基于BIM+GIS技術的公路工程可視化管理思路

文 / 李新勝

引言

信息技術的快速發(fā)展引發(fā)了多數行業(yè)的改革熱潮，特別是以人工智能、云計算、數據挖掘為代表的新興計算機技術更是讓原先難以管理的問題有了新的解決思路。BIM是建筑信息模型的簡稱，在經歷了數十年的發(fā)展之后已經被廣泛應用于與建筑項目有關的各個領域，特別是在交通、木土、測繪等領域中發(fā)揮著關鍵作用。在設計、建設、施工及運營等各個環(huán)節(jié)，數字化改革的進程都極為快速。通過BIM和GIS技術的使用，可視化管理方式在公路工程中大放異彩，不僅為施工質量控制帶來了創(chuàng)新思路，同時也讓整個交通基礎設施更快速的發(fā)展。

一、BIM技術及其發(fā)展推廣

BIM技術是工程行業(yè)現(xiàn)代信息技術的代表之一，其融合了計算機技術、人工智能技術、通信技術、軟件技術等多個學科，利用數字技術存儲和傳遞建筑結構及構造特點，通過3D建模的方式快速將建筑特征描述出來，可視化的結果更易于細節(jié)信息的表現(xiàn)。在公路項目的整個生命周期中，測繪、設計、施工和后續(xù)監(jiān)管都可以有BIM技術的參與，并且能夠實現(xiàn)更好的數據共享和信息協(xié)同。通過可視化的數據仿真和實物模擬，能夠實現(xiàn)公路工程的施工模擬和動態(tài)監(jiān)控，不但可以更好的保證公路項目的施工質量，還能夠縮短項目周期，有效節(jié)約成本。

這些年，國家對于BIM技術的發(fā)展十分重視，特別是在2017年國務院發(fā)布的《關于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》一文中，對于BIM技術加以肯定，并表示應盡快推進此技術的發(fā)展以實現(xiàn)其更好的應用價值。同時，政府部門對于BIM產品的合法交付物以及其標準、體系都進一步做出了說明，讓BIM產品成為了合法的交付物。在交通強國和技術興國思想的指導下，BIM在交通行業(yè)的應用也得到了大力的推廣，讓我國交通行業(yè)的發(fā)展有了新的技術和新的思路。

二、BIM技術公路工程上的應用方向

BIM技術在公路工程中設計單位和施工單位應用最為廣泛，并且發(fā)展速度也較快，主要的應用方向為以下幾個：

（一）方案的制定和交底

每一個公路工程都會制定出多個不同的可行方案，多個方案需要經過多層比對最終確定。通過BIM技術可以繪制出方案的3D動態(tài)模型，展示更多的細節(jié)，同時也可以計算出更加詳細的造價成本。在方案的對比和交底的時候，3維模型也可以更好的展示出設計細節(jié)，方案選出最優(yōu)質的設計方案，為后續(xù)的質量施工打下堅實的基礎。

（二）設計優(yōu)化與深度設計

在設計環(huán)節(jié)應用BIM技術最大的優(yōu)勢在于等比設計的3D模型可以擁有更加精細的模型細節(jié)，比如公路的用料細節(jié)、各層次的厚度細節(jié)等等，在這些細節(jié)的支撐下，方案的深化和優(yōu)化就會變得更加簡單，在核算工程的總造價時能夠提前主動的發(fā)現(xiàn)設計方案中的不合理之處或者錯誤之處，及時的對不合理地方加以調整。同樣的，利用BIM技術還可以進行各項仿真模擬，比如提前進行施工模擬，找出各個路段在施工的過程中可以會存在的問題，或是發(fā)現(xiàn)施工過程中隱藏的施工風險等，通過模擬而得的結果可以為制定應制方案提供有力的數據參考。

（三）復雜結構建筑的設計

一些結構十分復雜橋梁等建筑在設計時會有較高的難度，平面設計和更加傳統(tǒng)的設計方法都會造成工作量的大量增加，影響設計效率。同時在一些諸如市政觀光大樓等復雜建筑的設計上，平面圖紙很難將所有的設計思想都完美的表達出來，一些空間結構關系、空間設計細節(jié)還需要借助于強大的三維建模技術。同樣的，在進行方案論證時，BIM的可視化細節(jié)展示也能夠幫助論證人員得出更加準確的結論。BIM技術還能夠在三維模型的基礎上自動實現(xiàn)二維圖紙的導出，解決了一些復雜結構建筑設計手段缺乏的痛點。

（四）施工模擬

施工模擬也稱為工程的預模擬，在設計階段完成之后則進入到具體的施工階段，但是在現(xiàn)有技術的支持下，為了保證施工能夠順利進行，同時發(fā)現(xiàn)施工過程中可能出現(xiàn)的難以解決的問題，通常會使用仿真模擬技術進行預演練。BIM能夠在時間和空間兩個維度上去設計方案進行仿真模擬，讓重點工程的順利進行得到更多保障。在公路工程施工中，模擬演練主要包括工法模擬和安全逃生模擬兩個方面，公路的設計方案都會留出逃生通道和應急通道，比如高速公路上設計的應急坡道和應急車道等，通過安全逃生演練能夠論證安全通道的設計是否能夠做到安全合理，同時借助于虛擬現(xiàn)實技術和混合現(xiàn)實技術也能讓演練結果更加貼近真實性。

三、GIS技術在公路工程中的應用

GIS技術實現(xiàn)的主要是對地理位置數據的采集分析，在計算機技術和衛(wèi)星通訊技術的支持下，地球上任何一個地點的位置信息在理論上都可以進行定位和分析，其技術手段包括數據的采集、存儲、計算、分析和顯示。GIS不光是提供了圖庫管理功能，還能夠對空間數據進行分析計算，在公路工程中，使用GIS技術可以將BIM模型、傾斜攝影模型等多元異構數據加以融合顯示，精細化的表現(xiàn)出周圍環(huán)境的細節(jié)、建筑施工的細節(jié)等。路線的規(guī)劃是公路工程非常重要的一環(huán)，公路工程進行路線規(guī)劃時要保證不會對當地的水文、生態(tài)、地理特點造成破壞，同時還應將對周圍環(huán)境的影響降到最低，使用GIS技術能夠為路線規(guī)劃提供更多依據，包括對地質數據、氣象數據、水文數據、環(huán)境數據的分析，還能解決車流量預估等復雜問題。

GIS在公路工程中最大的應用優(yōu)勢是外部規(guī)劃，這一點與BIM技術形成了良好的閉環(huán)，在建筑工程中在，BIM技術于內部規(guī)劃的技術優(yōu)勢更明顯一些。而GIS技術在公路選址、路線規(guī)劃方面有著先天性的優(yōu)勢。另外，還有一個最為核心的方面，GIS技術能夠為公路工程的材料運輸提供物流規(guī)劃。眾所周知，公路工程需要耗費大量的建材，而其工程面積廣，區(qū)域跨度大，如果不事先做好物流規(guī)劃很容易導致因物流問題而提升工程施工的難度，GIS技術正適用于此。通過GIS技術，可能提前將物流路線規(guī)劃好，對物流重要參考地點加以標記，解決特殊區(qū)域的物料運輸難題。從GIS與BIM的對比來看，GIS更偏向于對環(huán)境信息、地理信息的表達，應用方面更集中于空間分析和位置分析，而BIM則明顯偏重于設計規(guī)劃和工程數據分析。

四、基于GIS+BIM的可視化技術

在整個公路工程的生命周期內GIS技術和BIM技術都得到了廣泛的應用，不過BIM技術并非國產技術，在使用時受到了諸多限制，如果打破技術壟斷也成為了國內建筑工程行業(yè)最為頭疼的問題。由于底層的接口沒有完全對國內用戶開放，導致BIM軟件在和其他軟件進行數據交互時存在很大的障礙，這一定程度上限制了BIM技術的深度應用。不過即使如此，BIM技術仍然是公路工程中難以替代的一部分。

（一）傾斜攝影建模技術的應用

在公路工程的BIM技術中，傾斜攝影的應用最為廣泛，實踐價值也最高。傾斜攝影技術是指的通過無人機搭載多個傳感器，從垂直、傾斜等不同角度對地面數據進行采集，屬于測繪工程核心的技術之一，其完整流程為先進行多視采集，然后進行相控校正和聯(lián)合平差，通過多視影像匹配和坐標系轉化之后最終形成三維建模，然后建立3D數據庫。在可視化平臺的建設中，利用傾斜攝影技術搭建3D模型是基礎環(huán)節(jié)，在3D數據庫建設完成之后還要選擇合適的文件格式進行存儲。綜合各方面的考慮，S3M格式的文件存儲效果最佳，這是由于公路建模數據量龐大，不合理的文件格式很容易造成后續(xù)使用上的困難，為了高效化的實現(xiàn)三維數據模型的搭建及存儲，在可視化平臺中使用S3M格式進行數據的存儲和傳輸是可行的。

（二）GIS數據與模型數據的格式轉換

BIM中的模型設計可以通過多種軟件來實現(xiàn)，不同軟件導出的文件格式又存在差異，為了解決這一問題需要針對不同的文件進行格式轉換。Bentley平臺所提供的格式轉換服務雖然會由于接口封閉而產生數據丟失等問題，但是輔以OGDC開放式空間數據標準等技術，可以從底層上解決模型數據格式轉換過程中空間關系、屬性、材質的丟失問題。這一步的核心步驟是如何利用相關技術來精確的提取幾何模型數據，并且如何以不失真的方式導出材質細節(jié)和顯示細節(jié)，只有在減少三角面片數的基礎上，才能快速的去除一些不必要信息，最大程度的保留有用的細節(jié)數據。

（三）模型輕量化

公路工程的模型十分龐大，這是由于公路工程的道路通過路線都比較長，道路不同路段的設計細節(jié)存在很大的差異，再加上排水系統(tǒng)、機電設施以及其他安全設施的設計，使得人路工程的建模工作量異常龐大。通過實現(xiàn)模型輕量化，能夠將一些相似的數據加以合并，簡化三角網、子對象，對一些重復的點數據加以清算去除或者合并，然后再進行模型拆分合并等操作來達到簡化模型的目的。模型輕量化尤其在傾斜攝影模型的處理環(huán)節(jié)上十分重要，這是由于通過傾斜攝影而制作的三維模型通常會異常龐大，如果不進行輕量化的話對模型的瀏覽、展示十分不友好，同時也會加重硬件設備的負擔，讓圖像渲染速度緩慢。

（四）模型關聯(lián)業(yè)務

在可視化項目中，模型只是基礎數據，用以傳遞與公路項目有關的數據信息，需要對其附加業(yè)務屬性之后才能夠實現(xiàn)信息的傳遞與交互。這里所說的業(yè)務屬性包含設計、質量、進度等，只有實現(xiàn)了模型與業(yè)務的相關聯(lián)，才能使BIM+GIS的可視化技術參與到公路工程項目的管理與分析中。

結語

可視化管理思路是解決公路工程管理問題的有效方法，通過BIM技術和GIS技術的使用，實現(xiàn)數字化建模和施工仿真分析，有效提高管理效率和管理質量，為交通行業(yè)和建筑行業(yè)的發(fā)展打下技術基礎。