BIM＋GIS技術(shù)在公路工程建設(shè)中的應(yīng)用

趙賀來(lái)，趙 靜

（1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

0 前 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、BIM＋GIS、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)在交通工程中的逐步使用，使我國(guó)的交通建設(shè)行業(yè)也有了質(zhì)的提升。交通運(yùn)輸部分別在2017年9月和2018年2月發(fā)布了《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于開(kāi)展公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)的通知》和《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)的通知》，要求圍繞項(xiàng)目管理各階段開(kāi)展BIM技術(shù)專項(xiàng)示范應(yīng)用以及逐步開(kāi)展智慧交通建設(shè)工作。

BIM＋GIS技術(shù)作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性應(yīng)用，由于其三維可視及數(shù)據(jù)集成能力，將為工程BIM應(yīng)用及智慧交通提供有力的技術(shù)支撐。以公路工程設(shè)計(jì)及施工管理為研究對(duì)象，開(kāi)展公路工程建設(shè)全階段應(yīng)用研究意義重大。

1 BIM＋GIS技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

眾所周知，GIS技術(shù)主要應(yīng)用于宏觀區(qū)域，可集成空間地理信息、社會(huì)各要素等多種屬性；BIM技術(shù)主要應(yīng)用于微觀單體建筑，可完成構(gòu)件級(jí)項(xiàng)目管理。然而在交通公路行業(yè)，工程往往為長(zhǎng)線性布置，既要關(guān)注整體布局，也要關(guān)注細(xì)部結(jié)構(gòu)，采用BIM＋GIS融合技術(shù)將很有必要［1］。

在設(shè)計(jì)階段，充分發(fā)揮BIM設(shè)計(jì)軟件優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)效率、成果質(zhì)量提升等方面著力，并解決二維設(shè)計(jì)面臨的諸多問(wèn)題。

在工程施工階段，以BIM＋GIS協(xié)同平臺(tái)為基礎(chǔ)，探索集成項(xiàng)目管理各內(nèi)容、融合項(xiàng)目管理各要素，以“一個(gè)平臺(tái)、一套數(shù)據(jù)、一個(gè)管理大腦”整體要求進(jìn)行項(xiàng)目統(tǒng)籌管理，提升項(xiàng)目管理質(zhì)量、水平及效率。

2 BIM技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 概念化BIM設(shè)計(jì)技術(shù)在項(xiàng)目前期規(guī)劃中的應(yīng)用

項(xiàng)目前期的主要任務(wù)是確定公路設(shè)計(jì)總體方案，采用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段無(wú)法向業(yè)主單位直觀展現(xiàn)各方案詳情及優(yōu)缺點(diǎn)；另外，在項(xiàng)目前期方案調(diào)整不可避免，相應(yīng)工作量較大。因此，大量設(shè)計(jì)單位在該階段已經(jīng)采用BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的概念化快速設(shè)計(jì)嘗試。

2.1.1 地形數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

采用Civil3D軟件利用等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行原始地形三維網(wǎng)格曲面創(chuàng)建，地形曲面精度取決于原始測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度。在三維地形曲面創(chuàng)建過(guò)程中，通常地形曲面創(chuàng)建出來(lái)后會(huì)檢查出二維測(cè)繪成果產(chǎn)生的誤差，因此需進(jìn)行地形曲面的局部誤差數(shù)據(jù)修改、添加曲面邊界、設(shè)置地形坐標(biāo)系統(tǒng)，并輸出或輸入到Infraworks軟件中。在Infraworks軟件中，通過(guò)Raster工具對(duì)齊衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，最終生成DEM與DOM疊和好的三維地形曲面。

2.1.2 概念化道路建模

在Infraworks軟件中，道路路線通過(guò)繪制多段線的方式進(jìn)行快速創(chuàng)建，路線細(xì)部參數(shù)通過(guò)平面微調(diào)結(jié)合縱斷面視圖方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；道路寬度、開(kāi)挖及填筑邊坡、橋梁、箱涵、路燈、標(biāo)示及標(biāo)牌、綠化、護(hù)欄、管網(wǎng)等均采用屬性設(shè)置、添加結(jié)構(gòu)或者裝飾的方式快速添加；道路交叉口及隧洞進(jìn)口開(kāi)挖等均由軟件自動(dòng)識(shí)別創(chuàng)建。

2.1.3 方案快速調(diào)整及成果輸出

概念化設(shè)計(jì)的公路模型，其各個(gè)參數(shù)均是可調(diào)整的，無(wú)論是道路轉(zhuǎn)彎半徑、路面寬度、路燈間隔、綠化植被品種、橋梁與挖填道路轉(zhuǎn)化、路面材質(zhì)等均可一鍵修改，并且直接提取其工程量數(shù)據(jù)，方案修改快速方便。同時(shí)其設(shè)計(jì)成果既可直接交互操作展示給業(yè)主，也可抽取其沿程漫游視頻、動(dòng)態(tài)道路交通分析成果等視頻，可視化成果提取簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖1）。

2.2 BIM技術(shù)在公路詳圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在詳圖設(shè)計(jì)階段，主要采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙快速出圖、設(shè)計(jì)工程量精準(zhǔn)提取以及設(shè)計(jì)成果的可視化交底等工作。

公路設(shè)計(jì)采用Civil3D軟件開(kāi)展，以地形三角網(wǎng)為基礎(chǔ)，將公路設(shè)計(jì)方案道路路線、縱斷面、裝配等多參數(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)，并最終生成道路曲面數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)采樣線、設(shè)置道路裝配材質(zhì)等方式，可一鍵輸出幾百?gòu)埖缆凡贾脠D及沿程各采樣斷面圖；同時(shí)一鍵輸出沿程各樁號(hào)歷程上的道路挖填工程量，沿程各分層道路的用料工程等（見(jiàn)圖2）。

圖2 BIM設(shè)計(jì)成果快速提取

對(duì)于橋梁等結(jié)構(gòu)模型，可采用Revit軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，并采用三維配筋軟件進(jìn)行異形結(jié)構(gòu)鋼筋繪制、出圖及工程量提取。同時(shí)，設(shè)計(jì)成果也可通過(guò)云端方式，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)Pad進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)可視化交底及指導(dǎo)施工。

3 基于BIM＋GIS技術(shù)的公路建設(shè)平臺(tái)

為全面提升公路建設(shè)過(guò)程中的管理水平以及工程質(zhì)量，在統(tǒng)一的BIM＋GIS基礎(chǔ)平臺(tái)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能AI算法等技術(shù)，通過(guò)“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”等各關(guān)鍵要素的感知與分析判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)管理有關(guān)實(shí)時(shí)信息的組織、查詢、分析及預(yù)警，通過(guò)“事前可預(yù)判、事中可感知、事后可追溯”的管理方式，為管理人員提供了決策輔助信息，驅(qū)動(dòng)了工程建設(shè)管理效率的提升［2］。

根據(jù)管理的內(nèi)容和技術(shù)手段不同，主要包含工程數(shù)字化建管及智慧工地兩部分內(nèi)容。數(shù)字化建管主要對(duì)公路工程設(shè)計(jì)、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)、進(jìn)度、安全、合同及投資、檔案、物資等管理內(nèi)容進(jìn)行技術(shù)提升。智慧工地主要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)人員、作業(yè)環(huán)境等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1 數(shù)字化建管

3.1.1 工程設(shè)計(jì)管理

針對(duì)工程設(shè)計(jì)圖紙供應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題，通過(guò)搭建統(tǒng)一的BIM＋GIS設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，將設(shè)計(jì)計(jì)劃跟蹤、BIM設(shè)計(jì)成果提交、BIM設(shè)計(jì)成果校審在統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行管理。通過(guò)提前策劃、過(guò)程跟蹤、成果共享的方式，有效提升了設(shè)計(jì)管理水平［3］。

3.1.2 工程驗(yàn)收管理

為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)無(wú)紙化辦公要求，提升項(xiàng)目驗(yàn)收策劃水平、驗(yàn)收工作管理精度，進(jìn)行數(shù)字化工程驗(yàn)收管理。

首先，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及工程特點(diǎn)，完成標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)收表單庫(kù)建設(shè)。然后，按照單元工程驗(yàn)收為一個(gè)循環(huán)，深入驗(yàn)收各工序，在驗(yàn)收過(guò)程中僅通過(guò)選擇工程類型即可一鍵進(jìn)行驗(yàn)收表單策劃、編號(hào)及驗(yàn)收工作任務(wù)表生成。通過(guò)電子簽章方式實(shí)現(xiàn)了人員身份的線上認(rèn)證，確保了項(xiàng)目工程驗(yàn)收的線上流轉(zhuǎn)。驗(yàn)收成果與BIM模型掛接，通過(guò)BIM模型的顏色變化直觀展現(xiàn)驗(yàn)收的質(zhì)量等級(jí)。

3.1.3 工程進(jìn)度管理

在統(tǒng)一的BIM＋GIS平臺(tái)上，以工程施工進(jìn)度計(jì)劃管理為主線，串聯(lián)各項(xiàng)管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成匹配的進(jìn)度計(jì)劃（例如，項(xiàng)目合同支付款項(xiàng)計(jì)劃、物資采購(gòu)與到貨計(jì)劃、設(shè)計(jì)圖紙交付計(jì)劃等），從而使各項(xiàng)管理業(yè)務(wù)與工程施工進(jìn)度計(jì)劃形成緊密關(guān)聯(lián)和相互影響。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、BIM＋GIS工程模擬展示的方式，將工程進(jìn)展實(shí)時(shí)狀態(tài)、影響因素進(jìn)行仿真推演。通過(guò)提前感知、分析的方式，對(duì)工程各項(xiàng)工作進(jìn)行預(yù)警和輔助決策。

3.1.4 工程安全管理

BIM＋GIS技術(shù)以其高可視化特性，在項(xiàng)目安全培訓(xùn)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。在工程安全管理系統(tǒng)中建立危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)庫(kù)，以三維沙盤、VR交互等方式，讓施工人員能夠直觀體驗(yàn)危險(xiǎn)發(fā)生后的可怕后果，較以往的口頭宣講方式具有較好的培訓(xùn)效果。同時(shí)可采用BIM模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工管理安全知識(shí)，制作三維宣講動(dòng)畫，從而提升培訓(xùn)工作效率。

3.1.5 工程合同及成本管理

通過(guò)項(xiàng)目進(jìn)度及質(zhì)量驗(yàn)收等多項(xiàng)管理要素提取，以線上業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)方式，為合同結(jié)算提供依據(jù)。同時(shí)基于BIM精準(zhǔn)算量工具，對(duì)合同工程量、驗(yàn)收工程量、BIM工程量等進(jìn)行比對(duì)管理，通過(guò)技術(shù)手段提升項(xiàng)目結(jié)算工程量的準(zhǔn)確度。

結(jié)合BIM模型，對(duì)工程進(jìn)行成本核算，通過(guò)對(duì)各工程單元成本的分解、核算和預(yù)算比較分析，當(dāng)實(shí)際成本與預(yù)算存在較大誤差時(shí)，開(kāi)展預(yù)警措施，并對(duì)單元成本進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析成本誤差原因，并及時(shí)修正成本計(jì)劃。

3.1.6 工程檔案管理

工程檔案資料應(yīng)在工程施工過(guò)程中搜集，在項(xiàng)目檔案管理平臺(tái)上，結(jié)合設(shè)計(jì)、合同、安全驗(yàn)收等工作的線上管理方式，可將單元在施工過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)計(jì)資料、質(zhì)量資料、安全資料、成本資料、驗(yàn)收資料等直接歸檔至項(xiàng)目檔案系統(tǒng)。通過(guò)BIM＋GIS單元工程唯一編碼，將工程中分散、無(wú)序的檔案信息與施工單元掛接，實(shí)現(xiàn)工程檔案集成系統(tǒng)，便于檔案的管理與應(yīng)用。

3.1.7 工地物資設(shè)備管理

較傳統(tǒng)的管理方式，BIM技術(shù)在工地現(xiàn)場(chǎng)物資的管理方面具有較大優(yōu)勢(shì)。首先物資采購(gòu)均可由BIM工程算量結(jié)合工程進(jìn)度計(jì)劃提取，然后工地物資設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后的庫(kù)存狀態(tài)及預(yù)警、出入庫(kù)盤點(diǎn)等均可以BIM模型資產(chǎn)管理的方式開(kāi)展。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)APP，采用二維碼方式進(jìn)行設(shè)備在場(chǎng)內(nèi)的全過(guò)程施工跟蹤。

結(jié)合第三方試驗(yàn)，可將物資的試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型掛接在一起。一方面這些數(shù)據(jù)可在項(xiàng)目驗(yàn)收過(guò)程中作為項(xiàng)目驗(yàn)收依據(jù)供各方參考使用；另一方面可在項(xiàng)目歸檔時(shí)候，作為關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以便于后期追溯使用。

3.2 智慧工地

3.2.1 人員定位

工地人員管理的智能化以工人實(shí)名制為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)＋智能硬件＋GIS平臺(tái)為手段，通過(guò)工人佩戴裝載智能芯片的安全帽、手環(huán)或者工卡，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人員數(shù)據(jù)采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、上傳，結(jié)合BIM＋GIS系統(tǒng)設(shè)置的安全電子圍欄，進(jìn)行危險(xiǎn)源自動(dòng)語(yǔ)音安全提示。

3.2.2 AI攝像頭

為了實(shí)時(shí)掌握工地現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際進(jìn)展，可將現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控點(diǎn)位集成于BIM模型，可在三維場(chǎng)景中清楚地顯示每個(gè)攝像頭的位置，實(shí)現(xiàn)BIM模型與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際影像的掛接，通過(guò)點(diǎn)擊BIM模型，可直接調(diào)取相關(guān)視頻監(jiān)控。

通過(guò)人臉自動(dòng)識(shí)別、車牌自動(dòng)識(shí)別等方式實(shí)現(xiàn)工地的封閉化施工，同時(shí)通過(guò)安全帽佩戴自動(dòng)識(shí)別、危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)停留自動(dòng)識(shí)別等AI技術(shù)的應(yīng)用，極大提升了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平。

3.2.3 設(shè)備監(jiān)控

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)重要設(shè)備，特別是塔吊需進(jìn)行監(jiān)控管理。通過(guò)三限位、五限位、防碰撞、傾角、風(fēng)速等，配合塔吊強(qiáng)度、防碰撞終端智能傳感裝備，自動(dòng)監(jiān)測(cè)塔機(jī)運(yùn)行的載重、高度、速度、力矩、變幅、風(fēng)速、傾角等實(shí)時(shí)情況，并將其上傳至云端管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析展示，實(shí)現(xiàn)安全報(bào)警遠(yuǎn)程監(jiān)管等功能。設(shè)置載重、力矩、速度、防碰撞等安全運(yùn)行閾值，瀕臨危險(xiǎn)作業(yè)時(shí)進(jìn)行階梯式報(bào)警。

3.2.4 環(huán)境監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)測(cè)將實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建筑工地固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)塵、噪聲、氣象參數(shù)等環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、加工和統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻圖像通過(guò)有線或無(wú)線（4G／5G）方式傳輸?shù)胶蠖似脚_(tái)。通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)幫助監(jiān)督部門及時(shí)準(zhǔn)確地掌握建筑工地的環(huán)境質(zhì)量狀況和工程施工對(duì)環(huán)境的影響程度，滿足建筑施工行業(yè)環(huán)保統(tǒng)計(jì)的要求，為沿程施工的污染控制、污染治理、生態(tài)保護(hù)提供環(huán)境信息支持和管理決策依據(jù)。

3.3 工程BIM＋GIS綜合集成

開(kāi)發(fā)工程數(shù)據(jù)駕駛艙，在BIM＋GIS統(tǒng)一平臺(tái)上，開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理中各模塊數(shù)據(jù)以集成二維、三維數(shù)字化場(chǎng)景，匯聚整合各類數(shù)據(jù)信息資源，以BIM＋GIS模型、GIS專題圖、數(shù)據(jù)曲線圖、數(shù)據(jù)柱狀圖、數(shù)據(jù)餅狀圖、數(shù)據(jù)區(qū)域圖、攝像視頻圖、數(shù)據(jù)表等可視化模式，綜合展示工程建設(shè)相關(guān)的關(guān)鍵性指標(biāo)和信息，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)期安全、質(zhì)量、投資、進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)視，及相關(guān)業(yè)務(wù)在不同視角和維度的綜合展現(xiàn)（見(jiàn)圖3）。

圖3 基于工程BIM＋GIS綜合集成

4 結(jié) 論

隨著公路行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用的日益深入，其在設(shè)計(jì)階段通過(guò)概念化、參數(shù)化等設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用，可快速形成前期可視化設(shè)計(jì)方案并抽取匯報(bào)成果，在施工圖設(shè)計(jì)階段通過(guò)批量化剖切圖紙及精準(zhǔn)算量，有效提升了方案通過(guò)率，節(jié)省了項(xiàng)目設(shè)計(jì)人力投入。

項(xiàng)目建設(shè)階段，在BIM＋GIS基礎(chǔ)平臺(tái)上，集成工程建設(shè)管理模塊及智慧工地應(yīng)用。通過(guò)BIM ＋GIS可視化，從三維模型維度進(jìn)行工程數(shù)據(jù)采集及集成展示；通過(guò)工程大數(shù)據(jù)分析，將各模塊、應(yīng)用之間的管理及數(shù)據(jù)邏輯進(jìn)行詳細(xì)梳理，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目總體“一盤棋”考慮。以上技術(shù)手段的應(yīng)用，全面提升了項(xiàng)目管理深度及效率，為項(xiàng)目高質(zhì)量建設(shè)提供了保障。

未來(lái)在項(xiàng)目的運(yùn)行階段，可通過(guò)BIM＋GIS平臺(tái)“數(shù)據(jù)泵”的方式，抽取運(yùn)維期所需的工程數(shù)據(jù)，進(jìn)行工程整體數(shù)字化移交。結(jié)合運(yùn)維期巡檢、維護(hù)、調(diào)度運(yùn)行等需要，采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等多種技術(shù)手段，持續(xù)為工程管理發(fā)揮價(jià)值。