將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入TBC中可以得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用TBC軟件自動(dòng)分類地面、建筑物、電線桿和標(biāo)志、高植被。對于軟件自動(dòng)分類有問題的，可手動(dòng)調(diào)整。并且剔除周圍的雜點(diǎn)，根據(jù)效果抽稀點(diǎn)云間隔，如圖10所示。在TBC中利用處理好的表面模型，根據(jù)規(guī)范等高距要求，創(chuàng)建等高線并進(jìn)行平滑等操作，如圖11所示。

可根據(jù)現(xiàn)場已有控制點(diǎn)，或者利用 SX10 全站儀功能測量的地形點(diǎn)進(jìn)行等高線誤差的校核。最后可計(jì)算出土方總量，同時(shí)也可計(jì)算不同的臺(tái)階標(biāo)高的土方量，如圖12所示。

3.4.3 BIM與GIS結(jié)合實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目征拆追蹤和設(shè)計(jì)成果校核

通過利用傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建的實(shí)景模型和高精度的影像資料對項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行真實(shí)重構(gòu)，為項(xiàng)目的BIM應(yīng)用提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過三維實(shí)景、高精度模型、設(shè)計(jì)紅線的結(jié)合，可對項(xiàng)目征拆面積、征拆進(jìn)度進(jìn)行全面的跟蹤分析。見圖13。

與此同時(shí)，通過GIS三維實(shí)景與BIM設(shè)計(jì)模型的結(jié)合，還可對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行校核，確保橋梁的樁基位置準(zhǔn)確無誤。見圖14。

3.4.4 基于BIM+GIS的物聯(lián)數(shù)據(jù)互通

對非BIM數(shù)據(jù)，可以跟BIM+GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)基于BIM+GIS+物聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。如本項(xiàng)目將視頻監(jiān)控與BIM模型做關(guān)聯(lián)，用視頻監(jiān)控?cái)z像頭可以實(shí)時(shí)查看項(xiàng)目視頻監(jiān)控，反之通過點(diǎn)擊視頻監(jiān)控名稱可以快速定位到攝像頭位置，在發(fā)布平臺(tái)上可以對視頻監(jiān)控進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)基于GIS的物聯(lián)設(shè)備管理。見圖15。

通過BIM+GIS在荔玉高速公路項(xiàng)目上的應(yīng)用，提高了項(xiàng)目管理水平，改變了傳統(tǒng)的工作方式。通過BIM+大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能物聯(lián)設(shè)備增強(qiáng)了項(xiàng)目監(jiān)管，保證了工程項(xiàng)目質(zhì)量，為智慧公路、數(shù)字公路方面的應(yīng)用提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

3.4.5 基于BIM+GIS的項(xiàng)目綜合施工管理平臺(tái)

（1）4 D施工進(jìn)度管理

根據(jù)項(xiàng)目EBS編碼將相思洲大橋BIM模型進(jìn)行拆分，并與項(xiàng)目project進(jìn)度計(jì)劃文件綁定，形成4 D的項(xiàng)目施工進(jìn)度管理。通過4 D的施工進(jìn)度管理，可以直觀地對項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)度預(yù)演、進(jìn)度查看及進(jìn)度對比。通過本項(xiàng)目的綜合管理系統(tǒng)，項(xiàng)目管理人員無論是在PC端還是在Web GIS端都可隨時(shí)隨地查看項(xiàng)目具體進(jìn)度，并對工期延誤的分項(xiàng)工程做出針對性的調(diào)整。

（2）工程技術(shù)資料數(shù)字化管理

通過將項(xiàng)目的技術(shù)文件、設(shè)計(jì)圖紙等材料與項(xiàng)目的BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，便于項(xiàng)目人員查找相關(guān)資料，實(shí)現(xiàn)施工全過程的資料記錄、查詢和追溯。

（3）工程質(zhì)量安全實(shí)時(shí)監(jiān)管

工程的質(zhì)量安全是項(xiàng)目管理人員最關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的管理手段和技術(shù)，無法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)及處理相關(guān)問題。基于BIM與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成，項(xiàng)目管理人員可利用手機(jī)終端將施工作業(yè)現(xiàn)場的質(zhì)量安全問題進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳并與對應(yīng)的工程部位關(guān)聯(lián)，并將信息第一時(shí)間推送給相關(guān)責(zé)任人，督促其限時(shí)整改，提高質(zhì)量安全問題處治效率，為工程的質(zhì)量安全保駕護(hù)航。

4 結(jié)語

隨著公路信息化的發(fā)展，傳統(tǒng)的工程建設(shè)管理技術(shù)和手段已不能滿足項(xiàng)目的需求。近年來，由于BIM與GIS的快速發(fā)展且日趨成熟，給工程項(xiàng)目管理人員提供了新的解決思路。本文通過對BIM及GIS技術(shù)的分析研究，并在廣西荔玉高速相思洲大橋中進(jìn)行實(shí)踐嘗試，通過基于三維地球GIS引擎Cesium的開發(fā)、先進(jìn)成熟的數(shù)據(jù)架構(gòu)方式、云技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的集成應(yīng)用，建成集資料資源管理、工序控制、進(jìn)度、安全、質(zhì)量管理等于一體的施工管理系統(tǒng)。通過本項(xiàng)目的應(yīng)用嘗試，初步形成了一套BIM+GIS的項(xiàng)目管理應(yīng)用流程和方法，對于提升技術(shù)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的高速公路建設(shè)水平具有重要的作用。

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