BIM＋GIS在高速公路建設管理中的應用與研究

謝來坤 秦曉晗 李旭

摘要：隨著公路信息化的發展，傳統公路建設管理技術和手段已不能滿足項目的需求。作為工程領域兩大新興技術，BIM與GIS在微觀和宏觀方面分別具有獨特的優勢。文章通過分析廣西地區高速公路建設的特點，結合BIM+GIS的優點，依托廣西荔玉高速公路平南相思洲大橋段工程實踐，介紹了BIM+GIS項目管理應用的流程和方法，為技術欠發達地區的高速公路建設提供參考。

關鍵詞： BIM;GIS;高速公路;建設管理

0 引言

BIM作為工程數字化的一種工具，是為了解決工程信息化而提出的工程建筑信息體系。BIM模型中的屬性信息能夠精確至構件級別，從而具有可視化、信息全面、協同性好等優點，但對于規模大、路線長的高速公路項目，BIM技術的缺點包括模型數據量大、可視化預處理時間長等。經過幾十年的發展，GIS技術的研究和應用已經逐漸趨于成熟，它能夠有效地處理海量的大范圍地形數據，從而大大提高整個系統的運算效率，并使其運行流暢，在宏觀模型的展示方面具有獨特的優勢，但微觀、精細仍然是其技術方面的劣勢。因此，將BIM與GIS兩者優勢相結合，能夠更好地為工程項目提供豐富全面的可視化管理信息。

1 廣西高速公路建設特點

廣西位于中國地勢第二臺階中的云貴高原的東南邊緣，同時也處于兩廣丘陵的西部，總體地貌為山地丘陵性盆地，境內喀斯特地貌廣布。由于廣西境內地形復雜、氣候多變，相對于國內平原地區而言，其在修建高速公路時更易受到地形、地貌、地質、氣象水文等自然條件的影響，建設難度大。

（1）地質地貌復雜對高速公路項目在設計階段的線路優化、施工階段的土方量計算以及征拆紅線的定位準確性影響較大。

（2）區內喀斯特地貌分布廣泛，地質條件復雜，巖溶發育，工程地質條件不良等導致施工安全管控存在較多的不可預見因素。

（3）近年來廣西高速公路發展進入“黃金時期”，施工進度壓力大但現有的進度管理模式已經不適應新的時代。

面對上述問題，傳統的管理方式難以進行科學、有效、集中式的管理，需要采用新的技術和手段提升管理水平以滿足項目建設需求。

2 BIM+GIS技術的應用特點及優勢

BIM有兩層含義，即建筑信息模型與建筑信息建模，一層強調結果，另一層強調過程。在CAD技術發展的基礎上，BIM成為最新且有效的建筑信息模型創建技術。同時BIM的應用能有效促進高速公路向智慧高速公路建設轉變，并且可將物聯網的建設納入其中?[1]，更好地達到在設計、建造和運營整個建設過程的有效管理。而GIS是傳統地圖學與現代計算機技術相結合的一種特殊的空間信息系統?[2]，通過收集空間對象的地理位置及其他相關的屬性信息，對其進行運算分析，將現實空間對象轉化為圖形顯示，直觀地為項目管理和決策提供數據支撐。

隨著高速公路信息化的快速發展，單一的技術使用很難滿足現代公路建設的需要，技術的協同性成為關鍵因素，BIM技術和GIS技術的有效結合正好滿足了這樣的需求。其中，無人機傾斜攝影技術的發展不僅提高了BIM技術的建模的速度，而且其快速生成項目三維地形曲面使BIM技術實現了實景建模，這也為BIM技術的靜態和GIS技術動態多維方的技術特性有效結合提供了技術支撐。

通過研究發現，BIM+GIS一般是通過數據、系統的集成或者應用的集成實現的，即可在BIM應用環境中集成GIS，亦可以在GIS環境中集成BIM，或者兩者進行深度的集成，從而發揮各自的優勢，拓展更廣的應用領域。

BIM與GIS的融合使用首先可解決的是數據共享問題 [3]，其次也實現了工程微觀模型信息與宏觀場地信息的結合。研究“BIM+GIS”技術在高速公路建設管理中的應用，有利于推動高速公路“信息化建設”，對實現“智慧交通”具有重要意義。目前市場中大多數BIM軟件都支持多種格式的導出，如IFC、OBJ、DAE等常見的三維共享交互格式，不同的GIS平臺對各種格式的兼容性略有側重，但兩者的結合目前都較為成熟。

3 項目實踐

鑒于BIM+GIS技術在公路工程中的先進優勢，本文對該技術在廣西荔玉高速公路項目建設和在其控制性工程平南相思洲大橋建設中的應用實踐進行分析。

3.1 項目概況

荔玉高速公路起于荔浦市，途經蒙山縣、平南縣、桂平市，終于玉林市，全長 263.11 km，設計標準為雙向四車道。其控制性工程相思洲大橋是廣西荔玉高速公路上的一座特大橋，是該項目的一個關鍵性控制節點工程。大橋全長 1 668 m，跨江主橋長 870 m，為組合梁斜拉橋結構，跨徑布置采用 40 m+ 170 m+ 450 m+ 170 m+ 40 m（如圖1所示）。兩側引橋為預應力混凝土小箱梁橋+預應力混凝土T梁橋結構。

本項目建設主要具有以下幾個難點：

（1）氣象水文條件復雜。項目地屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為 21.5 ℃，多年平均降水量為 1 400～ 2 100 mm，每年4～9月為多雨季節，降雨量為全年的80%，該地區經常發生春秋旱夏澇的自然災害。

（2）施工安全風險高。項目施工工序繁多，涉及施工設備較多，安全風險點較多，施工風險大。

（3）項目組織協調難度大。本項目涉及單位多、戰線長，施工組織協調難度大。

3.2 BIM模型的創建

根據項目施工建設及管理的需求，利用Bentley軟件采用LOD300的模型精度創建主橋結構和引橋結構的BIM模型，如圖2所示。

在BIM三維模型的基礎上，進行主橋施工工藝仿真模擬及相關漫游效果制作，實現三維的施工交底（如圖3所示）， 使施工人員對工程特點、技術質量要求、施工方法、措施和安全等方面有更為詳細的了解，以便于科學有序地組織施工，確保施工質量安全。

3.3 項目GIS模型創建

GIS模型創建的形式有很多， 可以通過下載谷歌衛片生成，也可以通過三維激光雷達掃描和無人機傾斜攝影等方式進行。其中，谷歌下載衛片生成地形精度較低;三維激光雷達掃描效果最好，精度最高，可以把誤差控制在 10 cm以內，但是成本較高;現階段行業使用最多的是無人機傾斜攝影生成GIS地形，也是本項目采用的技術手段。

傾斜攝影工作流程主要包括外業測量和飛行攝影兩大步驟，具體流程如圖4所示。

在Smart 3D Capture自動建模系統中加載測區影像，人工給定一定數量的控制點，軟件采用光束法區域網整體平差，以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交匯，將整體區域最佳點加入到控制點坐標系中，從而恢復地物間的空間位置關系。然后采用密集匹配技術，系統根據高精度的影像匹配算法，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構成密集點云，從而更精確地表達地物的細節。地物越復雜，建筑物越密集的地方，點密集程度越高;反之，則相對稀疏。由空中三角測量建立的影像之間的三角關系構成三角TIN，再由三角TIN構成白模，軟件從影像中計算對應的紋理，并自動將紋理映射到對應的白模上，最終形成真實三維場景，將三維場景導出OSGB格式數據，上傳至服務器進行GIS地形發布，如圖5所示。

3.4 基于BIM+GIS的項目施工管理應用

3.4.1 基于BIM+GIS的三維可視化進行方案比選

三維可視化是BIM+GIS的特有屬性，通過三維可視化可以大大提高項目溝通效率。在方案探討、專家論證和專家評審過程中能大大提高工作效率，以實現降本增效的目的。山區高速往往存在山體與路線的繞行關系，在涉及方案變更時通過BIM+GIS可以快速發現山體和路線的關系，提出繞行路線，實現變更方案的快速討論。考慮到本項目后期可能因地質原因造成山體不穩，為保證高速公路主體的安全和運維過程中的人員安全，現需對原設計局部線路進行調整，原有路線如圖6所示。

針對本項目情況提出了兩種調整方案：（1）對路線進行調整，由原來的橋梁變更為隧道，繞到滑坡山體后面進行設計，可完全避免可能的山體滑坡造成財產損失，如下頁圖7所示;（2）對現有橋梁進行右側調整，占用部分省道，對右側山體進行部分開挖，如圖8所示。

最后綜合考慮選擇了方案2，通過BIM+GIS的三維可視化功能實現了方案的高效溝通和專家評審的快速通過，對方案優選起到了賦能作用。

3.4.2 基于BIM+GIS的土方算量

由于建設需要，現對一處服務區進行土方平衡，根據項目建設情況從附近調土進行場地平整，初步計算需要幾百萬立方米土方，GIS地形如圖9所示，為了合理調配可以通過GIS模型計算土石方功能進行精確計算。

利用已知點（控制點或者已測量點），使用SX10進行測站設立，掃描所需要的點云。再利用 SX10全站儀功能測量一些特征點。在此項目中，掃描了兩個測站，取景選擇全部范圍方式，掃描密度選擇粗略，照相機選擇廣角，將掃描數據導入TBC中可以得到點云數據。利用TBC軟件自動分類地面、建筑物、電線桿和標志、高植被。對于軟件自動分類有問題的，可手動調整。并且剔除周圍的雜點，根據效果抽稀點云間隔，如圖10所示。在TBC中利用處理好的表面模型，根據規范等高距要求，創建等高線并進行平滑等操作，如圖11所示。

可根據現場已有控制點，或者利用 SX10 全站儀功能測量的地形點進行等高線誤差的校核。最后可計算出土方總量，同時也可計算不同的臺階標高的土方量，如圖12所示。

3.4.3 BIM與GIS結合實現項目征拆追蹤和設計成果校核

通過利用傾斜攝影技術創建的實景模型和高精度的影像資料對項目現場進行真實重構，為項目的BIM應用提供準確的基礎數據。通過三維實景、高精度模型、設計紅線的結合，可對項目征拆面積、征拆進度進行全面的跟蹤分析。見圖13。

與此同時，通過GIS三維實景與BIM設計模型的結合，還可對設計成果進行校核，確保橋梁的樁基位置準確無誤。見圖14。

3.4.4 基于BIM+GIS的物聯數據互通

對非BIM數據，可以跟BIM+GIS數據進行整合，實現基于BIM+GIS+物聯網的強關聯。如本項目將視頻監控與BIM模型做關聯，用視頻監控攝像頭可以實時查看項目視頻監控，反之通過點擊視頻監控名稱可以快速定位到攝像頭位置，在發布平臺上可以對視頻監控進行遠程遙控，實現基于GIS的物聯設備管理。見圖15。

通過BIM+GIS在荔玉高速公路項目上的應用，提高了項目管理水平，改變了傳統的工作方式。通過BIM+大數據、云計算、智能物聯設備增強了項目監管，保證了工程項目質量，為智慧公路、數字公路方面的應用提供了實踐基礎。

3.4.5 基于BIM+GIS的項目綜合施工管理平臺

（1）4 D施工進度管理

根據項目EBS編碼將相思洲大橋BIM模型進行拆分，并與項目project進度計劃文件綁定，形成4 D的項目施工進度管理。通過4 D的施工進度管理，可以直觀地對項目進行進度預演、進度查看及進度對比。通過本項目的綜合管理系統，項目管理人員無論是在PC端還是在Web GIS端都可隨時隨地查看項目具體進度，并對工期延誤的分項工程做出針對性的調整。

（2）工程技術資料數字化管理

通過將項目的技術文件、設計圖紙等材料與項目的BIM模型進行關聯，便于項目人員查找相關資料，實現施工全過程的資料記錄、查詢和追溯。

（3）工程質量安全實時監管

工程的質量安全是項目管理人員最關注的問題。傳統的管理手段和技術，無法第一時間發現及處理相關問題。基于BIM與移動互聯網技術的集成，項目管理人員可利用手機終端將施工作業現場的質量安全問題進行實時上傳并與對應的工程部位關聯，并將信息第一時間推送給相關責任人，督促其限時整改，提高質量安全問題處治效率，為工程的質量安全保駕護航。

4 結語

隨著公路信息化的發展，傳統的工程建設管理技術和手段已不能滿足項目的需求。近年來，由于BIM與GIS的快速發展且日趨成熟，給工程項目管理人員提供了新的解決思路。本文通過對BIM及GIS技術的分析研究，并在廣西荔玉高速相思洲大橋中進行實踐嘗試，通過基于三維地球GIS引擎Cesium的開發、先進成熟的數據架構方式、云技術以及移動互聯網等技術，實現BIM與GIS的集成應用，建成集資料資源管理、工序控制、進度、安全、質量管理等于一體的施工管理系統。通過本項目的應用嘗試，初步形成了一套BIM+GIS的項目管理應用流程和方法，對于提升技術欠發達地區的高速公路建設水平具有重要的作用。

參考文獻：

[1]黃 騫，林報嘉，代 成，等.基于時空大數據的公路工程信息化技術框架——以鋪前跨海大橋為例[J].西部人居環境學刊，2017，32（1）：38-41.

[2]王玲莉，戴晨光，馬 瑞.GIS與BIM集成在城市建筑規劃中的應用研究[J].地理空間信息，2016，14（6）：75-78.