基于BIM+GIS技術(shù)的大跨度橋梁施工可視化信息管理平臺研究及應(yīng)用

劉攀攀，蔣海里，陳柳花，任雅穎

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433]

0 引言

近日隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、3D掃描技術(shù)、GPS技術(shù)、云技術(shù)等信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，同時國家各部門對于BIM技術(shù)的推動標(biāo)志著建筑業(yè)大數(shù)據(jù)時代的到來，使建設(shè)工程的信息化、智能化的實現(xiàn)成為可能[1]。然而，BIM軟件費用高、軟件培訓(xùn)成本高、硬件部署要求高、溝通協(xié)同差、模型更新慢等原因成了在大型橋梁領(lǐng)域信息化落地困局。如何在保證工程質(zhì)量和效率的同時提升各參與方的協(xié)同能力，并保證信息共享的及時和通暢是目前亟待解決的問題，因此，集成與協(xié)同是信息化未來發(fā)展的核心和主旋律，需要將所有信息資源的傳遞、存儲、獲取圍繞一個中心的集成平臺來實現(xiàn)[2]。

本項目集成橋梁工程管理中的各種數(shù)據(jù)并將其中部分?jǐn)?shù)據(jù)映射至三維模型上，建立橋梁建設(shè)數(shù)字化綜合管理云平臺為核心、構(gòu)建多個數(shù)據(jù)采集的子系統(tǒng)，實現(xiàn)了重大橋梁工程項目在平臺上高效管理的集成與創(chuàng)新。

1 施工管理平臺的現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

2003年美國總務(wù)管理局提出“3D-4D”BIM項目，是最早的BIM技術(shù)應(yīng)用。該系列BIM技術(shù)實際應(yīng)用教程也陸續(xù)發(fā)布[3，4]。隨著三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）的應(yīng)運而生，因為這兩項技術(shù)有信息管理和空間分析功能的重疊，國外研究學(xué)者掀起了對BIM和GIS融合 技 術(shù) 研 究 的 熱 潮[5]。Kim[6]、Zhu[7]、Yanmamura[8]、Kang[9]等、Zhang[10]等人通過不同的方式研究將BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)集成于各類平臺系統(tǒng)，用于建筑、地鐵、公路、水利等工程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的可視化管理。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來國內(nèi)相繼出臺了相關(guān)政策和工程技術(shù)文件鼓勵和支持BIM技術(shù)應(yīng)用于公路工程上，建筑工程相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)體系的建立和應(yīng)用技術(shù)已相對成熟。目前，BIM技術(shù)在工程中的應(yīng)用已經(jīng)從初期的BIM三維建模到平臺之間的協(xié)作應(yīng)用再到如今正在開展的工程綜合管理平臺的應(yīng)用。張星宇[11]提出了基于WebGIS與Web3D公路工程數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了公路工程在設(shè)計、施工與運營管理階段的信息有效集成和高效共享，避免了信息丟失和數(shù)據(jù)錯誤。

國內(nèi)在橋梁方面成果BIM技術(shù)的有白沙沱長江特大橋、贛江二橋、滬通長江大橋和港珠澳大橋等[12]，BIM應(yīng)用情況主要為橋梁模型的碰撞檢查與施工模擬。很多學(xué)者研究橋梁的的BIM協(xié)同管理平臺，將集成的思想融入到橋梁施工管理中，2016年重慶大學(xué)的張亞婷[13]構(gòu)件大跨度懸索橋施工管理平臺，實現(xiàn)橋梁施工過程中的溫度控制、質(zhì)量管理和進(jìn)度可視化模擬等功能。

2019年華中科技大學(xué)的郭攀[14]開發(fā)基于Web的橋梁信息化協(xié)同平臺，實現(xiàn)了以質(zhì)量、安全、進(jìn)度和造價為核心的橋梁施工過程控制和目標(biāo)管理。

從國內(nèi)外在BIM、GIS以及協(xié)同平臺的研究應(yīng)用情況來看，基于BIM+GIS的橋梁施工管理平臺應(yīng)用的不夠全面和深入。本文結(jié)合大跨度橋梁施工技術(shù)難度高、工程周期要求高、機(jī)械設(shè)備投入復(fù)雜、施工人員管理復(fù)雜等特點開發(fā)基于BIM+GIS技術(shù)的大跨度橋梁施工可視化信息管理平臺。

2 平臺的研發(fā)

2.1 平臺策劃及部署

結(jié)合橋梁工程建造的特點、面向施工及未來運維的數(shù)據(jù)要求，開發(fā)“基于GIS+BIM”的企業(yè)級橋梁建設(shè)數(shù)字化綜合管理平臺（以下簡稱為“平臺”）。并依托配套項目搭建：人員定位及管理系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)場移動端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等多系統(tǒng)的數(shù)字化管理體系。

在軟件應(yīng)用中，采用自主研發(fā)的平臺，底層數(shù)據(jù)依托一款名為黑洞的圖形引擎作為模型查看，平臺的框架采用B/S架構(gòu)網(wǎng)頁端的展現(xiàn)形式，可穩(wěn)定運行于支持WebGL 2.0版本的主流瀏覽器上，實現(xiàn)無插件、多終端模型瀏覽，方便現(xiàn)場管理人員隨時都能查看項目管理信息。采用統(tǒng)一入口、多節(jié)點應(yīng)用的形式。

在硬件應(yīng)用中，結(jié)合工程項目的建造特點以及企業(yè)數(shù)據(jù)安全性的考慮，服務(wù)器采用私有云的方式，依托中國電信機(jī)房搭設(shè)自有的服務(wù)器。

2.2 框架搭設(shè)

本平臺主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、分析層及應(yīng)用層組成?；A(chǔ)層即為底層的數(shù)據(jù)，包括BIM+GIS模型和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理層包括圖像引擎和數(shù)據(jù)庫處理，數(shù)據(jù)庫是基于數(shù)據(jù)、面向?qū)ο蟮男畔⒐芾砉ぞ?。施工全過程的數(shù)據(jù)以及BIM模型實體都作為數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放，利用SQL Server企業(yè)級數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理和存儲。分析層提供了分析中常用的算法和工具，根據(jù)分析需求，從數(shù)據(jù)中獲取信息，找到所需實體，根據(jù)語義查詢關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算，應(yīng)用層是根據(jù)施工管理需求進(jìn)行設(shè)計，可以通過可視化界面實時監(jiān)控橋梁的施工狀態(tài)并可實時提供訪問，不同的管理人員可以更加全面清楚的了解項目進(jìn)展，見圖1。

圖1 昆陽路施工管理平臺框架

2.3 工程管理邏輯關(guān)系與功能模塊策劃

功能策劃主要考慮可視化的信息展示方式與流程化的施工管理模式。突出大型橋梁建設(shè)的場景特點，面對長條形的橋梁施工現(xiàn)場以及與周邊環(huán)境高度沖突的現(xiàn)狀，需要開發(fā)一款可以融合BIM與GIS數(shù)據(jù)多種格式數(shù)據(jù)的圖形引擎，并能和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)高度聯(lián)合。面對橋梁施工單位多層級的管理模式，探索一條多層級的流程管理形式，便于各層級人員都能參與到項目管理中。

根據(jù)橋梁施工的特點，本項目總共策劃了綜合監(jiān)控、全景展現(xiàn)、人員管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理、合同管理、物料管理、文檔管理、技術(shù)數(shù)據(jù)及設(shè)計管理這幾個功能模塊，其中全景展現(xiàn)、人員管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理和安全管理為本平臺的核心功能。

對施工現(xiàn)場的管理邏輯關(guān)系進(jìn)行了梳理：施工日志的工作量可與三維模型、進(jìn)度計劃相互綁定，形成三維聯(lián)動展示；人員定位系統(tǒng)、人員進(jìn)出場閘機(jī)系統(tǒng)、就餐刷卡系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一整合，形成人員全方位的高精度三維化管理；將橋梁主體結(jié)構(gòu)模型、臨時設(shè)施三維模型、周邊環(huán)境三維模型整合在一起，實現(xiàn)橋梁工程全貌的展現(xiàn)；安全與質(zhì)量管理中表格表式的電子化。

2.4 權(quán)限的配置

本項目在權(quán)限設(shè)置時考慮了多層級：集團(tuán)、基層公司、項目部等，并對項目管理的角色也進(jìn)行了分類：項目經(jīng)理、項目總工、材料員、安全員、資料員、合同管理員、施工質(zhì)量管理員等，并對他們之間角色綁定進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，實現(xiàn)不同角色的不同權(quán)限管理。

同時也建立了企業(yè)資源庫，如人員供應(yīng)商、材料供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商。錄入的信息包括：企業(yè)名稱、主要負(fù)責(zé)人、聯(lián)系方式、公司地址、合作等級以及社會統(tǒng)一征信代碼等。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概述

閔浦三橋，又名昆陽路越江工程，主跨為2×220 m，以獨塔斜拉橋的姿態(tài)跨越黃浦江，橋面將采用錯層布置，上層供機(jī)動車輛通行，下層則可供人非通行。主梁采用整體式箱型斷面，組合梁形式，引橋采用全預(yù)制拼裝的形式，道路等級為二級公路。本項目為上海市交通建設(shè)工程BIM技術(shù)試點項目。

3.2 多源數(shù)據(jù)的融合與應(yīng)用

本項目中涉及到多種模型的建立：主橋、引橋、管線、周邊環(huán)境、臨時設(shè)施。主橋結(jié)構(gòu)采用Bentley軟件建立，其中鋼錨梁和斜拉索采用參數(shù)化形式建模，引橋采用Revit的dynamo軟件參數(shù)化建立，北岸跨路口段的管線采用管立得軟件建立，周邊環(huán)境模型采用大疆無人機(jī)精靈4和Bentley軟件的Context Capture軟件結(jié)合形成三維立體的數(shù)據(jù)，施工中所產(chǎn)生的的臨時設(shè)施，如水上鋼平臺、鋼套箱、鋼橫撐等，均采用Tekla軟件建立。隨后將多種模型通過一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入平臺中，搭建一個虛實結(jié)合的三維化工程實景模型，為現(xiàn)場管理人員提供一個可視化的工程建設(shè)中和建設(shè)后的橋梁全貌，見圖2。

圖2 三維化的工程全貌展現(xiàn)

為了方便現(xiàn)場管理人員更加清晰地了解橋梁結(jié)構(gòu)形式，將橋梁模型進(jìn)行分部分項拆分，目錄樹分別為：塔及輔助過渡墩、上部構(gòu)造制作與防護(hù)、上部構(gòu)造澆筑與安裝、引橋、管線、紅線及中心線、臨時設(shè)施。還可以羅列構(gòu)件的基本屬性，如：幾何尺寸、體積、材質(zhì)、名稱等，也可以添加相關(guān)的施工屬性，如施工日期等。在進(jìn)行橋梁模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行瀏覽時還可以選擇不同形式：鼠標(biāo)瀏覽與觸控瀏覽的切換、頂點捕捉、動畫漫游、透明與隱藏地形、構(gòu)件隱藏與顯示、距離與角度測量、包圍體剖切、構(gòu)件設(shè)置與視圖保存。

譬如主塔的拉索區(qū)屬于施工的一個復(fù)雜區(qū)域，可采用多維度剖切與半透明隱藏聯(lián)合使用的方式來展現(xiàn)。首先將主塔混凝土構(gòu)件半透明，再使用三維剖切以清楚的展示主塔的鋼筋布置、鋼錨箱的布置以及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。還有個常用的操作組合是視圖保存與動畫漫游的聯(lián)合使用，通過旋轉(zhuǎn)、剖切、隱藏等一系列的操作來保存不同角度、不同位置的視圖，直接在web端的“全景展現(xiàn)”模塊中錄制動畫。這個操作組合可方便地制作輕量化的施工方案動畫，尤其對于較為復(fù)雜的施工節(jié)點，可更為直觀的理解工序、施工控制點及各專業(yè)間的協(xié)作關(guān)系，服務(wù)于施工方案交底以及匯報等。圖3展示的綜合監(jiān)控的畫面，重要信息的查看和操作都可在此頁面完成。

圖3 綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)展現(xiàn)

3.3 可視化的人員管理

本平臺集人員管理、人員定位及視頻監(jiān)控為一體，不僅提高了人員管理的效率，也提高施工人員自身的安全。閔浦三橋的施工作業(yè)人員入場前需要將個人信息全部輸進(jìn)平臺，如身份證照片，特殊工種證件等，施工過程中，一旦有人員年級超齡或者特殊工種的時間即將到期平臺則會作出警示，見圖4。

圖4 人員信息管理

通過在施工現(xiàn)場架設(shè)UWB基站實現(xiàn)對施工人員的三維定位，可對人員位置實時監(jiān)控，管理人員通過查看工人的歷史軌跡和閘機(jī)進(jìn)出狀況綜合實現(xiàn)對人員的考勤管理，還可通過在模型中繪制電子圍欄的方式實現(xiàn)對人員的安全管理，見圖5。

圖5 現(xiàn)場人員三維定位展現(xiàn)

打通軟硬件的數(shù)據(jù)對接，將門禁卡、定位卡、飯卡整合為一張卡，減輕了工人帶多張卡繁瑣，也保證了工人隨身攜帶。用健全的人員管理機(jī)制積極的響應(yīng)行業(yè)對人員管理要求。

3.4 流程化的質(zhì)量管理

閔浦三橋的工程類型為公路工程，因此質(zhì)量管理中的表式都采用公路工程的標(biāo)準(zhǔn)。針對實際檢查流程，形成質(zhì)量檢查線上化、資料電子化、評定流程線上化的質(zhì)量管理流程。

（1）質(zhì)量驗收

公路質(zhì)量保證材料中有46個分項工程，每個分項工程中又有不同的工序，對于整個工程而言，質(zhì)量驗收的表示繁雜且多樣，為了解決將此工作線上化，開發(fā)出報表庫功能，所有的表格可分類放入報表庫中，同時每一張報表可在線修改。每一個工序與一個或多個報表進(jìn)行綁定。在某分項工程下的所有工序通過施工日志模塊填報完成后將被自動推送到質(zhì)量驗收模塊，便可對工序報表逐一填報。

（2）質(zhì)量評定

本項目質(zhì)量評定為多層級評定，分為分項工程評定、分部工程評定、子單位工程評定，單位工程評定。分項工程、單位工程可綁定報表庫中的評定表，同時可對下一層級填寫各項的分?jǐn)?shù)與權(quán)重。

在工序的質(zhì)量驗收完成后可對改分項工程評定報表進(jìn)行填報（見圖6），某分部工程下的所有分項評定審核完成后即可對該分部工程進(jìn)行評定直至完成單位工程的評定。平臺將所有填報數(shù)據(jù)匯總進(jìn)入到文檔管理中，大大節(jié)省了項目歸檔時間。

圖6 質(zhì)量評定電子化表式展現(xiàn)

3.5 流程化的安全管理

安全管理中建立了較為完善的安全平臺管理流程體系。安全管理人員在平臺中的操作記錄會保存到數(shù)據(jù)庫中，可以以文檔的形式輸出，成為工作考核的重要依據(jù)。也將日常安全檢查和重大危險源監(jiān)控與工作任務(wù)結(jié)合在一起，讓項目安全隨時檢查、隨時整改和隨時記錄，將項目安全管控放在重點監(jiān)管位置。

（1）風(fēng)險源管理

本項目有多個危險源：水上沉樁施工、鋼套箱圍堰施工、主梁懸臂拼裝施工、大型臨時設(shè)施（水上施工平臺）、鋼筋工程施工、混凝土澆筑施工、鉆孔樁施工、預(yù)應(yīng)力張拉施工、鋼錨梁吊裝施工、斜拉索吊裝施工、橋面系施工等，對重大危險源進(jìn)行列表式管理，按照靜態(tài)和動態(tài)分級，形成管理檔案，隨時更新危險源實施情況，方便監(jiān)管部門和項目管理人員實現(xiàn)差異化和精細(xì)化管理。危險源管理主要涉及危險源數(shù)據(jù)的采集、采集數(shù)據(jù)查詢，實現(xiàn)危險源的登記、辨識、分級、統(tǒng)計、應(yīng)急處理等，通過信息化的手段加強(qiáng)對施工安全管理問題的了解，并采取有效措施來改善，將事故發(fā)生率降到最低，見圖7。安全員可在平臺的危險源庫設(shè)置今日和本周危險源，并且在綜合監(jiān)控的頁面展示。

圖7 風(fēng)險源列表式管理展現(xiàn)

（2）特殊工種

本工程涉及到多種施工方案，因此對特殊工種的要求比較嚴(yán)格，在本平臺上主要是對特殊工種的地域、年齡、工種進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提取人員管理模塊中特殊工種的作業(yè)人員，上傳特殊工種的證書并提取證書有效期這樣的特殊字段，在證書到期前一個星期會提醒安全員，使得管理更加高效，見圖8。

圖8 特殊工種列表式管理

（3）安全教育與安全交底

對于施工現(xiàn)場各種的安全教育以及安全交底資料進(jìn)行電子化的統(tǒng)計，按工種、按班組、按人員進(jìn)行教育培訓(xùn)計劃的編制及培訓(xùn)過程的記錄，隨后對交底次數(shù)、交底時長、不同類別的交底次數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為現(xiàn)場項目管理提供具體的數(shù)據(jù)支撐，見圖9。

圖9 安全交底數(shù)據(jù)分析

（4）文明施工與安全檢查

將項目上文明施工檢查記錄表和安全檢查記錄表都做成表格式管理，安全檢查能夠?qū)崿F(xiàn)移動端即時發(fā)現(xiàn)，即時拍照上報的功能，具體流程包括拍攝隱患部位照片→添加問題描述→提交問題→進(jìn)入隱患處理反饋流程→問題處理→整改后影像資料上傳→整改通過→處理結(jié)果推送相關(guān)人員→結(jié)束閉環(huán)→形成安全隱患問題庫。

（5）設(shè)備管理

本項目主要的大型設(shè)備包括塔式起重機(jī)、施工升降機(jī)、物料提升機(jī)等。對操作人員證書、設(shè)備維保時間、檢驗有效期等信息進(jìn)行預(yù)警，提醒監(jiān)督人員和項目管理人員提前應(yīng)對。對設(shè)備的供應(yīng)商、設(shè)備設(shè)施安裝驗收、小型機(jī)具定期檢查等項目進(jìn)行管理。設(shè)備管理是對項目施工過程的所有大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行管理，包括設(shè)備臺賬錄入、機(jī)械設(shè)備進(jìn)出場時間記錄，以及機(jī)械設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)檢查數(shù)據(jù)的記錄，同時機(jī)械設(shè)備的日常使用也可以綁定進(jìn)度任務(wù)，從而通過對機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與分析，判定項目中機(jī)械設(shè)備的效能。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)性介紹了大跨度橋梁施工管理領(lǐng)域中三維信息化技術(shù)的應(yīng)用，采用平臺化的應(yīng)用，得到了多個創(chuàng)新性的應(yīng)用以及平臺推廣的難點：

（1）將不同模型數(shù)據(jù)融合進(jìn)同一個平臺，可以直觀清晰的看到橋梁工程建成后的全貌，同時平臺化的操作也讓項目管理人員更加方便的查看三維結(jié)構(gòu)模型，減少了協(xié)調(diào)量，增加了溝通效率。

（2）人員管理集成了三維定位、閘機(jī)數(shù)據(jù)、就餐次數(shù)，將軟硬件的管理合為一體，打通了施工現(xiàn)場人員信息的管理，使得繁雜的人員管理更加透明和便捷。

（3）通過對三維模型、進(jìn)度子項、分部分項的編碼進(jìn)行統(tǒng)一映射，形成施工進(jìn)度直接用三維模型來展示，同時將施工日志的工作量與三維模型掛鉤，可直接體現(xiàn)工程實際進(jìn)度，使得工程形象進(jìn)度管理更加清晰。

（4）質(zhì)量與安全管理中的多種表格表式直接電子化，同時可以對不同程度的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到多個有效的數(shù)據(jù)支撐，為項目管理做數(shù)據(jù)支撐。

（5）建立橋梁建設(shè)數(shù)字化綜合管理云平臺為核心的應(yīng)用，集成多個軟硬件的數(shù)據(jù)采集，初步實現(xiàn)了重大橋梁工程項目的高效管理與創(chuàng)新。

（6）平臺化的管理與傳統(tǒng)管理方式的不同，導(dǎo)致現(xiàn)場管理人員對新技術(shù)的不適應(yīng)，管理理念善未轉(zhuǎn)換，因此平臺應(yīng)用的推廣難度較高，目前仍然需要兩層皮的應(yīng)用，但是未來可期。