BIM+GIS在橋梁初步設(shè)計中的應(yīng)用

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，重慶 401121)

橋梁設(shè)計中，追求的是橋梁景觀和功能要求的和諧統(tǒng)一[1]。橋梁方案選擇除了考慮結(jié)構(gòu)、材料、施工難易程度等基本條件，還要結(jié)合環(huán)境因素，創(chuàng)造出融合周圍環(huán)境的盡可能完美的橋梁形體[2]。做出高質(zhì)量的橋梁方案設(shè)計，需要橋梁的工程信息和環(huán)境信息。BIM是建筑信息模型，以三維模型為載體，集建筑物在全生命周期中的各個階段的工程信息、過程以及資源于一體； GIS是專門面向地理空間信息的技術(shù)，具有強大的三維可視化能力及空間查詢分析能力，可以彌補 BIM周邊宏觀環(huán)境處理及可視化能力的不足[3-6]。GIS與BIM是兩種具有互補關(guān)系的數(shù)據(jù)(技術(shù))，將二者集成可以彼此取長補短，發(fā)揮更大效用。從社會影響、環(huán)境保護、地形地質(zhì)、工程造價、施工難度等方面考慮，綜合大橋橋位、橋型結(jié)構(gòu)、景觀設(shè)計等因素，本文以重慶市某座跨長江特大橋的初步設(shè)計為依托，探討B(tài)IM+GIS在橋梁初步設(shè)計中的應(yīng)用。

1 BIM設(shè)計環(huán)境的構(gòu)建

傾斜攝影技術(shù)是測繪遙感領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過在同一飛行平臺搭載多臺相機，從一個垂直、四個傾斜共5 個角度同步曝光采集影像，獲取真實地物信息，并采用后處理軟件ContextCapture構(gòu)建實景三維模型[7-8]。規(guī)劃橋址區(qū)位于三峽庫區(qū)腹地，地形以大河峽谷為主，處于環(huán)境敏感地帶，勘測條件復(fù)雜，適合采用無人機傾斜攝影技術(shù)快速創(chuàng)建實景模型，并基于實景模型作為BIM設(shè)計環(huán)境。

對于交通設(shè)計來說，實景模型比傳統(tǒng)地形圖在地形環(huán)境的描述上更具以下優(yōu)勢：1)能直觀反映地物地貌的真實環(huán)境信息，可以讓用戶從多個角度身臨其境觀察設(shè)計環(huán)境； 2)具有真實的地理坐標，可以進行坐標、長度、面積、體積的測量與計算；3)通過實景模型可以方便的提取tin、DTM、DOM等測量數(shù)據(jù)供后續(xù)流程使用。因此，BIM工程師可以直接連接實景模型構(gòu)建自己的設(shè)計環(huán)境，依據(jù)實景模型進行BIM建模設(shè)計，如圖1所示，設(shè)計師直接進行挖方填方計算，而不必通過地形圖提取高程數(shù)據(jù)經(jīng)過繁瑣的步驟來得到挖填方信息。

圖1 挖方填方計算

2 數(shù)字孿生的實現(xiàn)

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[9]。參照智能制造領(lǐng)域的“數(shù)字孿生”概念，林述濤提出了交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生，交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生應(yīng)包含設(shè)計信息的3D模型(BIM)、交通基礎(chǔ)設(shè)施周邊的地理信息(GIS)數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息、資產(chǎn)功能信息等等，還設(shè)想有個“容器”可以把多種來源的數(shù)據(jù)以某一種規(guī)則“收納”起來，通過不斷完善和增加“收納”，“容器”承載的數(shù)字交通基礎(chǔ)設(shè)施就越來越與真實交通基礎(chǔ)設(shè)施相匹配，也就是越來越等同于真實交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字孿生[10]。SuperMap GIS是北京超圖軟件股份有限公司開發(fā)的，二三維一體化的大型地理信息系統(tǒng)軟件平臺，通過實例化技術(shù)、LOD調(diào)度，實現(xiàn)了大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)與傾斜攝影等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成[11-12]。

設(shè)計的橋梁經(jīng)過施工建造后，會存在客觀世界中。在“智慧交通”和“設(shè)計成果數(shù)字化交付”的背景下，將橋梁BIM模型、實景模型等數(shù)據(jù)通過SuperMap GIS 9D作為“容器”“收納”形成未來施工建造后物理世界的數(shù)字鏡像，就實現(xiàn)了設(shè)計階段的數(shù)字孿生(如圖2所示)。本項目用SuperMap iDesktop 9D構(gòu)建三維場景并生成緩存數(shù)據(jù)，然后通過SuperMap iServer 9D發(fā)布成三維服務(wù)，最后利用SuperMap iClient3D 9D for WebGL搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)。

圖2 設(shè)計階段數(shù)字孿生實現(xiàn)流程

3 初步設(shè)計的應(yīng)用

通過SuperMap GIS 9D平臺搭建了基于BIM+GIS的設(shè)計階段數(shù)字孿生系統(tǒng)。圍繞這個系統(tǒng)可以做出豐富的應(yīng)用：碰撞檢測與分析、三維設(shè)計成果數(shù)字化交付、征地拆遷管理、施工場地3D規(guī)劃與部署、施工模擬……本文以初步設(shè)計中的橋梁方案比選和外業(yè)沿線調(diào)查等典型應(yīng)用為例，探索BIM+GIS在橋梁初步設(shè)計中的價值。

3.1 橋梁方案比選

橋梁方案比選主要是為了比較橋位、橋型、外形景觀等優(yōu)缺點。本項目長江大橋是整條線路的關(guān)鍵性控制工程，主要受兩岸線路高程、通航行洪要求、與長江三峽風(fēng)景名勝區(qū)、污水處理廠、酒店、學(xué)校及施工水位等諸多因素的影響，各方對橋梁方案都非常重視?；贐IM+GIS的數(shù)字孿生系統(tǒng)既有包含工程信息的BIM模型，也有包含環(huán)境信息的實景模型，將實際成橋效果實時動態(tài)展現(xiàn)，達到所見即所得，可以像操作電子沙盤樣360度觀看，以三維可視化的形式將設(shè)計理念、設(shè)計效果傳遞給項目決策者，大大提高了方案研究和溝通效率，如圖3所示，依次是現(xiàn)場環(huán)境模型、推薦方案模型和比較方案模型。

圖3 橋梁方案比選

3.2 外業(yè)沿線調(diào)查

前期準備工作完成之后，就開始沿線調(diào)查，包括調(diào)查橋梁附近既有橋梁的有關(guān)資料和使用狀況，跨越河流的通航情況和水文資料，設(shè)計橋梁的主塔、墩臺現(xiàn)場放樣情況，現(xiàn)場復(fù)核地形及地上附著物，評估對附近構(gòu)造物的影響情況……通過現(xiàn)場踏勘時攜帶的筆記本電腦、平板等設(shè)備可以使用數(shù)字孿生系統(tǒng)的在線服務(wù)，如圖4所示，輔助進行定位、標注、記錄和勘察，相對于傳統(tǒng)的二維圖紙，BIM+GIS的數(shù)字孿生系統(tǒng)可大大提升外業(yè)工作效率。

圖4 在線服務(wù)

3.3 水位變化影響分析

橋梁是江河體系的重要組成部分，也是優(yōu)化水資源配置最重要的工程措施。水位變化對橋梁的設(shè)計與建造影響非常大。項目區(qū)屬于三峽庫區(qū)范圍，受三峽水庫運行調(diào)度的影響，水位變幅呈秋冬季節(jié)高，春夏季節(jié)低，且每年經(jīng)受一次從175m→145m的降水位和145m→175m的升水位的變幅過程，這會對城區(qū)庫岸斜坡地段的水文環(huán)境帶來復(fù)雜的影響[13]。水位變化對橋梁工程的影響是專家和業(yè)主關(guān)注的重點，在初步設(shè)計階段利用BIM+GIS的數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)合水文勘察信息，進行水位變化的模擬分析，并制作水位消落視頻，直觀地為各方提供一個溝通載體，圖5為水位高低變化對比圖。

圖5 水位高低變化對比

3.4 輔助工程算量

工程算量是一項細致、繁瑣的工作，既要嚴格執(zhí)行國家的方針、政策，又要做到合情合理、有據(jù)可依。工程算量是工程計價的基本依據(jù)，也是橋梁設(shè)計的重要內(nèi)容，工程量計算的準確與否將會影響到工程造價和工程建設(shè)的投資控制。特大型橋梁設(shè)計復(fù)雜、工程量大，各構(gòu)件造型復(fù)雜，有的構(gòu)件內(nèi)部為變形空腔結(jié)構(gòu)，工程量統(tǒng)計困難。BIM具有工程算量所需的工程信息，利用BIM模型可以簡化工程量統(tǒng)計。建立BIM模型之前先要確定橋梁工程專業(yè)的分部分項列表，并制訂符合BIM工程算量的拆分原則，具體的拆分原則應(yīng)該由橋梁結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系以及施工工藝的順序來確定[14]，最后利用GIS強大的統(tǒng)計分析功能就得出各構(gòu)件的工程量信息?；贐IM+GIS輔助工程數(shù)量和主要材料數(shù)量的估算，相比基于二維圖紙的計算更加準確，更便于校核直接生成的項目成本，為編制設(shè)計概算和業(yè)主控制成本提供了方便，如圖6所示為墩身的工程量相關(guān)信息。

圖6 墩身工程量信息

3.5 三維場地布置

場地布置是施工方案的重要組成內(nèi)容，是保證項目順利完成的前提和基礎(chǔ)。合理的場地布置方案能有效地縮短材料設(shè)備的運輸距離，避免臨時設(shè)施的多次搭拆，給予工程項目一個良好的施工作業(yè)環(huán)境，從而大大提高工程實施效率。由于初步設(shè)計處于前期工程階段，掌握信息不夠全面充分，使用初步設(shè)計圖紙進行場地布置的方法，難免會出現(xiàn)場地布置不盡合理的情況，這樣導(dǎo)致工程后期調(diào)整比較多。利用BIM+GIS技術(shù)，可以在三維環(huán)境中看到工程占地和各個結(jié)構(gòu)情況，在三維實景模型的基礎(chǔ)上進行場地規(guī)劃布置，確定主橋、引橋、棧橋、便道、材料加工場及大型機械設(shè)備等的相對位置，建立形象直觀的現(xiàn)場三維布置圖(如圖7所示)，可以減少場地布置過程的人為主觀性、提高布置方案精度和避免傳統(tǒng)二維平面布置的潛在風(fēng)險，對整個項目的設(shè)計施工提供有力保障[15]。

圖7 三維場地布置圖

3.6 征地拆遷可視化分析

為了最大限度節(jié)約用地，初步設(shè)計時應(yīng)盡量繞避耕地密集區(qū)，一般路段通過設(shè)置路肩墻、路堤墻、上擋墻等工程措施減少用地，同時采用了高速公路極限用地范圍的措施來減少征用土地的數(shù)量，橋梁構(gòu)造物的上部構(gòu)造垂直投影邊緣線外1.0m范圍為高速公路征地范圍。在初步設(shè)計階段利用BIM+GIS的數(shù)字孿生系統(tǒng)將工程BIM模型、實景模型、施工紅線圖及三維拆遷面域疊合，借助GIS空間分析能力，實現(xiàn)公路用地、征用基本農(nóng)田及拆遷情況的可視化采集、錄入、查詢和統(tǒng)計。這樣不僅在初步設(shè)計階段運用信息化手段為決策者提供信息支撐，后續(xù)的深化設(shè)計乃至到竣工驗收，也能極大提升各參與方征地拆遷工作的規(guī)范程度和實施效率，如圖8所示為房屋拆遷示意圖，其中紅色面為待拆遷房屋。

圖8 房屋拆遷示意圖

4 結(jié)語

本文用無人機傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三維可視化的設(shè)計環(huán)境，通過SuperMap GIS 9D搭建了基于BIM+GIS的設(shè)計階段數(shù)字孿生系統(tǒng)，對BIM+GIS在橋梁初步設(shè)計中的應(yīng)用進行了探索，結(jié)果表明BIM+GIS可以讓橋梁初步設(shè)計變得更直觀、更簡單、更有效。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，深入挖掘BIM+GIS在交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計、施工、運維全生命周期的應(yīng)用深度，也是未來實現(xiàn)智慧交通的有效途徑。