BIM+GIS技術(shù)在高鐵無(wú)砟軌道斜拉橋中的應(yīng)用研究

摘要：傳統(tǒng)的鐵路橋梁工程施工管理模式較為粗糙，可視化和信息化程度不高。文章針對(duì)該問(wèn)題，融合建筑信息模型（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，建立了三維可視化的大跨度鐵路無(wú)砟軌道斜拉橋BIM+GIS模型，實(shí)現(xiàn)了圖紙審查、工程量精確分析、鋼筋自動(dòng)化加工以及三維技術(shù)交底等信息化功能，并應(yīng)用于斜拉橋施工管理中，為鐵路斜拉橋的建設(shè)管理提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：BIM+GIS；鐵路橋梁；斜拉橋；可視化；施工管理

中圖分類號(hào)：U448.27 A 30 107 2

0 引言

現(xiàn)階段鐵路橋梁施工管理主要通過(guò)傳統(tǒng)的文字、表格、圖紙等二維模式，以這種慢速、獨(dú)立的方式進(jìn)行信息的儲(chǔ)存與傳遞不能實(shí)時(shí)掌握施工信息［1］。BIM技術(shù)是一項(xiàng)推動(dòng)建筑信息向更高層次發(fā)展的新技術(shù)，具有三維可視化、信息全面、協(xié)同性好等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、管理，能夠顯著提高施工管理的效率并減小風(fēng)險(xiǎn)［2］。BIM技術(shù)的飛速發(fā)展為橋梁工程項(xiàng)目的信息化管理開(kāi)拓了新的思路與方法。郭偉平將BIM技術(shù)運(yùn)用于大跨度疊合梁斜拉橋的施工集成管理應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了人力、工作時(shí)間及施工成本等的節(jié)省，同時(shí)保障了施工安全，也為斜拉橋的后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等提供保障［3］；邱志軍等采用BIM技術(shù)對(duì)禹門(mén)口黃河公路斜拉橋的主橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模，從三維交底、碰撞檢查、限額領(lǐng)料、安全質(zhì)量管理、施工資料等方面，采用BIM技術(shù)解決斜拉橋的施工過(guò)程當(dāng)中遇到的技術(shù)及管理問(wèn)題［4］。GIS技術(shù)集成了各種空間信息，并能夠綜合分析和處理所有與空間相關(guān)的信息，能夠快速高效地建立三維場(chǎng)景模型［5］。“BIM+GIS”是一項(xiàng)將工程施工微觀信息與宏觀信息相結(jié)合的技術(shù)，兩者的深度融合為鐵路斜拉橋的建設(shè)管理提供了新的思路，推動(dòng)了鐵路橋梁工程管理的信息化和智能化。

1 BIM與GIS技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

基于BIM的三維信息數(shù)據(jù)模型，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)點(diǎn)［6］。BIM可通過(guò)數(shù)字信息化方式將工程的真實(shí)情況進(jìn)行模擬，所見(jiàn)即所得，從而為后續(xù)項(xiàng)目的決策及工程的建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。在BIM數(shù)據(jù)模型建立之初，需要按照交付要求建立相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息模型，之后根據(jù)交付需求建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合，據(jù)此可知BIM技術(shù)具有一定的連續(xù)性特點(diǎn)。

1.2 GIS技術(shù)的特點(diǎn)

GIS是在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）兩大軟件的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，增加了對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析的特殊功能［7］。其基本技術(shù)是可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)化技術(shù)和空間分析技術(shù)，是能夠?qū)臻g地理的信息化數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、管理、計(jì)算分析及展示的技術(shù)系統(tǒng)［8］。然而GIS存在一定的缺點(diǎn)，即將GIS運(yùn)用于實(shí)體模型時(shí)，其對(duì)模型內(nèi)部的細(xì)節(jié)處理效果不盡如人意，模型整體的精度不夠高。

1.3 BIM與GIS技術(shù)的融合

斜拉橋建設(shè)項(xiàng)目是一個(gè)系統(tǒng)工程，工期短，管理難度大，并具有很高的技術(shù)要求。BIM技術(shù)的核心在于解決斜拉橋施工管理過(guò)程中數(shù)據(jù)管理及共享問(wèn)題，并減小資源浪費(fèi)、節(jié)約投資等［9］。BIM模型作為一種3D智能化模型，使工程參與者可直觀快速地獲取模型所表達(dá)的可視化信息，同時(shí)傳遞了結(jié)構(gòu)全壽命周期的數(shù)據(jù)資料，能夠準(zhǔn)確清晰地描述斜拉橋施工管理全過(guò)程［10］。GIS技術(shù)則可高效迅捷地捕獲較大范圍的時(shí)空信息，從而建立三維場(chǎng)景模型［11］。將BIM的3D智能化模型與GIS的三維場(chǎng)景模型相結(jié)合能夠起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，各方工作人員可借此掌握斜拉橋建設(shè)項(xiàng)目的宏觀及微觀信息。

2 斜拉橋BIM+GIS模型的構(gòu)建

2.1 工程概況

南玉鐵路百合郁江特大橋于線路DGK107+700 km處，跨越百合郁江，橋址處常水位標(biāo)高為43.8 m，最大水深約為14 m，常水位江面寬約300 m，河道為Ⅱ級(jí)航道（規(guī)劃為Ⅰ級(jí)航道）。橋型設(shè)計(jì)為（37+40+64+330+64+40+37）m鋼-混混合梁斜拉橋，全橋長(zhǎng)612 m，如圖1所示。主塔采用雙塔雙索面等高塔結(jié)構(gòu)形式，高度為146 m。主墩基礎(chǔ)采用202.8 m灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為11～31 m，承臺(tái)尺寸為30.6 m×23.2 m×6 m。該橋是目前世界上跨度最大的雙線無(wú)砟軌道斜拉橋，也是全線的控制性工程和重難點(diǎn)工程。

2.2 模型的構(gòu)建

百合郁江特大橋結(jié)構(gòu)特殊，施工難度大，施工工藝要求高、工期緊，任務(wù)重，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆孔樁施工難度大，是南玉鐵路關(guān)鍵線路上的重點(diǎn)、難點(diǎn)及形象工程。在施工過(guò)程中要“高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、重管理”，運(yùn)用綠色施工及新技術(shù)應(yīng)用的管理理念，又好又快完成南玉鐵路工程建設(shè)。通過(guò)引入BIM+GIS技術(shù)，建立一套在項(xiàng)目管理中的規(guī)范流程及應(yīng)用模式，積極探索和積累精細(xì)化施工管控的新方法，逐步改善傳統(tǒng)粗放型的管理模式，為其他項(xiàng)目推廣運(yùn)用BIM技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)進(jìn)行模型創(chuàng)建，做到準(zhǔn)確、細(xì)致、真實(shí)地反映橋梁結(jié)構(gòu)。構(gòu)建主塔、斜拉索、鋼錨箱、鋼混結(jié)合梁、鋼箱梁、混凝土梁、預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋、支架、鋼支撐、地質(zhì)構(gòu)造等三維信息BIM模型，為后續(xù)項(xiàng)目信息化管理提供數(shù)據(jù)保障。百合郁江特大橋BIM+GIS模型如圖2所示。

3 工程效益分析

3.1 圖紙審查

根據(jù)斜拉橋相關(guān)圖紙進(jìn)行精細(xì)化建模，發(fā)現(xiàn)圖紙問(wèn)題，如對(duì)主墩圍堰節(jié)點(diǎn)板尺寸、主橋鋼錨箱橫隔板尺寸等問(wèn)題提出意見(jiàn)，提供處理方案，方便溝通，加快施工進(jìn)度。例如，內(nèi)襯節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖與建模尺寸有些許出入，建議按照建模尺寸進(jìn)行加工。如圖3、圖4所示。

通過(guò)BIM模型分析，共發(fā)現(xiàn)圖紙重要結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤或誤差15處，提前與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，避免了因圖紙錯(cuò)誤或誤差而導(dǎo)致的施工質(zhì)量問(wèn)題。

3.2 工程量精確分析

工程量經(jīng)濟(jì)管理是項(xiàng)目建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)，而工程量經(jīng)濟(jì)管理的首要工作是精準(zhǔn)快速地統(tǒng)計(jì)工程量。百合郁江特大橋項(xiàng)目鋼箱梁及混凝土梁構(gòu)造復(fù)雜，主塔分節(jié)混凝土方量計(jì)算難度大，對(duì)于主墩承臺(tái)位置處的刷山挖方方量難以確定。為此，通過(guò)三維掃描，建立精細(xì)化BIM模型，精確算量，快速提取工程量，核對(duì)設(shè)計(jì)用量，有利于加快預(yù)算進(jìn)度，減輕預(yù)算人員工作量，提高預(yù)算質(zhì)量，對(duì)增強(qiáng)項(xiàng)目的審核功效有重大意義。

利用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)采集地面影像數(shù)據(jù)，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量，進(jìn)而生成高精度實(shí)景三維模型，并通過(guò)地理信息工作站獲取測(cè)區(qū)地形地貌數(shù)據(jù)，將地形地貌數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)開(kāi)挖線進(jìn)行套合，測(cè)算工程土方量，規(guī)劃大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)布置以及進(jìn)出場(chǎng)道路，如圖5所示。

利用GIS技術(shù)快速計(jì)算項(xiàng)目土石方，進(jìn)行土方平衡調(diào)配，為項(xiàng)目決策提供依據(jù)。該項(xiàng)目共需挖方量為79 380.9 m3，共需填方量為758.4 m3。

3.3 鋼筋自動(dòng)化加工

由于項(xiàng)目鋼筋規(guī)格數(shù)量多，為節(jié)省成本，可建立相應(yīng)的數(shù)控模型，在輸入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)后，快速生成鋼筋模型并出具下料單，精準(zhǔn)控制下料長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)鋼筋數(shù)控加工。利用ProStructure軟件對(duì)鋼筋快速建模，并用鋼筋模型生成鋼筋大樣表單和智能鋼筋加工設(shè)備識(shí)別的下料單，自動(dòng)對(duì)鋼筋原材進(jìn)行切割、彎折和焊接。

3.4 三維技術(shù)交底

傳統(tǒng)的平面施工圖技術(shù)交底不夠直觀形象，而B(niǎo)IM技術(shù)具有可視化優(yōu)點(diǎn)，采用BIM技術(shù)對(duì)施工方案進(jìn)行三維技術(shù)交底，可將各施工步驟、施工工序之間的邏輯關(guān)系直觀地進(jìn)行展示，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的理解能力，以提高施工的安全可靠性與可實(shí)施性。

根據(jù)方案內(nèi)容編制三維技術(shù)交底動(dòng)畫(huà)及布序圖，形成圍堰、承臺(tái)等施工三維技術(shù)交底書(shū)及視頻，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)負(fù)責(zé)人以視頻、交底書(shū)、二維碼的形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維交底，最大限度地幫助施工人員理解施工工序和施工注意事項(xiàng)，高效地完成各項(xiàng)施工任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)精細(xì)化的BIM建模分析，提前發(fā)現(xiàn)了原始圖紙中的若干問(wèn)題，避免了因圖紙錯(cuò)誤或誤差而導(dǎo)致的施工質(zhì)量問(wèn)題。

（2）利用GIS技術(shù)快速計(jì)算項(xiàng)目土石方，進(jìn)行土方平衡調(diào)配，為項(xiàng)目決策提供科學(xué)依據(jù)。

（3）針對(duì)傳統(tǒng)施工圖技術(shù)交底不夠直觀形象的問(wèn)題，采用BIM技術(shù)對(duì)施工方案進(jìn)行三維技術(shù)交底，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的理解能力，提高了施工安全可靠性與可實(shí)施性。

參考文獻(xiàn)

［1］毛遠(yuǎn)遠(yuǎn).張吉懷鐵路古陽(yáng)河特大橋施工BIM技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2021.

［2］徐 照，徐春社，袁競(jìng)峰，等.BIM技術(shù)與現(xiàn)代化建筑運(yùn)維管理［M］.南京：南京東南大學(xué)出版社，2018.

［3］郭偉平. BIM技術(shù)在大跨度疊合梁斜拉橋施工中的集成管理應(yīng)用［J］.中國(guó)公路，2021（11）：119.

［4］邱志軍，鞠興華. BIM技術(shù)在禹門(mén)口黃河公路斜拉橋施工中的應(yīng)用研究［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（4）：160-164.

［5］宋關(guān)福，陳 勇，羅 強(qiáng)，等. GIS基礎(chǔ)軟件技術(shù)體系發(fā)展及展望［J］.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2021，23（1）：2-15.

［6］劉 建.基于BIM的鋼管混凝土拱橋可視化施工技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

［7］曹 靜，魏家紅.GIS技術(shù)的特點(diǎn)及其在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（2）：47-49.

［8］林曉東，李曉軍，林 浩.集成GIS/BIM的盾構(gòu)隧道全壽命管理系統(tǒng)研究［J］.隧道建設(shè)（中英文），2018，38（6）：963-970.

［9］孫 輝，李雍友，王偉寧，等.BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2019（3）：67-69.

［10］王同軍.基于BIM技術(shù)的鐵路工程建設(shè)管理創(chuàng)新與實(shí)踐［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2019，41（1）：1-9.

［11］曹 杰.基于GIS技術(shù)的無(wú)錫近代園林空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2018.

收稿日期：2022-11-20