三维GIS+BIM技术在大型复杂枢纽工程施工管理中的应用研究

牛海波 张玉明

摘要：现代随着科技的发展，互通枢纽的设计偏向于空间交叉结构复杂，层数多、匝道交叉口多等特点，同时枢纽往往要跨越既有交通路线，这样就带来了施工组织难度高等问题，中大型互通枢纽的施工组织管理尤其复杂。因此，此类中大型枢纽工程的施工方案如何组织，项目成功的的关键目标所在。

浙江省杭州湾大桥北接线（二期）工程TJ03合同段洪溪枢纽工程为混合型枢纽式互通立交，与东侧的申嘉湖高速相连组成复合式互通，枢纽位于杭嘉湖平原村镇交叉部，地方道路、河流、沟渠纵横交错；同时与高压线、12处与西气东输、川气东送燃气管道相互交叉以及5处上跨申嘉湖高速施工，其中位于申嘉湖高速中分带位置的桥梁下部结构施工、跨高速孔位梁板安装施工以及后期桥面系施工直接影响申嘉湖高速的安全运营。

通过采用三维GIS技术结合BIM技术在本项目的应用，实现在地球空间中集成项目路基、路面、桥梁、立交枢纽及沿线设施的三维模型以及投资/成本、计划进度、质量、安全、物资、计量、视频监控等信息，形成项目多维BIM信息，为各级用户和项目管理者生动、形象、直观、可视化的呈现工程的三维形象和周围地貌的空间场景，项目工程的形象进度、质量安全的监控信息，物资的追溯信息等，为管理者决策和指挥提供支持。

关键词：枢纽三维GIS BIM项目管理

建设现代交通，是社会民生与经济发展的必经之路，也是国家推进发展全局战略的迫切要求。为了适应国际经济新格局的变化，推进中国经济的发展，国家提出“一带一路”的战略思想。为了发挥现代交通在经济发展全局中的带动作用，利用GIS+BIM技术等技术手段是实现交通现代化的重要基础。

随着国家五纵七横高速公路网的建成和省级高速公路网的完善，新建道路中互通枢纽工程越来越多，所占比重越来越大，互通枢纽工程的复杂性往往成为整个工程进度管理、质量管理、安全管理的重点监控对象。

现代随着科技的发展，互通枢纽的设计偏向于空间交叉结构复杂，层数多、匝道交叉口多等特点，同时枢纽往往要跨越既有交通路线，这样就带来了施工组织难度高等问题，中大型互通枢纽的施工组织管理尤其复杂。因此，此类中大型枢纽工程的施工方案如何组织，项目成功的的关键目标所在。

随着高速公路网建设的不断完善，未来工程中类似于洪溪枢纽的互通枢纽工程将越来越多，本项目的研究成果可以全面推广应用到互通枢纽及地形复杂的山区高速公路建设中。

一、洪溪枢纽工程特点

浙江省杭州灣大桥北接线（二期）工程TJ03合同段洪溪枢纽工程为混合型枢纽式互通立交，与东侧的申嘉湖高速相连组成复合式互通，枢纽位于杭嘉湖平原村镇交叉部，地方道路、河流、沟渠纵横交错；同时与高压线、12处与西气东输、川气东送燃气管道相互交叉以及5处上跨申嘉湖高速施工，其中位于申嘉湖高速中分带位置的桥梁下部结构施工、跨高速孔位梁板安装施工以及后期桥面系施工直接影响申嘉湖高速的安全运营。

洪溪枢纽工程的特点与难点：

（1）枢纽施工范围多处横穿地方道路、高压线路及地方河道，施工环境条件复杂；

（2）枢纽规模大，匝道8条，施工工序平面及空间交叉复杂；

（3）枢纽以桥梁施工为主，有钢混叠合梁、现浇箱梁以及预制小箱梁，其中预制箱梁板种类繁多、规格多样，需精准安排施工；

（4）枢纽内路基施工均需进行软基处理，有效控制路基填筑沉降是路基施工质量控制的重点；

（5）枢纽内施工路线与燃气管线存在12处下穿交叉，5处上跨申嘉湖高速施工，申嘉湖高速两侧路基拼宽施工，施工过程中均存在较大安全风险。

二、三维GIS及BIM介绍

（一）GIS介绍

GIS（Geographic Information System，译为“地理信息系统”。GIS是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统[1]。

三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的二维GIS或2.5维GIS明显不同，三维GIS已经广泛应用于智慧城市与交通工程、采矿、地质和石油领域。采用三维GIS技术结合BIM技术在交通工程应用，实现在地球空间中集成项目路基、路面、桥梁、涵洞、隧道、立交及沿线设施的三维模型以及投资、计划进度、质量、安全、物资、计量、视频监控等信息，形成项目多维BIM信息，能够为各级用户和项目管理者生动、形象、直观、可视化的呈现工程的三维形象和周围地貌的空间场景，项目工程的形象进度、质量安全的监控信息，物资的追溯信息，农民工的分布等，为管理者决策和指挥提供支持。

（二）BIM介绍

Building Information Model（或Modeling）译为“建筑信息模型”，美国国家BIM标准（National BIM Standard）BIM定义是设施的物理和功能特征的数字化表示，可以用作设施信息的共享知识资源，成为设施全生命期决策的可靠基础，继CAD技术之后建筑行业信息化最重要的新技术。

BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。借助这个包含建筑工程信息的三维模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台[2]。

美国是首批应用BIM的国家之一。2002年以来，BIM技术发展迅速，不仅仅体现在工程领域，美国很多政府部门也积极应用BIM技术来协助他们的工作。

2010年，日本的国土交通省宣布推行BIM技术，在日本，BIM应用目前已扩展到全国范围，并上升到政府主导层面。

欧洲、韩国也有多家政府机构致力于BIM应用标准的制定。

我国对BIM理念和技术的应用研究是从新世纪才开始的，到目前为止仍然处于初级阶段。从引入到现在，BIM技术在国内的应用还处在探索中。住建部《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》中，BIM技术被列为重要的推广应用技术，2015年7月2日，住建部印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，要求到2020年年底，建筑行业甲级勘察、设计单位以及特级、一级房屋建筑工程施工企业应掌握并實现BIM与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用[3]。

三、洪溪枢纽三维GIS+BIM应用介绍

（一）本项目应用关键技术

本项目以三维地理信息系统（GIS）为核心建设BIM管理的展示平台，主要涉及以下几方面技术的整合与集成：

（1）建立洪溪枢纽工程三维场景空间对象数据库，呈现洪溪枢纽工程路基、路面、互通立交、附属设施等公路交通基础设施及其周围地貌，提供三维漫游、飞行浏览、快速定位、图层管理、信息查询、数据编辑、空间测量、空间分析、数据管理、三维可视化设计等功能，将分散的地理信息资源和建筑模型整合在统一的平台之上，并进行充分的挖掘、加工和利用，为项目建设管理提供可视化服务。

（2）以三维数字模型建模技术为依托，依据设计图纸，通过Autodesk 3DMAX、Autodesk Revit等软件对道路全线进行工程部位多级分层三维建模，并将三维模型放入地理信息系统中，依托二三维GIS引擎平台进行加载、组合、渲染、展示。

（3）依托视频流媒体技术，对于安装了现场监控设备的施工点，在三维场景中集成现场视频采集设备的接口，并获取实时监控画面。

（4）依托工作流管理技术，对施工过程中的审批流程提供发起、审批、审核等功能支持，并依托数据库技术将流程状态、表单、结果与工程部位进行绑定，提供便捷的搜索、查看功能。

（5）依托海量数据存储技术将工程项目涉及的海量数据进行统一存储规划管理，对领域内部信息与共享信息的分类管理、双向交换、有效利用提供技术支撑。

（6）依托数据库技术将成本、计划、进度、质量、安全、计量等相关数据、文档、表单与工程部位进行集成，并结合三维工程模型，形成多维立方体分析模型，为项目管理提供数据支撑以及便捷的文档搜索、查看功能。

（7）依托数据仓库技术，根据统一的标准为数据信息分专业、分阶段、分类别构建组织形式，建立数据中心，对数据信息的收集、分析、整合、交换、共享、管理提供支撑。

（二）三维GIS+BIM应用重点研究

（1）建立全线三维空间场景及BIM模型

建立工程沿线的三维场景，加入周围已有道路、管线、管道、河道、高压线等实际环境数据，可以直视相互碰撞或干扰情况，优化设计方案。

对本工程工程实体工程精确到分项工程进行精细化建模，点击构件可显示相关构件属性，包括但不限于构件尺寸、材质、材料信息、资料信息、进度信息。

可以标示出设计方提供的地质分层信息，可观察桩基不同深度土层情况。

根据设计数据导入，模拟出构件平面及空间位置，显示几何尺寸、标高、坐标等数据，核查设计图纸中的平面空间位置数据未标注或矛盾点情况，发现设计遗漏、错误或不规范等问题。

可对施工计划以及施工组织设计进行4D模拟，直观可视现场施工实际进展情况。

（2）基于三维BIM模型的进度管理

将4D模型细化到每月计划的施工工序内容及相对应的计划工程量，并根据现场实际进展情况进行计划反馈和更新，动态展示总体进度计划[4]。

可视化实际各项工序的进展情况，通过对比和分析，便捷获取进度的超前和滞后状态以及完成工程量的差异状态，提供相关进度分析数据，根据不同时间点现场推进情况优化进度组织方案[5]。

通过进度计划时间安排，预警施工进度计划与管线保护、迁移时间，梁板安装与下部结构施工周期，跨高速施工周期与重大节假日等时间节点。

（3）基于三维BIM模型的质量管理

通过连接外挂每个构件对应钢材、钢绞线、水泥、锚夹具、波纹管等原材料质保单信息。通过连接外挂每个构件对应地材、钢材、钢绞线、水泥、锚夹具、波纹管等原材料试验检测及抽检信息。通过连接外挂每个构件对应混凝土强度报告、钢筋保护层检测信息。

采用不同颜色显示单个构件的质量合格或不合格情况。

链接现场工序验收表、影像信息等，直观反映各道工序质检施工人员、监理人员信息以及验收结果情况。

（4）基于三维BIM模型的安全管理

针对本项目重点安全防控区域，安装视频监控系统，远程查看现场动态。设置重点安全区域的红线指标，在达到红线范围时具有平台预警功能。

（5）基于三维BIM模型的成本管理

采集各时间段的进场材料及库存材料数量，与之对应时间点的实际完成构件所需材料对比，及时掌握现场材料盈亏情况。对比设计用量与实际用量情况，分析偏差原因，优化施工工艺。

（6）基于三维BIM模型的施工模拟

对不同部位与管线交叉处施工组织方案先期进行虚拟演示对比，择优制定施工方案。通过对不同施工及交通组织方案的虚拟演示，优化和改进现场施工方案，减少施工安全风险。根据施工组织方案模拟现场大型机械设备布置、临建设施布置模拟，优化施工工序。根据BIM空间坐标信息，结合GPS坐标进行精确放样。

四、结束语

本项目通过三维GIS+BIM平台的在中大型枢纽工程中的应用研究，解决了中大型枢纽工程中在传统施工项目管理中平面化数据的困扰，通过构建三维GIS空间场景结合精细模型，良好的解决了枢纽施工与地方道路、高压线路及地方河道的空间可视化布局；通过BIM精细建模，有效的对预制箱梁板种类繁多、规格多样的问题进行了构件化属性管理；通过BIM施工模拟技术，精确模拟了上跨申嘉湖高速施工现场，有效避免了施工安全风险。

GIS+BIM技术以形象的三维空间场景加三维模型作为工程的信息载体，方便了建设项目各阶段、各专业以及相关人员之间的沟通，减少了建设项目因为信息过载或者信息流失而带来的损失，提高了建设项目相关工作效率以及整个建筑过程的效率。

参考文献：

[1]刘明皓.地理信息系统导论.重庆：重庆大学出版社，2009.10：1-21.

[2]韩维纲.基于信息技术进步及管理模式创新的BIM应用与发展方向.福建建材，2013-01-20.

[3]住房与城乡建设部.印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》.

[4]熊焕军.基于BIM的大型施工项目管理技术研究.2016.

[5]季辰.BIM技术在港口工程施工进度管理中的应用研究.2016.

（作者单位：浙江交工宏途交通建设有限公司1

嘉兴交通建设开发有限责任公司2）