基于北斗的3S和BIM技术在铁路施工中的应用

荆灵玲

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

铁路工程建设是一项复杂长期的系统工程[1]，它具有显著特点，如建设周期时间久，需多方参与和协调；建设技术标准高，施工管理复杂；施工安全与质量管控责任重大；施工进度管理水平要求高等。基于这些特点，该领域迫切需要以3S+BIM为技术核心，综合应用北斗卫星定位，智慧物联及移动互联等新一代信息技术，完成施工过程及试验现场数据的自动采集和信息互联，构建铁路建设施工综合管理的信息化平台。

信息化平台将铁路设计部门的BIM模型和数据作为平台的信息数据输入部分，融入平台提供的GIS地理信息系统，以及来自于卫星和航空遥感（RS）、高精度卫星导航定位（GNSS）等空间信息，进行高度融合、交互协调与信息互动，实现精准展示与过程控制。利用3S+BIM技术提供标准规范的设计模型，实现铁路施工阶段信息的数字化表达，同时结合物联网智能技术对机械设备、施工过程的关键环节进行及时监控，达到数字化施工的目的，通过分析采集的数据对设计和施工进行优化处理。

1 基于北斗的3S+BIM技术

3S是指卫星导航定位系统（GNSS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）。通过利用GNSS系统（包括北斗导航定位系统、GPS、Glonass、Galileo等），统一铁路勘察设计、施工建设和运营维护的坐标基准。通过卫星遥感（RS）和无人机遥感对施工现场进行地形和地质地貌、地面建筑物等情况的地理信息采集，并建立三维地理信息系统（GIS）平台，为后面融合BIM模型、模拟施工环境、现场拆迁控制，以及数字化施工打下基础。GIS技术可实现数据展示和管理，并根据需要提供分析功能，达到智能化、数字化管理。GIS作为整个全线数据整合集成的引擎平台，将各阶段数据进行统一管理，并通过应用平台进行大数据分析挖掘，为铁路建设运营提供专家决策依据。

BIM技术能够通过模型的形式呈现出建筑信息，对数据进行联动处理，效果更加直观，也更容易展现管控的信息[2]。利用BIM技术生成勘察、设计、施工、生产等阶段的BIM大数据，例如建立铁路施工模型BIM，按照铁路设计各种专业完成的线路、路基、站房、桥梁、隧道等制作出模型[3]，依据这些数据进行分析和使用，实现施工进度模拟、施工工艺模拟、施工过程BIM模型调整、工程量统计和竣工模型等[4][5]。同时，采用无人机技术对数据进行自动采集，联合BIM进行对比，考察施工是否依照设计图施工，及时发现施工问题[6]。

北斗卫星导航定位系统BDS（BeiDou Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，为全球四大卫星导航系统之一[7][8]。其在交通测绘、运输、海洋、灾害预报及其他特殊行业均有着广泛应用前景[9]。随着导航接收机性能及数据处理技术的不断发展，北斗高精度定位技术广泛应用于铁路勘察设计、施工建设等各个阶段，它与3S+BIM技术相互融合、相互结合，在铁路工程全寿命周期各个阶段发挥着不同的重要作用[10]。

2 基于北斗的3S+BIM技术在铁路施工应用的总体框架

通过北斗卫星授时和高精度定位技术，提供精准、可靠、快速的时间和定位坐标体系，在铁路北斗地基增强系统网的基础上，利用3S技术搭建应用平台，实现铁路工程建设施工过程管理应用，如图1所示。

图1 基于北斗3S+BIM技术在铁路施工建设应用总体框架图

该应用可实现铁路工程设计当中各种主流BIM软件的协调、融合和信息共享；可实现多源遥感数据融合，多系统高精度卫星导航定位等空间信息与GIS地理信息系统空间信息（3S）的采集、存储、管理和分析应用的平台；可实现BIM与3S的融合、综合展示与应用的平台；可对人、车、物等移动目标提供全面位置管理与服务的平台；可实现对铁路路基沉降、滑坡等地质灾害进行高精度监测预警的平台；可实现手机等移动客户端的管理，以及与监控中心实时信息互动交流的平台；可实现移动体与固定端视频影像集中监控管理的平台；可以提供通过VR技术，模拟铁路工程建设由勘察设计到施工过程，直到交工验收的各个关键环节的环境情况的虚拟现实平台；平台具备兼容性，可以与铁路现有多种系统对接。

3 基于北斗的3S+BIM技术在铁路施工中的应用

3.1 高精度施工基准网

首先建立工程施工基准控制网，应用北斗CORS网技术，与前期勘察设计基准网融合，或数据融合，为工地测量、放样、打桩、表面检查、厚度检查、土方计算等施工流程打下基础，在此基础上，可以利用专业软件可以引入3D数据设计功能，实现工地任意点放样、涵洞放样、边坡放样、任意点打桩，实时检查厚度、土方计算等，减少90%的内业计算量；同时，还可以实现现场任意点补桩、厚度检查、坡度检查、标高检查。利用基准控制网做好交接桩点的复测与复核，完成中线、高程的控制测量，确保工程的定位精准。

将建筑物及其施工现场3D模型与施工进度、资源、安全、质量、成本以及场地布置等施工信息相集成，形成基于BIM的施工进度、施工资源及成本、施工安全与质量、施工场地及设施的4D管理、实时控制和动态模拟。

3.2 三维可视化展示

通过卫星遥感和无人机遥感对施工现场进行地形和地质地貌、地面建筑物等情况的地理信息采集，将设计好的铁路三维模型数据导入三维地理信息系统（GIS）平台，实现铁路全线路的漫游浏览，三维可视化展示，还能实现信息查询及分析功能。为后面融合BIM模型、模拟施工环境、现场拆迁控制，以及数字化施工打下基础。

3.3 施工组织

通过对施工程序模拟计算，得出工期、人力、机械、场地等资源的占用情况和材料消耗情况等，可对施工工期资源配置及场地布置进行优化。

3.4 施工图纸审核及方案对比优化

利用BIM模型，进行碰撞检测分析，验证设计合理性，可以提前发现结构、钢筋等各单专业图纸设计问题；解决通过传统方法二维审核图纸的遗漏、不及时、不全面、效率慢的问题，提前控制并改正；同时还可以进行模拟现场核对，并优化设计。例如站房模型设计，通过BIM工具快速生成站房模型，对比站房造型及环境适应性，选取最优方案。基于BIM模型，对站房的人体舒适度、室内日照可视化、室内风环境等进行分析，完成站房设计方案优化。

3.5 数字化施工

通过构建北斗卫星定位、无线网络覆盖的施工现场，实现数字化测量、数字化机械施工和施工过程的智能化。联合无人机技术加载智能机械，实现施工作业数据采集的自动化处理，数据与设计BIM模型信息进行详细对比，可及时发现施工过程中问题，全面监督施工过程。同时，结合BIM场地地形、地质等模型，科学精准并智能地指导机械设备施工，有效提高工作效率，保证施工质量。

路面施工信息化管理系统集成北斗卫星高精度定位技术、无线通信技术、传感器技术、大数据分析处理技术于一体，可实现对路面施工的各个环节，如碾压、摊铺、混合料运输、拌合站数据管理等过程实时连续可视化引导与管理，向业主方、施工方、监理方和操作机手提供及时精确的施工过程信息，实现对路面施工过程的实时化、全数字化控制和综合管理。路面施工信息化管理系统如图2所示。

图2 路面施工信息化管理系统

3.6 施工质量管理

集成各类传感监测设备，各类数据远程自动上传，在三维场景中实时展示出各个监测设备的监测数据，并在软件中备份查询。如通过北斗定位及传感器监测技术，实现对桩长、桩身垂直度、提钻速率的实时监测，有效提高桩基施工质量；对连续梁线形及偏差进行监测，辅助进行连续梁结构分析和后续施工控制，确保合龙线形符合设计要求；基于轨道板精调小车，实测平面位置及轨面高程，指导轨道调整；通过自动张拉设备，实现张拉过程一键全自动控制，提高预制梁工程质量；研发专用无缝线路施工装备，在施工时自动监控轨温、气温，判断施工方法和钢轨拉伸量，实时监控拉伸、撞轨等过程。

另外，可以在施工机械上加装监测设备，监测设备常用的有北斗定位天线、数据传输模块、激光测距和测位移传感器等，通过监测设备采集施工作业过程中的具体参数信息（如：质量和工艺参数）。并将实时采集的信息展现在监控平台上，通过不用颜色的图形展示，异常数据凸显。这种方法可以及时发现施工过程中的薄弱环节，监管部门需要重点检查和关注。

对混凝土拌合站监控，事前试验，确保材料配比合理；事中监控，时刻掌握配比和拌合时间数据，是否达标一目了然；事后把关，进行多维度数据分析，寻找施工过程中的不足之处，不断改进，为后续生产提供经验。

3.7 施工安全管理

利用北斗云平台，集成视频监控系统，可在模型上自由放置监控点，现场施工情况一览无遗。在不同标段、工程间切换，可快速了解现场不同项目的实时施工进展情况，及时发现安全隐患。可实现线路外业量测数据的实时采集、测点变形的实时预警，方便及时掌控沉降变形情况；在全站仪量测作业的同时，针对变形速率和累计变形量实行双控报警，大幅提高隧道施工风险管控能力；对人员档案进行信息化管理；对危险岗位人员，在数量、在岗情况、从事工种等方面进行管理。

基于北斗的铁路沿线地质灾害监测系统主要有北斗位移监测系统、地下水位和土壤含水率监测子系统、降雨量监测子系统、地裂缝监测子系统等，能实现自动化监控，实时数据回传功能，在线分析功能，预报警功能，综合调度功能和北斗通信功能等。

4 结束语

本文重点探索了铁路施工过程中3S与BIM集合的总体框架，该框架结合了3S技术的定位能力、遥感监测能力、时空分析能力、可视化能力和BIM技术的微观精细化建模能力，可以更好地实现铁路施工过程中的信息化、数字化、可视化，有效地提升施工过程管理水平。在3S技术与BIM技术的结合方面，本论文阐述了高精基准网、施工组织、方案审核优化、质量管理、安全管理、可视化和决策各个环节的应用。3S和BIM技术优势的结合，为铁路施工的智能化提供了技术支撑。