BIM+GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)在鐵路橋梁施工管理的應(yīng)用

侯宇飛，楊斌，吳明杰，朱俊武

（1.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200040；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；3.雄安高速鐵路有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是2種相輔相成的技術(shù)，BIM技術(shù)可提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，GIS技術(shù)可提供空間參考。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，BIM技術(shù)正由“建模為主”的BIM1.0時代，向“多維度數(shù)據(jù)應(yīng)用為主”的BIM2.0時代跨越，而GIS技術(shù)提供的專業(yè)空間分析能力及宏觀地理環(huán)境又深層次挖掘了BIM技術(shù)的應(yīng)用價值。隨著3D GIS技術(shù)日漸成熟，GIS為BIM技術(shù)提供了更豐富的地理空間信息，“BIM+GIS”成為BIM多維度應(yīng)用的重要方向之一。針對京雄城際鐵路固霸特大橋項目，將BIM技術(shù)與GIS數(shù)據(jù)集成大場景融合，構(gòu)建工程建設(shè)三維場景，實現(xiàn)鐵路橋梁施工信息化管理［1-3］。

1 BIM+GIS場景構(gòu)建

1.1 BIM模型建立

為滿足項目施工要求，在京雄城際鐵路固霸特大橋的不同地段，設(shè)置不同的建模精度標準。橋梁普通地段建模精度為LOD3.0；特殊結(jié)構(gòu)物（如連續(xù)梁、裝配式橋梁）地段建模精度為LOD4.0；簡支箱梁鋼筋智能加工以及橋梁裝配式承臺、墩身、墩帽鋼筋等，其建模精度達LOD 5.0。所有模型的信息、屬性、代碼等均參照鐵路BIM聯(lián)盟制定的標準建立［4-5］。

1.2 GIS信息建立

傾斜攝影技術(shù)通過把正射影像和傾斜影像相結(jié)合，經(jīng)相關(guān)軟件處理，實現(xiàn)對目標地物表面的三維建模，從而獲取目標地物表面的真實紋理。該技術(shù)通過在同1架無人機上搭載多臺傳感器，分別從前、后、左、右、垂直5個不同角度采集影像，得到1幅正片和4幅斜片。在無人機飛行過程中，系統(tǒng)自動記錄無人機的瞬時坐標、速度、高度、旁向重疊與航向重疊等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量處理和加密點云等過程，對采集到的影像信息進行數(shù)據(jù)處理，建立貼近真實場景的三維模型［6-7］。GIS三維建模主要技術(shù)流程見圖1。

圖1 GIS三維建模主要技術(shù)流程

1.3 BIM+場景融合信息建立

搭建BIM+GIS施工管理平臺，解決模型轉(zhuǎn)換的阻礙。將IFC標準模型、三維傾斜攝影模型、主體工程模型、臨建模型導(dǎo)入GIS平臺［8-9］，形成3D電子沙盤，達到項目相關(guān)模型與GIS平臺完美結(jié)合，精度與實景一致，可通過3D電子沙盤查看全線工程信息。

2 BIM設(shè)計優(yōu)化

2.1 連續(xù)梁0#段結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在二維鋼筋圖紙的基礎(chǔ)上，通過建立京雄城際鐵路固霸特大橋519#—540#墩（全長847.25 m）350 km/h全封閉聲屏障連續(xù)梁全橋模型，應(yīng)用BIM軟件提供的三維可視化空間，優(yōu)化連續(xù)梁鋼筋設(shè)計，提前減少或避免鋼筋與預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋與支座螺栓等預(yù)埋件之間的干擾［10］。0#段結(jié)構(gòu)優(yōu)化統(tǒng)計見表1。

表1 0#段結(jié)構(gòu)優(yōu)化統(tǒng)計表

2.2 四橋六線并行段深化設(shè)計

雄安站咽喉區(qū)四橋六線并行段結(jié)構(gòu)復(fù)雜。項目部BIM工作室建立相關(guān)BIM模型并進行碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)并行連續(xù)梁墩帽與模板之間存在的碰撞、重合問題，以及梁體之間的碰撞問題等，為優(yōu)化設(shè)計、施工方案提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。雄安站咽喉區(qū)四橋六線并行段碰撞檢測示意見圖2。

圖2 雄安站咽喉區(qū)四橋六線并行段碰撞檢測示意圖

2.3 裝配式墩身、墩帽深化設(shè)計

2.3.1 墩身、墩帽模板圖紙深化設(shè)計

應(yīng)用BIM技術(shù)對裝配式橋梁墩身鋼筋胎架模型與橋梁墩身、墩帽鋼筋進行匹配，通過模板翻轉(zhuǎn)受力云圖，復(fù)核鋼筋胎架定位精度，發(fā)現(xiàn)干擾及偏差問題并及時調(diào)整（見圖3）。匹配復(fù)核無誤后，采用激光切割方式加工定位板及胎架，確保墩柱鋼筋和預(yù)埋連接套筒籠精度達到±2 mm。

圖3 模板翻轉(zhuǎn)受力云圖

2.3.2 預(yù)制墩身安裝

預(yù)制拼裝墩身質(zhì)量為71 t，墩帽質(zhì)量為108 t，墩身和承臺、墩身和墩帽采用φ32 mm螺紋鋼筋和灌漿套筒連接，連接套筒與鋼筋間隙為14 mm，拼裝時將80根φ32 mm螺紋鋼與80個套筒對位安裝，拼裝精準度要求極高。為保證工程順利實施，中鐵上海工程局集團有限公司成立了重大科研課題小組，應(yīng)用BIM技術(shù)建立墩帽、墩柱連接結(jié)構(gòu)模型，多次進行模擬和匹配性安裝，對安裝結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確保裝配式墩身安裝精度。裝配式墩身拼裝施工模擬示意見圖4。

圖4 裝配式墩身拼裝施工模擬示意圖

2.3.3 裝配式橋面系圖紙深化設(shè)計

整體預(yù)制拼裝防護墻和電纜槽屬于薄板結(jié)構(gòu)，在預(yù)制時存在脫模困難、棱角易損壞現(xiàn)象，應(yīng)用BIM技術(shù)將原設(shè)計的薄板結(jié)構(gòu)腋角處優(yōu)化為倒角結(jié)構(gòu)，薄板采用小角度放坡以實現(xiàn)模板順利脫模，將連接螺栓優(yōu)化為沉頭螺栓，提高了預(yù)制質(zhì)量和連接可靠度。BIM技術(shù)輔助裝配式橋面系圖紙深化設(shè)計效果見圖5。

圖5 裝配式橋面系圖紙深化設(shè)計效果

3 大型臨時設(shè)施工程輔助設(shè)計

對于預(yù)制梁場、鋼筋加工場、拌合站等大型臨時設(shè)施工程（簡稱大臨工程），可應(yīng)用BIM技術(shù)輔助其進行規(guī)劃選址。通過無人機航測獲取真實地理環(huán)境信息建立三維實景模型，應(yīng)用BIM軟件建立京雄城際鐵路五標項目部全線BIM模型，集成至BIM+GIS施工管理平臺，形成全線三維電子沙盤，實現(xiàn)高鐵大臨工程大場景展示。通過BIM+GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)，可直觀展示大臨工程的詳細位置，并對大臨工程規(guī)劃建設(shè)方案進行多維分析和研究，大大提高選址的效率和科學(xué)性。大臨工程GIS場景規(guī)劃見圖6。

圖6 大臨工程GIS場景規(guī)劃

針對大臨工程重難點拆遷區(qū)，同樣應(yīng)用無人機航測獲取真實地理環(huán)境信息，建立三維實景模型，動態(tài)展示拆遷進度，為重難點拆遷區(qū)留下原始信息資料。

4 施工組織管理

4.1 指導(dǎo)大直徑預(yù)應(yīng)力管樁施工

京雄城際鐵路首次應(yīng)用大直徑預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，當管樁穿越砂層地質(zhì)時，易出現(xiàn)管樁無法打至設(shè)計標高和樁頭破碎等問題。通過BIM+GIS技術(shù)建立橋梁地段地質(zhì)模型［11］，與GIS空間場景融合，實現(xiàn)工程地質(zhì)信息三維可視化，便于施工人員快速查詢分析地質(zhì)情況，為大直徑預(yù)應(yīng)力管樁施工及終錘標準提供真實可靠的地質(zhì)信息依據(jù)，使施工期間地質(zhì)信息校核與確認工作更加便利［12］。BIM+GIS場景地質(zhì)分析見圖7。

圖7 BIM+GIS場景地質(zhì)分析

4.2 施工進度可視化管理

以BIM模型為載體，GIS數(shù)據(jù)集成大場景為核心，搭建BIM+GIS施工管理平臺，將BIM模型載入GIS平臺實現(xiàn)全生命周期管理［13-14］。平臺由綜合管理、技術(shù)管理、進度管理、成本管理、安全質(zhì)量管理、智能建造6個模塊組成。通過掃描二維碼的方式，將橋梁裝配式預(yù)制構(gòu)件施工過程信息自動集成至BIM+GIS施工管理平臺，管理人員通過電腦、手機等終端隨時隨地了解預(yù)制構(gòu)件的相關(guān)信息和施工狀態(tài)（見圖8），實現(xiàn)橋梁裝配式預(yù)制構(gòu)件從設(shè)計、預(yù)制、運輸、安裝及運營等全生命周期的跟蹤追溯管理，對施工過程中出現(xiàn)的進度偏差快速作出反應(yīng)，并制定相應(yīng)的進度保障措施，保證項目進度目標的實現(xiàn)［15］。

圖8 終端操作界面

4.3 施工成本管理

應(yīng)用BIM技術(shù)輔助重點工程特殊構(gòu)造物成本分析。以合同清單為基礎(chǔ)，對裝配式橋梁進行EBS工程實體分解，將分項工程BIM模型與合同單價、責任成本單價關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)場下發(fā)任務(wù)單，通過移動端適時錄入預(yù)制構(gòu)件完成工程量，系統(tǒng)自動對工程量進行匯總，分析裝配式橋梁段落合同收入、責任成本收入、實際成本、利潤率等情況，并對相關(guān)成本因素進行對比，實現(xiàn)重點成本分析，大大提高了項目綜合管理水平。

4.4 裝配式橋梁大體積混凝土溫控管理

為保障大體積混凝土施工質(zhì)量，BIM+GIS施工管理平臺集成基于BIM技術(shù)的大體積混凝土溫控子系統(tǒng)，應(yīng)用“BIM+物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，將現(xiàn)場測溫采集系統(tǒng)、供水設(shè)備等進行關(guān)聯(lián)，借助溫度傳感器等設(shè)備，實時反饋混凝土內(nèi)外部溫度數(shù)據(jù)，并在BIM模型中以色譜云圖的形式同步展現(xiàn)，實現(xiàn)溫度分部可視化。同時，系統(tǒng)還設(shè)置混凝土內(nèi)外溫差、進出水水溫等閾值，根據(jù)溫度變化情況實現(xiàn)通水量自動控制［16］。

圖9 BIM技術(shù)的大體積混凝土溫控系統(tǒng)

5 結(jié)束語

將BIM+GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)應(yīng)用于京雄城際鐵路四橋六線并行段、橋梁裝配式一體化段，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、大臨工程選址、施工進度成本管理及智能建造等方面提供了有力的技術(shù)支撐，在平臺實現(xiàn)全過程可視化管理，提升鐵路建設(shè)項目智能化建造水平，取得良好效果，為鐵路工程建設(shè)信息化、可視化、數(shù)字化、智能化施工管理提供參考。未來，BIM技術(shù)還將與GIS技術(shù)、區(qū)域鏈、物聯(lián)網(wǎng)等深度融合，在地理環(huán)境中有效支撐大范圍BIM數(shù)據(jù)集成，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對其進行高效管理，與區(qū)域建設(shè)進行協(xié)同分析和共享應(yīng)用，提升鐵路行業(yè)的核心競爭力。