BIM+GIS在橋梁初步設計中的應用

(重慶市交通規劃勘察設計院，重慶 401121)

橋梁設計中，追求的是橋梁景觀和功能要求的和諧統一[1]。橋梁方案選擇除了考慮結構、材料、施工難易程度等基本條件，還要結合環境因素，創造出融合周圍環境的盡可能完美的橋梁形體[2]。做出高質量的橋梁方案設計，需要橋梁的工程信息和環境信息。BIM是建筑信息模型，以三維模型為載體，集建筑物在全生命周期中的各個階段的工程信息、過程以及資源于一體； GIS是專門面向地理空間信息的技術，具有強大的三維可視化能力及空間查詢分析能力，可以彌補 BIM周邊宏觀環境處理及可視化能力的不足[3-6]。GIS與BIM是兩種具有互補關系的數據(技術)，將二者集成可以彼此取長補短，發揮更大效用。從社會影響、環境保護、地形地質、工程造價、施工難度等方面考慮，綜合大橋橋位、橋型結構、景觀設計等因素，本文以重慶市某座跨長江特大橋的初步設計為依托，探討BIM+GIS在橋梁初步設計中的應用。

1 BIM設計環境的構建

傾斜攝影技術是測繪遙感領域近年來發展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺搭載多臺相機，從一個垂直、四個傾斜共5 個角度同步曝光采集影像，獲取真實地物信息，并采用后處理軟件ContextCapture構建實景三維模型[7-8]。規劃橋址區位于三峽庫區腹地，地形以大河峽谷為主，處于環境敏感地帶，勘測條件復雜，適合采用無人機傾斜攝影技術快速創建實景模型，并基于實景模型作為BIM設計環境。

對于交通設計來說，實景模型比傳統地形圖在地形環境的描述上更具以下優勢：1)能直觀反映地物地貌的真實環境信息，可以讓用戶從多個角度身臨其境觀察設計環境； 2)具有真實的地理坐標，可以進行坐標、長度、面積、體積的測量與計算；3)通過實景模型可以方便的提取tin、DTM、DOM等測量數據供后續流程使用。因此，BIM工程師可以直接連接實景模型構建自己的設計環境，依據實景模型進行BIM建模設計，如圖1所示，設計師直接進行挖方填方計算，而不必通過地形圖提取高程數據經過繁瑣的步驟來得到挖填方信息。

圖1 挖方填方計算

2 數字孿生的實現

數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[9]。參照智能制造領域的“數字孿生”概念，林述濤提出了交通基礎設施的數字孿生，交通基礎設施數字孿生應包含設計信息的3D模型(BIM)、交通基礎設施周邊的地理信息(GIS)數據、地質信息、資產功能信息等等，還設想有個“容器”可以把多種來源的數據以某一種規則“收納”起來，通過不斷完善和增加“收納”，“容器”承載的數字交通基礎設施就越來越與真實交通基礎設施相匹配，也就是越來越等同于真實交通基礎設施的數字孿生[10]。SuperMap GIS是北京超圖軟件股份有限公司開發的，二三維一體化的大型地理信息系統軟件平臺，通過實例化技術、LOD調度，實現了大規模BIM數據與傾斜攝影等多源異構數據集成[11-12]。

設計的橋梁經過施工建造后，會存在客觀世界中。在“智慧交通”和“設計成果數字化交付”的背景下，將橋梁BIM模型、實景模型等數據通過SuperMap GIS 9D作為“容器”“收納”形成未來施工建造后物理世界的數字鏡像，就實現了設計階段的數字孿生(如圖2所示)。本項目用SuperMap iDesktop 9D構建三維場景并生成緩存數據，然后通過SuperMap iServer 9D發布成三維服務，最后利用SuperMap iClient3D 9D for WebGL搭建數字孿生系統。

圖2 設計階段數字孿生實現流程

3 初步設計的應用

通過SuperMap GIS 9D平臺搭建了基于BIM+GIS的設計階段數字孿生系統。圍繞這個系統可以做出豐富的應用：碰撞檢測與分析、三維設計成果數字化交付、征地拆遷管理、施工場地3D規劃與部署、施工模擬……本文以初步設計中的橋梁方案比選和外業沿線調查等典型應用為例，探索BIM+GIS在橋梁初步設計中的價值。

3.1 橋梁方案比選

橋梁方案比選主要是為了比較橋位、橋型、外形景觀等優缺點。本項目長江大橋是整條線路的關鍵性控制工程，主要受兩岸線路高程、通航行洪要求、與長江三峽風景名勝區、污水處理廠、酒店、學校及施工水位等諸多因素的影響，各方對橋梁方案都非常重視。基于BIM+GIS的數字孿生系統既有包含工程信息的BIM模型，也有包含環境信息的實景模型，將實際成橋效果實時動態展現，達到所見即所得，可以像操作電子沙盤樣360度觀看，以三維可視化的形式將設計理念、設計效果傳遞給項目決策者，大大提高了方案研究和溝通效率，如圖3所示，依次是現場環境模型、推薦方案模型和比較方案模型。

圖3 橋梁方案比選

3.2 外業沿線調查

前期準備工作完成之后，就開始沿線調查，包括調查橋梁附近既有橋梁的有關資料和使用狀況，跨越河流的通航情況和水文資料，設計橋梁的主塔、墩臺現場放樣情況，現場復核地形及地上附著物，評估對附近構造物的影響情況……通過現場踏勘時攜帶的筆記本電腦、平板等設備可以使用數字孿生系統的在線服務，如圖4所示，輔助進行定位、標注、記錄和勘察，相對于傳統的二維圖紙，BIM+GIS的數字孿生系統可大大提升外業工作效率。

圖4 在線服務

3.3 水位變化影響分析

橋梁是江河體系的重要組成部分，也是優化水資源配置最重要的工程措施。水位變化對橋梁的設計與建造影響非常大。項目區屬于三峽庫區范圍，受三峽水庫運行調度的影響，水位變幅呈秋冬季節高，春夏季節低，且每年經受一次從175m→145m的降水位和145m→175m的升水位的變幅過程，這會對城區庫岸斜坡地段的水文環境帶來復雜的影響[13]。水位變化對橋梁工程的影響是專家和業主關注的重點，在初步設計階段利用BIM+GIS的數字孿生系統結合水文勘察信息，進行水位變化的模擬分析，并制作水位消落視頻，直觀地為各方提供一個溝通載體，圖5為水位高低變化對比圖。

圖5 水位高低變化對比

3.4 輔助工程算量

工程算量是一項細致、繁瑣的工作，既要嚴格執行國家的方針、政策，又要做到合情合理、有據可依。工程算量是工程計價的基本依據，也是橋梁設計的重要內容，工程量計算的準確與否將會影響到工程造價和工程建設的投資控制。特大型橋梁設計復雜、工程量大，各構件造型復雜，有的構件內部為變形空腔結構，工程量統計困難。BIM具有工程算量所需的工程信息，利用BIM模型可以簡化工程量統計。建立BIM模型之前先要確定橋梁工程專業的分部分項列表，并制訂符合BIM工程算量的拆分原則，具體的拆分原則應該由橋梁結構的位置關系以及施工工藝的順序來確定[14]，最后利用GIS強大的統計分析功能就得出各構件的工程量信息。基于BIM+GIS輔助工程數量和主要材料數量的估算，相比基于二維圖紙的計算更加準確，更便于校核直接生成的項目成本，為編制設計概算和業主控制成本提供了方便，如圖6所示為墩身的工程量相關信息。

圖6 墩身工程量信息

3.5 三維場地布置

場地布置是施工方案的重要組成內容，是保證項目順利完成的前提和基礎。合理的場地布置方案能有效地縮短材料設備的運輸距離，避免臨時設施的多次搭拆，給予工程項目一個良好的施工作業環境，從而大大提高工程實施效率。由于初步設計處于前期工程階段，掌握信息不夠全面充分，使用初步設計圖紙進行場地布置的方法，難免會出現場地布置不盡合理的情況，這樣導致工程后期調整比較多。利用BIM+GIS技術，可以在三維環境中看到工程占地和各個結構情況，在三維實景模型的基礎上進行場地規劃布置，確定主橋、引橋、棧橋、便道、材料加工場及大型機械設備等的相對位置，建立形象直觀的現場三維布置圖(如圖7所示)，可以減少場地布置過程的人為主觀性、提高布置方案精度和避免傳統二維平面布置的潛在風險，對整個項目的設計施工提供有力保障[15]。

圖7 三維場地布置圖

3.6 征地拆遷可視化分析

為了最大限度節約用地，初步設計時應盡量繞避耕地密集區，一般路段通過設置路肩墻、路堤墻、上擋墻等工程措施減少用地，同時采用了高速公路極限用地范圍的措施來減少征用土地的數量，橋梁構造物的上部構造垂直投影邊緣線外1.0m范圍為高速公路征地范圍。在初步設計階段利用BIM+GIS的數字孿生系統將工程BIM模型、實景模型、施工紅線圖及三維拆遷面域疊合，借助GIS空間分析能力，實現公路用地、征用基本農田及拆遷情況的可視化采集、錄入、查詢和統計。這樣不僅在初步設計階段運用信息化手段為決策者提供信息支撐，后續的深化設計乃至到竣工驗收，也能極大提升各參與方征地拆遷工作的規范程度和實施效率，如圖8所示為房屋拆遷示意圖，其中紅色面為待拆遷房屋。

圖8 房屋拆遷示意圖

4 結語

本文用無人機傾斜攝影技術構建三維可視化的設計環境，通過SuperMap GIS 9D搭建了基于BIM+GIS的設計階段數字孿生系統，對BIM+GIS在橋梁初步設計中的應用進行了探索，結果表明BIM+GIS可以讓橋梁初步設計變得更直觀、更簡單、更有效。以此為基礎，結合物聯網、人工智能等技術，深入挖掘BIM+GIS在交通基礎設施設計、施工、運維全生命周期的應用深度，也是未來實現智慧交通的有效途徑。