三維GIS+BIM技術在大型復雜樞紐工程施工管理中的應用研究

牛海波 張玉明

摘要：現(xiàn)代隨著科技的發(fā)展，互通樞紐的設計偏向于空間交叉結構復雜，層數(shù)多、匝道交叉口多等特點，同時樞紐往往要跨越既有交通路線，這樣就帶來了施工組織難度高等問題，中大型互通樞紐的施工組織管理尤其復雜。因此，此類中大型樞紐工程的施工方案如何組織，項目成功的的關鍵目標所在。

浙江省杭州灣大橋北接線（二期）工程TJ03合同段洪溪樞紐工程為混合型樞紐式互通立交，與東側(cè)的申嘉湖高速相連組成復合式互通，樞紐位于杭嘉湖平原村鎮(zhèn)交叉部，地方道路、河流、溝渠縱橫交錯；同時與高壓線、12處與西氣東輸、川氣東送燃氣管道相互交叉以及5處上跨申嘉湖高速施工，其中位于申嘉湖高速中分帶位置的橋梁下部結構施工、跨高速孔位梁板安裝施工以及后期橋面系施工直接影響申嘉湖高速的安全運營。

通過采用三維GIS技術結合BIM技術在本項目的應用，實現(xiàn)在地球空間中集成項目路基、路面、橋梁、立交樞紐及沿線設施的三維模型以及投資/成本、計劃進度、質(zhì)量、安全、物資、計量、視頻監(jiān)控等信息，形成項目多維BIM信息，為各級用戶和項目管理者生動、形象、直觀、可視化的呈現(xiàn)工程的三維形象和周圍地貌的空間場景，項目工程的形象進度、質(zhì)量安全的監(jiān)控信息，物資的追溯信息等，為管理者決策和指揮提供支持。

關鍵詞：樞紐三維GIS BIM項目管理

建設現(xiàn)代交通，是社會民生與經(jīng)濟發(fā)展的必經(jīng)之路，也是國家推進發(fā)展全局戰(zhàn)略的迫切要求。為了適應國際經(jīng)濟新格局的變化，推進中國經(jīng)濟的發(fā)展，國家提出“一帶一路”的戰(zhàn)略思想。為了發(fā)揮現(xiàn)代交通在經(jīng)濟發(fā)展全局中的帶動作用，利用GIS+BIM技術等技術手段是實現(xiàn)交通現(xiàn)代化的重要基礎。

隨著國家五縱七橫高速公路網(wǎng)的建成和省級高速公路網(wǎng)的完善，新建道路中互通樞紐工程越來越多，所占比重越來越大，互通樞紐工程的復雜性往往成為整個工程進度管理、質(zhì)量管理、安全管理的重點監(jiān)控對象。

現(xiàn)代隨著科技的發(fā)展，互通樞紐的設計偏向于空間交叉結構復雜，層數(shù)多、匝道交叉口多等特點，同時樞紐往往要跨越既有交通路線，這樣就帶來了施工組織難度高等問題，中大型互通樞紐的施工組織管理尤其復雜。因此，此類中大型樞紐工程的施工方案如何組織，項目成功的的關鍵目標所在。

隨著高速公路網(wǎng)建設的不斷完善，未來工程中類似于洪溪樞紐的互通樞紐工程將越來越多，本項目的研究成果可以全面推廣應用到互通樞紐及地形復雜的山區(qū)高速公路建設中。

一、洪溪樞紐工程特點

浙江省杭州灣大橋北接線（二期）工程TJ03合同段洪溪樞紐工程為混合型樞紐式互通立交，與東側(cè)的申嘉湖高速相連組成復合式互通，樞紐位于杭嘉湖平原村鎮(zhèn)交叉部，地方道路、河流、溝渠縱橫交錯；同時與高壓線、12處與西氣東輸、川氣東送燃氣管道相互交叉以及5處上跨申嘉湖高速施工，其中位于申嘉湖高速中分帶位置的橋梁下部結構施工、跨高速孔位梁板安裝施工以及后期橋面系施工直接影響申嘉湖高速的安全運營。

洪溪樞紐工程的特點與難點：

（1）樞紐施工范圍多處橫穿地方道路、高壓線路及地方河道，施工環(huán)境條件復雜；

（2）樞紐規(guī)模大，匝道8條，施工工序平面及空間交叉復雜；

（3）樞紐以橋梁施工為主，有鋼混疊合梁、現(xiàn)澆箱梁以及預制小箱梁，其中預制箱梁板種類繁多、規(guī)格多樣，需精準安排施工；

（4）樞紐內(nèi)路基施工均需進行軟基處理，有效控制路基填筑沉降是路基施工質(zhì)量控制的重點；

（5）樞紐內(nèi)施工路線與燃氣管線存在12處下穿交叉，5處上跨申嘉湖高速施工，申嘉湖高速兩側(cè)路基拼寬施工，施工過程中均存在較大安全風險。

二、三維GIS及BIM介紹

（一）GIS介紹

GIS（Geographic Information System，譯為“地理信息系統(tǒng)”。GIS是一門綜合性學科，結合地理學與地圖學以及遙感和計算機科學，已經(jīng)廣泛的應用在不同的領域，是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)[1]。

三維GIS是布滿整個三維空間的GIS，與傳統(tǒng)的二維GIS或2.5維GIS明顯不同，三維GIS已經(jīng)廣泛應用于智慧城市與交通工程、采礦、地質(zhì)和石油領域。采用三維GIS技術結合BIM技術在交通工程應用，實現(xiàn)在地球空間中集成項目路基、路面、橋梁、涵洞、隧道、立交及沿線設施的三維模型以及投資、計劃進度、質(zhì)量、安全、物資、計量、視頻監(jiān)控等信息，形成項目多維BIM信息，能夠為各級用戶和項目管理者生動、形象、直觀、可視化的呈現(xiàn)工程的三維形象和周圍地貌的空間場景，項目工程的形象進度、質(zhì)量安全的監(jiān)控信息，物資的追溯信息，農(nóng)民工的分布等，為管理者決策和指揮提供支持。

（二）BIM介紹

Building Information Model（或Modeling）譯為“建筑信息模型”，美國國家BIM標準（National BIM Standard）BIM定義是設施的物理和功能特征的數(shù)字化表示，可以用作設施信息的共享知識資源，成為設施全生命期決策的可靠基礎，繼CAD技術之后建筑行業(yè)信息化最重要的新技術。

BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。該信息庫不僅包含描述建筑物構件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構件對象（如空間、運動行為）的狀態(tài)信息。借助這個包含建筑工程信息的三維模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，從而為建筑工程項目的相關利益方提供了一個工程信息交換和共享的平臺[2]。

美國是首批應用BIM的國家之一。2002年以來，BIM技術發(fā)展迅速，不僅僅體現(xiàn)在工程領域，美國很多政府部門也積極應用BIM技術來協(xié)助他們的工作。

2010年，日本的國土交通省宣布推行BIM技術，在日本，BIM應用目前已擴展到全國范圍，并上升到政府主導層面。

歐洲、韓國也有多家政府機構致力于BIM應用標準的制定。

我國對BIM理念和技術的應用研究是從新世紀才開始的，到目前為止仍然處于初級階段。從引入到現(xiàn)在，BIM技術在國內(nèi)的應用還處在探索中。住建部《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中，BIM技術被列為重要的推廣應用技術，2015年7月2日，住建部印發(fā)《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，要求到2020年年底，建筑行業(yè)甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應掌握并實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術的一體化集成應用[3]。

三、洪溪樞紐三維GIS+BIM應用介紹

（一）本項目應用關鍵技術

本項目以三維地理信息系統(tǒng)（GIS）為核心建設BIM管理的展示平臺，主要涉及以下幾方面技術的整合與集成：

（1）建立洪溪樞紐工程三維場景空間對象數(shù)據(jù)庫，呈現(xiàn)洪溪樞紐工程路基、路面、互通立交、附屬設施等公路交通基礎設施及其周圍地貌，提供三維漫游、飛行瀏覽、快速定位、圖層管理、信息查詢、數(shù)據(jù)編輯、空間測量、空間分析、數(shù)據(jù)管理、三維可視化設計等功能，將分散的地理信息資源和建筑模型整合在統(tǒng)一的平臺之上，并進行充分的挖掘、加工和利用，為項目建設管理提供可視化服務。

（2）以三維數(shù)字模型建模技術為依托，依據(jù)設計圖紙，通過Autodesk 3DMAX、Autodesk Revit等軟件對道路全線進行工程部位多級分層三維建模，并將三維模型放入地理信息系統(tǒng)中，依托二三維GIS引擎平臺進行加載、組合、渲染、展示。

（3）依托視頻流媒體技術，對于安裝了現(xiàn)場監(jiān)控設備的施工點，在三維場景中集成現(xiàn)場視頻采集設備的接口，并獲取實時監(jiān)控畫面。

（4）依托工作流管理技術，對施工過程中的審批流程提供發(fā)起、審批、審核等功能支持，并依托數(shù)據(jù)庫技術將流程狀態(tài)、表單、結果與工程部位進行綁定，提供便捷的搜索、查看功能。

（5）依托海量數(shù)據(jù)存儲技術將工程項目涉及的海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲規(guī)劃管理，對領域內(nèi)部信息與共享信息的分類管理、雙向交換、有效利用提供技術支撐。

（6）依托數(shù)據(jù)庫技術將成本、計劃、進度、質(zhì)量、安全、計量等相關數(shù)據(jù)、文檔、表單與工程部位進行集成，并結合三維工程模型，形成多維立方體分析模型，為項目管理提供數(shù)據(jù)支撐以及便捷的文檔搜索、查看功能。

（7）依托數(shù)據(jù)倉庫技術，根據(jù)統(tǒng)一的標準為數(shù)據(jù)信息分專業(yè)、分階段、分類別構建組織形式，建立數(shù)據(jù)中心，對數(shù)據(jù)信息的收集、分析、整合、交換、共享、管理提供支撐。

（二）三維GIS+BIM應用重點研究

（1）建立全線三維空間場景及BIM模型

建立工程沿線的三維場景，加入周圍已有道路、管線、管道、河道、高壓線等實際環(huán)境數(shù)據(jù)，可以直視相互碰撞或干擾情況，優(yōu)化設計方案。

對本工程工程實體工程精確到分項工程進行精細化建模，點擊構件可顯示相關構件屬性，包括但不限于構件尺寸、材質(zhì)、材料信息、資料信息、進度信息。

可以標示出設計方提供的地質(zhì)分層信息，可觀察樁基不同深度土層情況。

根據(jù)設計數(shù)據(jù)導入，模擬出構件平面及空間位置，顯示幾何尺寸、標高、坐標等數(shù)據(jù)，核查設計圖紙中的平面空間位置數(shù)據(jù)未標注或矛盾點情況，發(fā)現(xiàn)設計遺漏、錯誤或不規(guī)范等問題。

可對施工計劃以及施工組織設計進行4D模擬，直觀可視現(xiàn)場施工實際進展情況。

（2）基于三維BIM模型的進度管理

將4D模型細化到每月計劃的施工工序內(nèi)容及相對應的計劃工程量，并根據(jù)現(xiàn)場實際進展情況進行計劃反饋和更新，動態(tài)展示總體進度計劃[4]。

可視化實際各項工序的進展情況，通過對比和分析，便捷獲取進度的超前和滯后狀態(tài)以及完成工程量的差異狀態(tài)，提供相關進度分析數(shù)據(jù)，根據(jù)不同時間點現(xiàn)場推進情況優(yōu)化進度組織方案[5]。

通過進度計劃時間安排，預警施工進度計劃與管線保護、遷移時間，梁板安裝與下部結構施工周期，跨高速施工周期與重大節(jié)假日等時間節(jié)點。

（3）基于三維BIM模型的質(zhì)量管理

通過連接外掛每個構件對應鋼材、鋼絞線、水泥、錨夾具、波紋管等原材料質(zhì)保單信息。通過連接外掛每個構件對應地材、鋼材、鋼絞線、水泥、錨夾具、波紋管等原材料試驗檢測及抽檢信息。通過連接外掛每個構件對應混凝土強度報告、鋼筋保護層檢測信息。

采用不同顏色顯示單個構件的質(zhì)量合格或不合格情況。

鏈接現(xiàn)場工序驗收表、影像信息等，直觀反映各道工序質(zhì)檢施工人員、監(jiān)理人員信息以及驗收結果情況。

（4）基于三維BIM模型的安全管理

針對本項目重點安全防控區(qū)域，安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，遠程查看現(xiàn)場動態(tài)。設置重點安全區(qū)域的紅線指標，在達到紅線范圍時具有平臺預警功能。

（5）基于三維BIM模型的成本管理

采集各時間段的進場材料及庫存材料數(shù)量，與之對應時間點的實際完成構件所需材料對比，及時掌握現(xiàn)場材料盈虧情況。對比設計用量與實際用量情況，分析偏差原因，優(yōu)化施工工藝。

（6）基于三維BIM模型的施工模擬

對不同部位與管線交叉處施工組織方案先期進行虛擬演示對比，擇優(yōu)制定施工方案。通過對不同施工及交通組織方案的虛擬演示，優(yōu)化和改進現(xiàn)場施工方案，減少施工安全風險。根據(jù)施工組織方案模擬現(xiàn)場大型機械設備布置、臨建設施布置模擬，優(yōu)化施工工序。根據(jù)BIM空間坐標信息，結合GPS坐標進行精確放樣。

四、結束語

本項目通過三維GIS+BIM平臺的在中大型樞紐工程中的應用研究，解決了中大型樞紐工程中在傳統(tǒng)施工項目管理中平面化數(shù)據(jù)的困擾，通過構建三維GIS空間場景結合精細模型，良好的解決了樞紐施工與地方道路、高壓線路及地方河道的空間可視化布局；通過BIM精細建模，有效的對預制箱梁板種類繁多、規(guī)格多樣的問題進行了構件化屬性管理；通過BIM施工模擬技術，精確模擬了上跨申嘉湖高速施工現(xiàn)場，有效避免了施工安全風險。

GIS+BIM技術以形象的三維空間場景加三維模型作為工程的信息載體，方便了建設項目各階段、各專業(yè)以及相關人員之間的溝通，減少了建設項目因為信息過載或者信息流失而帶來的損失，提高了建設項目相關工作效率以及整個建筑過程的效率。

參考文獻：

[1]劉明皓.地理信息系統(tǒng)導論.重慶：重慶大學出版社，2009.10：1-21.

[2]韓維綱.基于信息技術進步及管理模式創(chuàng)新的BIM應用與發(fā)展方向.福建建材，2013-01-20.

[3]住房與城鄉(xiāng)建設部.印發(fā)《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》.

[4]熊煥軍.基于BIM的大型施工項目管理技術研究.2016.

[5]季辰.BIM技術在港口工程施工進度管理中的應用研究.2016.

（作者單位：浙江交工宏途交通建設有限公司1

嘉興交通建設開發(fā)有限責任公司2）