BIM和GIS技術(shù)在某高速公路施工建設(shè)管理中的應(yīng)用★

王維高 朱 明 趙 見 聶上森

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

BIM(Building Information Models，建筑信息模型)以三維技術(shù)為基礎(chǔ)，通過建立精確的模型，綁定工程全生命周期真實(shí)的信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)體與信息一體化，有效提升管理效率與水平[1]。

GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))，是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的支持下，通過采集、存儲、檢索、管理、分析和描述空間物體的定位分布以及其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)的一類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[2]。GIS通過對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、存儲、管理、分析，實(shí)現(xiàn)大范圍地理空間的呈現(xiàn)。

BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的集成，實(shí)質(zhì)上是建筑設(shè)施微觀模型信息和宏觀信息的關(guān)聯(lián)整合[3]，通過BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的融合，最終實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化管理。BIM中包含了大量的高精度幾何信息、設(shè)計(jì)信息以及施工信息，GIS中又包含了影像，地形等大范圍地理信息。BIM和GIS的融合使多領(lǐng)域的深化協(xié)同成為可能，如水利工程、鐵路橋梁、地下管網(wǎng)等公共設(shè)施建造分析、城市規(guī)劃、市政模擬等諸多領(lǐng)域[4]，可以預(yù)見二者的融合也是未來發(fā)展的趨勢。

傳統(tǒng)的施工建設(shè)管理過程具有周期長、涉及人員廣等特點(diǎn)，溝通與協(xié)調(diào)工作一般要浪費(fèi)大量的人力物力，BIM和GIS技術(shù)在高速公路施工建設(shè)管理階段的使用，能夠有效解決這些問題，同時(shí)還能夠提升效能、提高質(zhì)量、降低成本。

1 工程概況

某高速公路項(xiàng)目全長203.21 km，采用雙向四車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)速80 km，路基寬度24.5 m。其項(xiàng)目沿線地形包括丘陵、谷地、山地以及高原前緣。受地形影響，橋隧等結(jié)構(gòu)物較多，橋隧比高達(dá)41.73%。項(xiàng)目全線氣溫分部呈垂直分帶性，即谷地炎熱高山?jīng)鏊ｍ?xiàng)目工作區(qū)內(nèi)植被茂密，溝谷縱橫，侵蝕構(gòu)造地形較多，嶺谷高差較大。路線經(jīng)過區(qū)水系分布呈枝杈狀，河床附近切割深度較大，水面單位距離落差大，不同季節(jié)水域流量差別大[5]。

該公路項(xiàng)目建成以后將有利于帶動成都、攀西、川南三大經(jīng)濟(jì)區(qū)之間的交流，使沿線經(jīng)濟(jì)隨路而動，促進(jìn)旅游、礦產(chǎn)、生態(tài)等資源的融合，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)一體化創(chuàng)造條件。

該項(xiàng)目的信息化部分試點(diǎn)形的引入了BIM和GIS技術(shù)，通過協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)單位、業(yè)主單位、施工單位等力量，實(shí)現(xiàn)了多方數(shù)據(jù)共享、協(xié)同辦公的功能。

2 應(yīng)用介紹

公路項(xiàng)目一般分為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等階段，該項(xiàng)目中BIM和GIS技術(shù)針對性的應(yīng)用在施工階段，其中涉及到部分設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)應(yīng)用。在項(xiàng)目中利用真實(shí)的三維模型，綁定設(shè)計(jì)階段以及施工階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了施工全過程、全方位的監(jiān)督與管理。如圖1所示，系統(tǒng)采用將各種數(shù)據(jù)采集到GIS和系統(tǒng)平臺中，在系統(tǒng)各模塊中對數(shù)據(jù)進(jìn)行使用。

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)按來源可分為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)以及地形影像數(shù)據(jù)幾部分。按照類型可分為幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分。系統(tǒng)中采用GIS平臺和自研系統(tǒng)平臺分別承載幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并且通過業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)了幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的綁定。在GIS平臺和自研系統(tǒng)平臺的框架下，以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、地形影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究了電子沙盤、征地拆遷、形象進(jìn)度、隧道圍巖、設(shè)計(jì)資料管理等幾個(gè)方面的應(yīng)用。

2.1 電子沙盤

電子沙盤功能中結(jié)合航空影像、傾斜攝影、激光點(diǎn)云等多源、多時(shí)相、多尺度的空間數(shù)據(jù)，以三維實(shí)景的形式展示路基、橋梁、隧道等全項(xiàng)目全專業(yè)的BIM模型信息以及地形地貌信息。電子沙盤為項(xiàng)目的形象化表達(dá)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、科學(xué)調(diào)度、風(fēng)采展示等功能提供了有效手段[6]。電子沙盤作為三維可視化平臺，既能夠直觀的反映大范圍場景信息，又能反映BIM模型具體細(xì)節(jié)的各項(xiàng)真實(shí)信息。

電子沙盤模塊主要用于三維顯示、分析等功能，系統(tǒng)中提供的功能主要包含以下幾方面：

1)大小場景切換。電子沙盤中能夠通過縮放場景，實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目不同維度的了解。項(xiàng)目縮放到大場景時(shí)，可以形象的表達(dá)工程走向，為分析工程難度，工程價(jià)值提供直觀依據(jù)。項(xiàng)目縮放到具體的小場景時(shí)，可以形象的表達(dá)單個(gè)構(gòu)件的詳細(xì)信息，為設(shè)計(jì)復(fù)核提供依據(jù)，見圖2。

2)結(jié)構(gòu)物定位。系統(tǒng)提供了基于樁號，坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)物名稱快速定位的功能，能夠在三維場景中快速的定位到指定位置，使得使用者能夠快速的結(jié)合當(dāng)前位置和周圍位置的地形影像數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等進(jìn)行系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的分析。

3)圖層管理。圖層管理的功能，主要實(shí)現(xiàn)圖層的透明度設(shè)置。通過設(shè)置不同的透明度，既能夠清楚的展示隱蔽工程的設(shè)計(jì)形式，又能夠直觀的檢查碰撞情況。

4)視頻監(jiān)控。在電子沙盤中接入視頻監(jiān)控的功能，能夠清晰的展示攝像頭所在位置，切換到攝像頭視角以后，又能實(shí)時(shí)的顯示場地當(dāng)前情況下的真實(shí)場景，該功能為施工建設(shè)過程中的安全保駕護(hù)航。

5)行車模擬。電子沙盤中的行車模擬模塊，以第一視角模擬真實(shí)的行車過程，讓體驗(yàn)者獲得真實(shí)的駕駛體驗(yàn)，為道路的駕駛安全性分析提供技術(shù)保障。

2.2 征地拆遷

在高速公路施工建設(shè)過程中，征拆是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，具有難度大、工藝復(fù)雜、施工作業(yè)面分布廣、環(huán)境敏感點(diǎn)多、參建單位及交叉影響因素多等特點(diǎn)[7]，BIM和GIS技術(shù)能夠針對性的緩解這些問題。使用BIM和GIS技術(shù)研發(fā)的系統(tǒng)通過方便的導(dǎo)入用地?cái)?shù)據(jù)、附著物數(shù)據(jù)以及征拆數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到地圖中，實(shí)現(xiàn)征拆對象在地理空間位置、大小和空間拓?fù)浞矫娴谋磉_(dá)。同樣系統(tǒng)提供了征拆人員對征拆數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和更新的功能，便于征拆數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計(jì)。針對征拆困難的工作，結(jié)合地圖信息，有針對性的進(jìn)行掛圖作戰(zhàn)。圖3描述了征拆功能模塊。

在征拆模塊中重要的功能包括：

1)數(shù)據(jù)的表達(dá)。征拆數(shù)據(jù)一般分為地塊數(shù)據(jù)和附著物數(shù)據(jù)兩種。其中地塊數(shù)據(jù)一般使用不規(guī)則平面幾何圖形進(jìn)行表達(dá)，附著物數(shù)據(jù)則情況比較多，可以是點(diǎn)形的房屋，青苗，也可以是線形的輸電線。無論是點(diǎn)、線還是面，系統(tǒng)中都采用了GeoJson進(jìn)行幾何的表達(dá)，并且將相關(guān)屬性信息存儲到自研系統(tǒng)平臺中。

2)征拆數(shù)據(jù)的維護(hù)。征拆數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)來源上一般分為兩種：一種是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，另一種是施工數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)過程中，通過外業(yè)調(diào)查會形成一份基本的征拆數(shù)據(jù)，包括公路用地?cái)?shù)據(jù)、附著物數(shù)據(jù)以及征拆數(shù)據(jù)。在施工過程中由于現(xiàn)實(shí)情況的變化，征拆數(shù)據(jù)又會因?yàn)閷?shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。因此數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理模塊中，既支持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化直接導(dǎo)入到系統(tǒng)中的方式，又支持施工變更和業(yè)主審批的數(shù)據(jù)管理方式。

3)掛圖作戰(zhàn)。征地拆遷過程中最耗時(shí)的就是拆遷難點(diǎn)問題，BIM和GIS技術(shù)的應(yīng)用能夠有針對性的將征拆難點(diǎn)表達(dá)到地圖上，實(shí)現(xiàn)掛圖作戰(zhàn)的目標(biāo)。

2.3 形象進(jìn)度

公路項(xiàng)目具有項(xiàng)目規(guī)模大，參建方多，項(xiàng)目管理難度大等特點(diǎn)，進(jìn)度管理是項(xiàng)目管理中最關(guān)鍵的一環(huán)，有效的進(jìn)度管理可以促進(jìn)資源合理分配，在確保質(zhì)量的情況下節(jié)約成本[8]。傳統(tǒng)方式一般使用甘特圖或者進(jìn)度百分比對項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行表達(dá)，但是隨著BIM和GIS技術(shù)的發(fā)展，一種采用真實(shí)場景著色的方式表達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。該方法使得項(xiàng)目進(jìn)度表達(dá)更加形象、完善，更具科學(xué)性，給項(xiàng)目管理者提供了更直接有效的信息。如圖4系統(tǒng)中提供了正在施工、施工完成、預(yù)制完成、未完成幾種狀態(tài)的表達(dá)，管理者能夠在三維場景中一目了然的獲得單體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度。系統(tǒng)中針對這些狀態(tài)還提供了統(tǒng)計(jì)與匯總的功能，為投資統(tǒng)計(jì)，總體項(xiàng)目進(jìn)度提供數(shù)據(jù)支撐。

在形象進(jìn)度的表達(dá)過程中，單純的使用三維場景表達(dá)，缺少了一些數(shù)據(jù)的支撐，使得表達(dá)形象具體，但卻缺少統(tǒng)計(jì)分析的功能，為了達(dá)成統(tǒng)計(jì)分析的目標(biāo)，形象進(jìn)度需要結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析模塊使用，在統(tǒng)計(jì)分析模塊中，可以從全項(xiàng)目、指定標(biāo)段、指定單位工程、指區(qū)域分別對施工進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行表達(dá)。

2.4 隧道圍巖

施工人員可以通過移動端APP將隧道圍巖信息實(shí)時(shí)錄入到系統(tǒng)中，平臺結(jié)合樁號、坐標(biāo)等信息，可以將數(shù)據(jù)融入到GIS平臺中，幫助決策者實(shí)時(shí)的掌握隧道圍巖情況，為施工安全快速決策提供技術(shù)保障。系統(tǒng)同樣提供了隧道圍巖智能研判功能，可以自動的對圍巖等級及危險(xiǎn)情況做出預(yù)判預(yù)警，幫助施工人員和決策人員盡快做出決策，減少事故發(fā)生，見圖5。

該高速公路項(xiàng)目中通過使用隧道圍巖模塊，管理者實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)了解隧道開挖面穩(wěn)定狀態(tài)、工程地質(zhì)巖組、巖體完整性、地下水狀況、地應(yīng)力狀況、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、圍巖變形破壞特征等狀態(tài)，實(shí)時(shí)對隧道開發(fā)的安裝狀況進(jìn)行評估，大大降低了項(xiàng)目實(shí)施過程中的危險(xiǎn)指數(shù)。

2.5 設(shè)計(jì)資料管理

在施工過程中，施工人員對設(shè)計(jì)資料的需求是非常強(qiáng)的，傳統(tǒng)做法是將設(shè)計(jì)資料進(jìn)行打印，在施工現(xiàn)場需要哪些資料查閱哪些資料。在BIM和GIS系統(tǒng)中，則可以提前將設(shè)計(jì)資料與構(gòu)件進(jìn)行綁定，施工人員對該構(gòu)件有需求時(shí)，自動獲取該構(gòu)件關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)資料，減少施工人員查閱的工作。同樣系統(tǒng)中還可以提供設(shè)計(jì)資料組織、搜索、更新等基本功能，為快速定位資料提供方便，見圖6。

該高速公路項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)資料模塊的推廣和使用，大大降低了施工單位的印刷成本，解決了圖紙大量印刷四處遺漏的安全性問題，還大大提高了圖紙的查找效率。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的施工建設(shè)管理手段逐漸跟不上時(shí)代的發(fā)展，終將在科技發(fā)展的浪潮中被淘汰[9]，BIM和GIS技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為新的管理手段帶來了曙光。本文針對BIM和GIS技術(shù)在施工建設(shè)管理中電子沙盤、征地拆遷、形象進(jìn)度、隧道圍巖、設(shè)計(jì)資料管理等幾個(gè)方向的應(yīng)用進(jìn)行探究，詳細(xì)分析了新技術(shù)的方向和優(yōu)勢。

該技術(shù)的普及將有助于實(shí)現(xiàn)企業(yè)項(xiàng)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)，同樣可以無縫的流轉(zhuǎn)至運(yùn)維階段，完成運(yùn)維平臺的初始化，實(shí)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(jì)和社會效益[10]。