BIM和GIS技术在某高速公路施工建设管理中的应用★

2020-11-30王维高聂上森

山西建筑 2020年23期

王维高朱明赵见聂上森

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017)

BIM(Building Information Models，建筑信息模型)以三维技术为基础，通过建立精确的模型，绑定工程全生命周期真实的信息，实现项目实体与信息一体化，有效提升管理效率与水平[1]。

GIS(Geographic Information System，地理信息系统)，是在计算机软硬件系统的支持下，通过采集、存储、检索、管理、分析和描述空间物体的定位分布以及其相关的属性数据的一类计算机系统[2]。GIS通过对海量数据进行获取、存储、管理、分析，实现大范围地理空间的呈现。

BIM技术和GIS技术的集成，实质上是建筑设施微观模型信息和宏观信息的关联整合[3]，通过BIM技术和GIS技术的融合，最终实现真正的数字化管理。BIM中包含了大量的高精度几何信息、设计信息以及施工信息，GIS中又包含了影像，地形等大范围地理信息。BIM和GIS的融合使多领域的深化协同成为可能，如水利工程、铁路桥梁、地下管网等公共设施建造分析、城市规划、市政模拟等诸多领域[4]，可以预见二者的融合也是未来发展的趋势。

传统的施工建设管理过程具有周期长、涉及人员广等特点，沟通与协调工作一般要浪费大量的人力物力，BIM和GIS技术在高速公路施工建设管理阶段的使用，能够有效解决这些问题，同时还能够提升效能、提高质量、降低成本。

1 工程概况

某高速公路项目全长203.21 km，采用双向四车道设计标准，时速80 km，路基宽度24.5 m。其项目沿线地形包括丘陵、谷地、山地以及高原前缘。受地形影响，桥隧等结构物较多，桥隧比高达41.73%。项目全线气温分部呈垂直分带性，即谷地炎热高山凉爽。项目工作区内植被茂密，沟谷纵横，侵蚀构造地形较多，岭谷高差较大。路线经过区水系分布呈枝杈状，河床附近切割深度较大，水面单位距离落差大，不同季节水域流量差别大[5]。

该公路项目建成以后将有利于带动成都、攀西、川南三大经济区之间的交流，使沿线经济随路而动，促进旅游、矿产、生态等资源的融合，为实现经济一体化创造条件。

该项目的信息化部分试点形的引入了BIM和GIS技术，通过协调设计单位、业主单位、施工单位等力量，实现了多方数据共享、协同办公的功能。

2 应用介绍

公路项目一般分为规划、设计、施工、运营等阶段，该项目中BIM和GIS技术针对性的应用在施工阶段，其中涉及到部分设计阶段的数据应用。在项目中利用真实的三维模型，绑定设计阶段以及施工阶段的数据进行呈现和应用，实现了施工全过程、全方位的监督与管理。如图1所示，系统采用将各种数据采集到GIS和系统平台中，在系统各模块中对数据进行使用。

系统中数据按来源可分为设计数据、施工数据、BIM数据以及地形影像数据几部分。按照类型可分为几何数据和属性数据两部分。系统中采用GIS平台和自研系统平台分别承载几何数据和属性数据，并且通过业务逻辑实现了几何数据和属性数据的绑定。在GIS平台和自研系统平台的框架下，以设计数据、施工数据、BIM数据、地形影像数据为基础，重点研究了电子沙盘、征地拆迁、形象进度、隧道围岩、设计资料管理等几个方面的应用。

2.1 电子沙盘

电子沙盘功能中结合航空影像、倾斜摄影、激光点云等多源、多时相、多尺度的空间数据，以三维实景的形式展示路基、桥梁、隧道等全项目全专业的BIM模型信息以及地形地貌信息。电子沙盘为项目的形象化表达、实时监控、科学调度、风采展示等功能提供了有效手段[6]。电子沙盘作为三维可视化平台，既能够直观的反映大范围场景信息，又能反映BIM模型具体细节的各项真实信息。

电子沙盘模块主要用于三维显示、分析等功能，系统中提供的功能主要包含以下几方面：

1)大小场景切换。电子沙盘中能够通过缩放场景，实现对项目不同维度的了解。项目缩放到大场景时，可以形象的表达工程走向，为分析工程难度，工程价值提供直观依据。项目缩放到具体的小场景时，可以形象的表达单个构件的详细信息，为设计复核提供依据，见图2。

2)结构物定位。系统提供了基于桩号，坐标和结构物名称快速定位的功能，能够在三维场景中快速的定位到指定位置，使得使用者能够快速的结合当前位置和周围位置的地形影像数据、BIM数据、设计数据、施工数据等进行系统的、准确的分析。

3)图层管理。图层管理的功能，主要实现图层的透明度设置。通过设置不同的透明度，既能够清楚的展示隐蔽工程的设计形式，又能够直观的检查碰撞情况。

4)视频监控。在电子沙盘中接入视频监控的功能，能够清晰的展示摄像头所在位置，切换到摄像头视角以后，又能实时的显示场地当前情况下的真实场景，该功能为施工建设过程中的安全保驾护航。

5)行车模拟。电子沙盘中的行车模拟模块，以第一视角模拟真实的行车过程，让体验者获得真实的驾驶体验，为道路的驾驶安全性分析提供技术保障。

2.2 征地拆迁

在高速公路施工建设过程中，征拆是一个重要的环节，具有难度大、工艺复杂、施工作业面分布广、环境敏感点多、参建单位及交叉影响因素多等特点[7]，BIM和GIS技术能够针对性的缓解这些问题。使用BIM和GIS技术研发的系统通过方便的导入用地数据、附着物数据以及征拆数据，并将数据关联到地图中，实现征拆对象在地理空间位置、大小和空间拓扑方面的表达。同样系统提供了征拆人员对征拆数据进行维护和更新的功能，便于征拆数据的记录和统计。针对征拆困难的工作，结合地图信息，有针对性的进行挂图作战。图3描述了征拆功能模块。

在征拆模块中重要的功能包括：

1)数据的表达。征拆数据一般分为地块数据和附着物数据两种。其中地块数据一般使用不规则平面几何图形进行表达，附着物数据则情况比较多，可以是点形的房屋，青苗，也可以是线形的输电线。无论是点、线还是面，系统中都采用了GeoJson进行几何的表达，并且将相关属性信息存储到自研系统平台中。

2)征拆数据的维护。征拆数据从数据来源上一般分为两种：一种是设计数据，另一种是施工数据。设计过程中，通过外业调查会形成一份基本的征拆数据，包括公路用地数据、附着物数据以及征拆数据。在施工过程中由于现实情况的变化，征拆数据又会因为实际情况进行调整。因此数据的维护和管理模块中，既支持设计数据结构化直接导入到系统中的方式，又支持施工变更和业主审批的数据管理方式。

3)挂图作战。征地拆迁过程中最耗时的就是拆迁难点问题，BIM和GIS技术的应用能够有针对性的将征拆难点表达到地图上，实现挂图作战的目标。

2.3 形象进度

公路项目具有项目规模大，参建方多，项目管理难度大等特点，进度管理是项目管理中最关键的一环，有效的进度管理可以促进资源合理分配，在确保质量的情况下节约成本[8]。传统方式一般使用甘特图或者进度百分比对项目进度进行表达，但是随着BIM和GIS技术的发展，一种采用真实场景着色的方式表达应运而生。该方法使得项目进度表达更加形象、完善，更具科学性，给项目管理者提供了更直接有效的信息。如图4系统中提供了正在施工、施工完成、预制完成、未完成几种状态的表达，管理者能够在三维场景中一目了然的获得单体结构的施工进度。系统中针对这些状态还提供了统计与汇总的功能，为投资统计，总体项目进度提供数据支撑。

在形象进度的表达过程中，单纯的使用三维场景表达，缺少了一些数据的支撑，使得表达形象具体，但却缺少统计分析的功能，为了达成统计分析的目标，形象进度需要结合统计分析模块使用，在统计分析模块中，可以从全项目、指定标段、指定单位工程、指区域分别对施工进度进行统计并进行表达。

2.4 隧道围岩

施工人员可以通过移动端APP将隧道围岩信息实时录入到系统中，平台结合桩号、坐标等信息，可以将数据融入到GIS平台中，帮助决策者实时的掌握隧道围岩情况，为施工安全快速决策提供技术保障。系统同样提供了隧道围岩智能研判功能，可以自动的对围岩等级及危险情况做出预判预警，帮助施工人员和决策人员尽快做出决策，减少事故发生，见图5。

该高速公路项目中通过使用隧道围岩模块，管理者实现了实时了解隧道开挖面稳定状态、工程地质岩组、岩体完整性、地下水状况、地应力状况、主要软弱结构面产状、围岩变形破坏特征等状态，实时对隧道开发的安装状况进行评估，大大降低了项目实施过程中的危险指数。

2.5 设计资料管理

在施工过程中，施工人员对设计资料的需求是非常强的，传统做法是将设计资料进行打印，在施工现场需要哪些资料查阅哪些资料。在BIM和GIS系统中，则可以提前将设计资料与构件进行绑定，施工人员对该构件有需求时，自动获取该构件关联的设计资料，减少施工人员查阅的工作。同样系统中还可以提供设计资料组织、搜索、更新等基本功能，为快速定位资料提供方便，见图6。