BIM+GIS技术在公路工程中的应用研究

何 鑫

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

随着国民经济的快速发展，“互联网+”的概念正式提出后便迅速发酵。各行各业都试图利用互联网思维来促进行业发展，公路工程行业也不例外。然而随着BIM技术的不断发展及公路工程的不断深化，两种技术单纯地相结合已经无法满足公路工程的发展需要，多技术相结合的理念逐步发展。在这样的背景下，BIM+GIS技术的理念便应运而生。

1 工程概况

本研究以山西某高速桥梁隧道工程为例，该工程是山西省高速公路网的重要组成部分。工程路线全长96.362 km，全线采用双向四车道高速公路标准，包含桥梁117座，涵洞136道，隧道11座。该项目结构复杂、工序较多，施工难度大，安全质量和监控要求高，管理协调困难。因此采用BIM+GIS的技术，为工程推进提供了一套辅助及优化解决方案。

2 基本技术概述

2.1 BIM技术

建筑信息模型（Building Information Modeling）是指通过构建建筑物的三维模型，并将相关信息数据内嵌入模型中来实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。它不是数字信息的简单集成，而是数字信息的一种应用，可以用于设计、构造和管理的数字方法。

BIM技术是一种基于三维数字技术的工程数据模型，它集成了建设项目的各种相关信息，是工程项目设施的物理和功能特征的数字表达。它可以完整描述工程对象，并在工程生命周期不同阶段管理资源，并提供自动计算、查询、组合和拆分的实时工程数据，工程项目的所有参与者均可使用。BIM技术具有单一的工程数据源，支持工程生命周期内的信息创建管理及全局数据共享等功能。

2.2 GIS技术

GIS（地理信息系统）是一种基于地理空间的数据库。在计算机软件和硬件的支持下，它是通过收集、输入、管理、编辑、查询、分析、模拟和显示与空间有关的数据，并使用空间模型分析方法建立的一种计算机技术系统。GIS可以提供各种空间和动态信息以进行地理研究和决策服务。它植根于地理科学并集成了多种类型的数据，是用于收集、管理和分析数据的框架。它通过分析空间位置并使用地图和3D场景将信息层组织为可视化。

GIS主要由5个元素组成，分别为硬件、软件、数据、人员和方法。硬件为操作GIS的计算机设备；软件为显示地理信息功能的工具、数据分析方法及存储方案，主要有：地理信息输入及处理工具、视觉化工具及图形化界面、支持地理查询分析的数据库管理系统等；数据为相关空间数据和其他数据集合；人员为设计维护及管理相关的用户；方法为良好的设计计划和事务规律。五大元素共同保障GIS的稳定运行。

2.3 BIM+GIS技术的优势

BIM与GIS能跨界相结合，是因为它们有一种天然的互补关系，BIM技术可以开拓GIS技术的应用方向，GIS技术可以参与BIM技术的全生命周期工程管理。

GIS让BIM从微观走向宏观。BIM的整个全生命周期从规划、设计、施工到运维，都是针对建筑本身，但是，周边宏观的地理环境要素也非常重要，比如，修建道路桥梁隧道等都需要兼顾已有的自然环境和人为环境信息。三维GIS研究宏观地理环境，可提供各种空间查询及空间分析能力。在BIM的各个阶段，三维GIS都可以为其提供可视化展示、管理、决策支持等技术方法。通过BIM+GIS技术，大大拓展了BIM技术的应用领域和应用周期，尤其可以将设计、施工阶段积累的BIM模型数据，继续运用在后期运营维护阶段中，有效延长了BIM数据的应用周期。

BIM将GIS从宏观带入微观。通过BIM模型数据在工程设计和施工阶段的应用，能为GIS应用提供很好的数据支撑。BIM模型数据与传统的3D Max模型数据相比，具有语义完整、属性全面、数据精细、精度更高等特点，可以满足GIS应用中精细化管理的需要。此外，在空间数据分析领域，BIM模型数据也为GIS应用提供更加完整的拓扑结构数据，对GIS技术的深入应用支持甚多。

3 BIM+GIS技术的应用

3.1 桥梁隧道周围地形等高线分析

等高线是指由地形图上等高的相邻点形成的闭合曲线。通过将地面上具有相同高度的点连接起来并垂直投影到水平面上而形成的闭合曲线，并在图形上按比例缩小以获得轮廓线。

本研究结合GIS技术将该工程桥梁隧道BIM模型嵌入地形中，并通过相关地形数据对桥梁隧道周围地质地形进行等高线分析，掌握整体地形结构，直观展现桥梁隧道周围地形的高差等信息，明确桥梁隧道周围地形的实际情况，便于整体工程的把控，如图1所示。并在等高线分析的基础上对工程周围地质地形做地面线提取，明确整体地形走势，确定施工难易度，如图2所示。

图1 桥梁隧道周围地形等高线分析

图2 桥梁隧道周围地形地面线提取

3.2 隧道周围地质围岩可视化交底建模

结合隧道专业设计建立地质围岩数据库，该数据库包含地质属性、空间位置、勘察数据等信息，并根据该信息生成分层地质模型。并通过二次开发逐步优化三维地质模型进度，完成对地质模型的修正及局部重构功能，以满足专业隧道施工图设计的要求。

通过对该工程隧道周围地质围岩进行可视化交底建模，明确不同里程段地质结构，并用不同颜色标识，如图3所示。通过对不同地质围岩的分析，可以为工程整体布局提供决策依据，并根据综合分析结果，合理布局隧道，减轻施工难度，节约施工成本，为建设和使用创造更加便利的条件。

图3 隧道周围地质围岩可视化交底建模

点击不同颜色的围岩，可对其进行剖面分析，按照选择线顺时针90°方向的法线进行剖切，剖切宽度为选择线长度，剖切深度为选择线长度的1/2，如图4所示。

图4 隧道周围地质围岩剖面分析

3.3 工程周围地质汇水面积分析

汇水面积是指流到同一山谷地面的雨水覆盖的区域。穿越河流和山谷道路必须建造桥梁和涵洞，修建水库则必须建造水坝用以阻水。这时就需要根据该地区的降水量和汇水面积来确定桥梁涵洞孔径的大小，坝的设计位置和高度以及水库的储水量等信息。

本研究结合GIS技术对该工程周围地质汇水面积进行分析，明确桥梁涵洞孔径的大小，确定桥梁隧道设计方案，掌握工程整体走势，为后续工程施工提供依据，如图5所示。

图5 工程周围地质汇水面积分析

3.4 征地拆迁管理

相比传统征地拆迁管理方式，通过采用BIM+GIS技术的征地拆迁管理方案，能够显著提高征拆进度计划管理水平。该工程通过采用GIS数据生成工具来转换在土地征用和拆迁详细调查期间生成的数据，并将详细调查指标同在GIS中显示的矢量数据相关联，当用户查找对应详细信息时，通过单击对应矢量数据即可完成。

上述管理方式与传统的征地拆迁管理方式的不同之处在于，采用BIM+GIS技术的征地拆迁管理方案可以精确掌握所有征拆对象的实际情况，并对相应的施工进度进行预警，为征拆对象与工程进展提供有效的数据支撑，从而节约征地拆迁成本。图6中曲线标识的部分为占地边界线，即为该工程需要征地拆迁的部分。

图6 征地拆迁管理

3.5 隧道施工进度显示

根据该工程施工单位提供的隧道施工进度表，分别生成项目左线隧道，右线隧道和服务隧道的施工进度文件，并将隧道BIM模型与施工进度文件相关联，匹配组件的实际施工进度和计划进度。通过设置隧道施工进度显示，采用不同颜色标识隧道的施工进度情况，便于管理人员安排工期及宏观控制施工进度，如图7所示。

同时引入当前隧道内施工工作人员身上的传感器数据，对工作人员位置及基本信息进行实时显示，明确人员定位，如图8所示。当隧道内存在安全隐患时，可及时通知人员撤离现场，若发生事故时，可第一时间展开救援。

图7 隧道施工进度显示

图8 隧道施工人员实时定位

3.6 施工现场视频实时监控

将现场视频与GIS技术相融合，可实现广域范围内的三维地理信息可视化，提升了视频的智能化和数据化，对空间定位和精度分析具有重要的研究意义，对工程的施工管理具有重要的应用价值。

该工程施工现场视频监控系统通过本地语音警告和远程无线视频监控施工现场的情况，监管工程进度及现场施工条件，规范施工作业，责任落实到位，当发现问题时能做到及时处理，最大限度地消除安全隐患，保障施工人员的生命安全，如图9所示。

图9 施工现场视频实时监控

3.7 基于倾斜摄影的施工场地VR漫游

倾斜摄影是一个集成了数据收集，数据处理和数据生成过程的高新技术。通过有效的数据收集和专业的数据处理，可以生成高精度的三维模型，并将现实世界中的对象复制到计算机中。

VR技术即虚拟现实技术，是一种基于人类视觉和听觉的生理及心理特征，由计算机生成逼真的三维图像。用户通过佩戴诸如头盔显示器和数据手套之类的交互式设备，将自己置于虚拟环境中并成为虚拟环境的成员。用户与虚拟环境中各种对象之间的交互仿佛在现实世界中一样。虚拟环境中的图像和声音会随着用户头部的移动而实时更改，通过手部移动，可以实现拾取物体并跟随移动的操作。在虚拟环境中，用户会感到十分逼真并具有身临其境的感觉。

本研究将GIS技术与倾斜摄影相结合，采用VR技术手段生成施工场地环境，直观地表现施工场地地形、场地布置等实际环境。管理者通过手机、VR眼镜等设备即可实现沉浸式的三维视景自主浏览，并根据需求在场景中调取信息，提高工程管理者的工作效率，降低工作难度，如图10所示。

图10 基于倾斜摄影的施工场地VR漫游

4 结论

硬软件技术的不断发展及数字社会的建设需要，为BIM+GIS技术的结合创造了机会。本文结合山西某高速桥梁隧道工程，分析研究BIM+GIS技术在该工程施工管理中的应用，为工程提供了更加清晰的信息传递和更为直观的技术交底，对该工程施工管理的顺利开展具有积极意义。