司家琛 黎盟 艾露

摘要 高速公路具有線長、面廣和體量大的特點，BIM+GIS在建造智慧高速公路中具有重要意義。文章介紹了BIM、GIS技術(shù)的特點，并分析了BIM+GIS融合的主要技術(shù)難點以及應(yīng)用價值，通過BIM信息深化集成各個模塊，以及BIM+GIS綜合、系統(tǒng)地展示，介紹了BIM+GIS的具體實施流程。BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不僅有效提升高速公路工程的施工質(zhì)量，確保施工進度，還極大程度地提高了高速工程建設(shè)水平，對我國實現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)具有重要影響。

關(guān)鍵詞 高速公路;BIM;GIS;項目管理

中圖分類號 TU71;TU17 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0115-05

0 引言

現(xiàn)如今，隨著我國城市化建設(shè)的不斷深入，人們的生活水平得到顯著提升，并對國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出更高要求。近年來，BIM作為一種新興的科學(xué)技術(shù)，在高速公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，不僅能夠有效提升工程的建設(shè)質(zhì)量，保證施工進度，還能有效避免建設(shè)成本的過度消耗，對我國交通事業(yè)的長久發(fā)展具有一定的促進作用。此外，采用BIM技術(shù)，還可以符合我國“綠色施工”的環(huán)保理念。BIM技術(shù)不需要額外圖紙，僅需要通過相關(guān)設(shè)備便可以對工程建設(shè)完畢后的模型進行調(diào)整，具有充分的應(yīng)用價值。

1 項目概況

田林至西林（滇桂界）公路工程是《廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（2018—2030）高速公路網(wǎng)布局方案中橫3線賀州（粵桂界）～西林（滇桂界）的重要組成部分，也是廣西壯族自治區(qū)人民政府下發(fā)《縣縣通高速公路建設(shè)工作方案》爭取盡快開工的23個高速公路項目之一。該項目的實施是對廣西高速公路網(wǎng)有益的補充和完善，將形成又一條橫向通道，對加快區(qū)域旅游、礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，促進區(qū)域工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展提供交通保障，對落實“大扶貧戰(zhàn)略行動、堅決打贏脫貧攻堅戰(zhàn)”具有重大意義。

2 建設(shè)背景

（1）《交通運輸部辦公廳關(guān)于推進公路水運工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（交辦公路〔2017〕205號）指導(dǎo)意見提出深入貫徹落實黨的十九大精神，踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”發(fā)展理念，增強科技創(chuàng)新動力，推進BIM技術(shù)在公路水運工程建設(shè)管理中的應(yīng)用，加強項目信息全過程整合，實現(xiàn)公路水運工程全生命期管理信息暢通傳遞，促進設(shè)計、施工、養(yǎng)護和運營管理協(xié)調(diào)發(fā)展，提升公路水運工程品質(zhì)和投資效益。各地應(yīng)加強BIM技術(shù)人才培養(yǎng)和投入，提升BIM技術(shù)應(yīng)用能力，推動BIM技術(shù)在公路水運工程設(shè)計、施工、養(yǎng)護、運營管理的全過程、全領(lǐng)域應(yīng)用?？筛鶕?jù)概預(yù)算編制有關(guān)規(guī)定，將BIM技術(shù)研發(fā)等費用納入項目概算。

3 建設(shè)目標(biāo)

結(jié)合田西高速公路項目公司的實際需求，圍繞施工現(xiàn)場、企業(yè)多層級管理需求，結(jié)合國內(nèi)外先進數(shù)字化技術(shù)，綜合運用云計算、大數(shù)據(jù)挖掘、BIM、三維GIS、無人機等技術(shù)，開展基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化建設(shè)。以數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施為載體、“數(shù)據(jù)鏈”為主線，建設(shè)BIM+GIS信息綜合展示系統(tǒng)，整合施工過程中的進度、質(zhì)量、安全等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)項目建設(shè)過程多層級精細(xì)化、可視化、數(shù)字化、智慧化管理[1]。同時形成可交付至運營養(yǎng)護階段的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為田西高速公路運營養(yǎng)護集團智慧交通建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，助力項目公司公路工程建設(shè)領(lǐng)域信息化水平全面提升。

4 建設(shè)內(nèi)容

4.1 數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

以BIM相關(guān)數(shù)據(jù)成果為基礎(chǔ)，綜合運用3S（地理信息GIS、遙感技術(shù)RS、全球定位系統(tǒng)GPS）、攝影測量、高精度三維激光全景測量等數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)對工程構(gòu)筑物、沿線設(shè)施、沿線環(huán)境、地形地貌等信息進行采集、處理、入庫，根據(jù)行業(yè)及廣西壯族自治區(qū)相關(guān)BIM標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本項目的應(yīng)用需求，建設(shè)田西高速公路八書馱娘江特大橋、黃果峰隧道的BIM+GIS三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)。

4.1.1 實施范圍

三維數(shù)字化模型具體內(nèi)容如表1所示。

4.1.2 三維地理信息建設(shè)

充分應(yīng)用3S（Geographic Information System、Remote Sensing、Global Positioning System）技術(shù)，采用勘測地形數(shù)據(jù)為數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)源，以數(shù)字正射影像DOM（甲方提供的無人機航飛影像）為仿真紋理，合成三維空間場景，實現(xiàn)三維地理信息仿真，為建立基于BIM+GIS的信息化綜合管理平臺提供基礎(chǔ)地理信息，讓平臺展示具有立體感和層次感，有利于快速直觀地把握地形地貌要素。

三維地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)主要包括數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、三維空間場景合成及三維矢量數(shù)據(jù)建設(shè)。

（1）數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）建設(shè)。根據(jù)工程特點，使用無人機航測正射影像對項目區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，對其進行糾正、投影變換及調(diào)色處理，使其符合美觀自然的原則。數(shù)據(jù)檢查無誤后制定DOM切片方案，并組織數(shù)據(jù)切片，發(fā)布成系統(tǒng)可使用的影像服務(wù)進行調(diào)用，最終完成數(shù)字正射影像建設(shè)。形成影像數(shù)據(jù)整合流程如圖1所示，最終顯示的高清數(shù)字正射影像成果如圖2所示。

（2）數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）建設(shè)。根據(jù)提供的勘測數(shù)據(jù)1∶2 000地形圖，通過GIS軟件進行矢量化處理，刪除不必要的圖層，保留等高線、高程點、控制點、建筑物所在的圖層，提取其中有效的高程數(shù)據(jù)進行地形建模處理，并對其進行內(nèi)插、濾波處理后生成數(shù)字高程模型。其中數(shù)字高程模型生產(chǎn)流程如圖3所示，DEM模型成果如圖4所示。

（3）三維空間場景合成。利用三維GIS軟件將地面分辨率優(yōu)于0.3 m的數(shù)字正射影像（DOM），疊加1∶2 000比例尺的數(shù)字高程模型（DEM），融合成能反映出項目周邊地形起伏及真實地面紋理的地形數(shù)據(jù)集，通過以服務(wù)發(fā)布的方式制作三維地理空間場景，如圖5所示。為建立基于BIM的數(shù)字管理平臺提供基礎(chǔ)地理信息及基礎(chǔ)地理信息編輯、展示功能[2]。三維地理信息空間場景成果如圖6所示。

（4）三維矢量數(shù)據(jù)建設(shè)。1）背景：標(biāo)定行政區(qū)劃名稱（覆蓋的州市、縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村，輻射的州市）。2）線路：沿線路及周邊路網(wǎng)骨架網(wǎng)（含規(guī)劃）的數(shù)據(jù)。3）沿線興趣點標(biāo)注及定位：橋梁、隧道、里程樁號等。

4.1.3 工程BIM模型建設(shè)

根據(jù)提供的施工設(shè)計圖紙資料及變更圖紙資料，以1∶1比例，按LOD300等級創(chuàng)建八書馱娘江特大橋、黃果峰隧道工程BIM工程構(gòu)件模型，模型與工程劃分保持一致（不包含鋼筋模型的創(chuàng)建）。

利用BIM參數(shù)化設(shè)計平臺，進行八書馱娘江特大橋、黃果峰隧道BIM模型建設(shè)工作。

工程BIM模型建設(shè)：

（1）線路專業(yè)。使用BIM參數(shù)化建模平臺，基于行業(yè)聯(lián)盟推動的LandXML標(biāo)準(zhǔn)線路數(shù)據(jù)實現(xiàn)線路數(shù)據(jù)的存儲、計算、繪制。為橋梁、隧道等各專業(yè)BIM模型建立、車載模擬等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）橋梁專業(yè)。使用BIM參數(shù)化建模平臺，通過可視化編程工程結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)橋梁跨徑表達式的解析，能實現(xiàn)橋梁聯(lián)結(jié)構(gòu)、邊跨、中跨、簡支、連續(xù)等自動解析。

以工程結(jié)構(gòu)為框架，構(gòu)件為單元，實現(xiàn)層級劃分、造型信息、幾何信息等維度信息的存儲、管理。將BIM模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入、編輯并生成MBS（模型分解結(jié)構(gòu)），實現(xiàn)一個ID（構(gòu)件編碼），多層級數(shù)據(jù)管理（造型體、BIM工程量清單等）[3]。

通過可視化約束求解器創(chuàng)建橋面系、梁板、墩臺等可參變模板，自動生成符合工程結(jié)構(gòu)分解的橋梁模型。

通過導(dǎo)入橋梁跨徑表達式、墩臺參數(shù)等實例數(shù)據(jù)，最終生成橋梁BIM模型，如圖7所示。

（3）隧道專業(yè)。自主研發(fā)的參數(shù)化BIM平臺強大的參數(shù)化模板創(chuàng)建能力可以滿足隧道復(fù)雜斷面尺寸和形式，并且支持復(fù)雜布爾剪切運算，整套數(shù)據(jù)建設(shè)流程保留了各專業(yè)協(xié)同性、工程結(jié)構(gòu)的派生、組合等邏輯關(guān)系、模型構(gòu)件之間的拓?fù)潢P(guān)系，可以以“所見即所得”的方式自動傳遞設(shè)計變更信息，無須重復(fù)建模工作流程;結(jié)合參數(shù)化工程體系模塊內(nèi)嵌的BIM標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)隧道模型的自動編碼，并同步生成BIM模型構(gòu)件清單[4]。

基于復(fù)雜約束求解器實現(xiàn)的參數(shù)化模板創(chuàng)建工具可以滿足隧道復(fù)雜的襯砌斷面模板創(chuàng)建，并且可以靈活調(diào)整內(nèi)輪廓各半徑參數(shù)、支護和襯砌層厚度、緊急停車帶加寬等復(fù)雜斷面。

建立項目主洞-通道連接單位三維模板，提前設(shè)置好各模型對象之間的剪切布爾關(guān)系，根據(jù)主線、連路線等參數(shù)實現(xiàn)隧道車行通道、人行通道等快速布設(shè)，解決了行業(yè)上隧道模型剪切布爾容易出錯甚至不能布爾的普遍現(xiàn)象，建設(shè)的隧道BIM模型如圖8所示。

4.1.4 BIM與GIS數(shù)據(jù)融合

BIM工程模型數(shù)據(jù)組織、BIM工程模型與GIS三維空間場景融合。

對BIM模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、輕量化處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、模型屬性賦予、數(shù)據(jù)發(fā)布。

根據(jù)BIM模型對三維地形場景模型進行剪切、壓平、羽化處理，真實反映建設(shè)項目與臨近地形、地貌的關(guān)系。

4.2 BIM信息深化集成

基于施工深化模型集成相應(yīng)的施工圖設(shè)計信息，創(chuàng)建BIM模型構(gòu)建清單，為施工管理數(shù)據(jù)整合提供支撐。

在施工深化模型基礎(chǔ)上，對施工過程中項目管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)進度專題數(shù)據(jù)進行深化集成，形成施工過程模型。

4.2.1 BIM設(shè)計信息深化集成

集成設(shè)計信息：施工圖紙的協(xié)同管理、BIM工程構(gòu)件設(shè)計信息整合。

BIM模型構(gòu)件清單：生成BIM模型構(gòu)件清單，包含BIM模型劃分結(jié)構(gòu)、工程屬性、工序?qū)傩?、?gòu)件ID等，為BIM模型構(gòu)件與質(zhì)量、安全、進度等項目管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合應(yīng)用提供支撐。

（1）施工圖信息集成?；贐IM構(gòu)件模型集成相應(yīng)的幾何信息、施工設(shè)計圖紙文件及工程量信息。

（2）模型構(gòu)件清單整理。通過三維數(shù)字化模型參數(shù)化建設(shè)過程中同步生成BIM模型構(gòu)件清單，包含BIM模型劃分結(jié)構(gòu)、工程屬性、工序?qū)傩?、?gòu)件ID等，為施工期的項目管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合應(yīng)用提供支撐。

4.2.2 施工項目管理信息集成

集成項目管理系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)：質(zhì)環(huán)管理、安全管理、進度管理、技術(shù)管理、征地拆遷、物資管理等項目管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

4.2.3 智慧工地應(yīng)用集成

集成項目上已建立的智能化施工物聯(lián)網(wǎng)專題數(shù)據(jù)：包括視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、施工車輛監(jiān)測、隧道安全監(jiān)測、壓力機監(jiān)測、萬能機監(jiān)測、拌合站等數(shù)據(jù)，并與BIM模型進行關(guān)聯(lián)、綁定等（集成條件：智能化施工系統(tǒng)須接入互聯(lián)網(wǎng)并提供數(shù)據(jù)接口）。

4.3 BIM+GIS綜合展示系統(tǒng)

利用BIM、3DGIS分析、展示技術(shù)，結(jié)合項目建設(shè)管理系統(tǒng)，將項目施工期業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)綜合利用，實現(xiàn)建、管協(xié)同業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞和跨地域業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢。監(jiān)測項目管理運營情況，對異常關(guān)鍵指標(biāo)進行動態(tài)預(yù)警和分析，為項目管理人員及領(lǐng)導(dǎo)、各參建單位業(yè)務(wù)人員提供管理決策依據(jù)[5]。

4.3.1 總體框架

最終展示的BIM+GIS綜合展示系統(tǒng)框架如圖9所示。

4.3.2 功能設(shè)計

提供飛行視角瀏覽、行車視角瀏覽等功能，提供抓取、旋轉(zhuǎn)、測距、測高、測面積、地面挖開等操作功能。

提供不同主題的查詢，選中構(gòu)件可查看構(gòu)件設(shè)計屬性、施工圖查詢、項目管理計劃進度管理系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)。

4.3.3 BIM+GIS+智慧工地專題展示

利用先進的集成技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)、計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融為一體。將項目已建立的視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、施工車輛監(jiān)測、隧道安全監(jiān)測、壓力機監(jiān)測、萬能機監(jiān)測、拌合站等數(shù)據(jù)實時接入BIM平臺，使項目管理的工作方式在過去傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)督之外增加了遠(yuǎn)程監(jiān)督的手段，有效控制施工現(xiàn)場的安全風(fēng)險、質(zhì)量、進度。在基于BIM的綜合展示系統(tǒng)中可查詢及快速定位施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控設(shè)備安裝物理位置;點擊視頻監(jiān)控設(shè)備定位點，可查詢被監(jiān)控工程的實時監(jiān)控畫面，提供三維模擬施工進度與現(xiàn)場實時施工進度的對比查看。

5 結(jié)語

該技術(shù)的普及將有助于實現(xiàn)企業(yè)項目建設(shè)快速提質(zhì)增效，從而加快企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。BIM和GIS系統(tǒng)平臺中所涉及的數(shù)據(jù)，同樣可以無縫流轉(zhuǎn)至運維階段，完成運維平臺的初始化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)利用效益最大化，從而為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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