BIM+GIS技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用研究

何 鑫

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念正式提出后便迅速發(fā)酵。各行各業(yè)都試圖利用互聯(lián)網(wǎng)思維來促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，公路工程行業(yè)也不例外。然而隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展及公路工程的不斷深化，兩種技術(shù)單純地相結(jié)合已經(jīng)無法滿足公路工程的發(fā)展需要，多技術(shù)相結(jié)合的理念逐步發(fā)展。在這樣的背景下，BIM+GIS技術(shù)的理念便應(yīng)運而生。

1 工程概況

本研究以山西某高速橋梁隧道工程為例，該工程是山西省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。工程路線全長96.362 km，全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，包含橋梁117座，涵洞136道，隧道11座。該項目結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序較多，施工難度大，安全質(zhì)量和監(jiān)控要求高，管理協(xié)調(diào)困難。因此采用BIM+GIS的技術(shù)，為工程推進(jìn)提供了一套輔助及優(yōu)化解決方案。

2 基本技術(shù)概述

2.1 BIM技術(shù)

建筑信息模型（Building Information Modeling）是指通過構(gòu)建建筑物的三維模型，并將相關(guān)信息數(shù)據(jù)內(nèi)嵌入模型中來實現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能。它不是數(shù)字信息的簡單集成，而是數(shù)字信息的一種應(yīng)用，可以用于設(shè)計、構(gòu)造和管理的數(shù)字方法。

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字技術(shù)的工程數(shù)據(jù)模型，它集成了建設(shè)項目的各種相關(guān)信息，是工程項目設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字表達(dá)。它可以完整描述工程對象，并在工程生命周期不同階段管理資源，并提供自動計算、查詢、組合和拆分的實時工程數(shù)據(jù)，工程項目的所有參與者均可使用。BIM技術(shù)具有單一的工程數(shù)據(jù)源，支持工程生命周期內(nèi)的信息創(chuàng)建管理及全局?jǐn)?shù)據(jù)共享等功能。

2.2 GIS技術(shù)

GIS（地理信息系統(tǒng)）是一種基于地理空間的數(shù)據(jù)庫。在計算機(jī)軟件和硬件的支持下，它是通過收集、輸入、管理、編輯、查詢、分析、模擬和顯示與空間有關(guān)的數(shù)據(jù)，并使用空間模型分析方法建立的一種計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。GIS可以提供各種空間和動態(tài)信息以進(jìn)行地理研究和決策服務(wù)。它植根于地理科學(xué)并集成了多種類型的數(shù)據(jù)，是用于收集、管理和分析數(shù)據(jù)的框架。它通過分析空間位置并使用地圖和3D場景將信息層組織為可視化。

GIS主要由5個元素組成，分別為硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。硬件為操作GIS的計算機(jī)設(shè)備；軟件為顯示地理信息功能的工具、數(shù)據(jù)分析方法及存儲方案，主要有：地理信息輸入及處理工具、視覺化工具及圖形化界面、支持地理查詢分析的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)為相關(guān)空間數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)集合；人員為設(shè)計維護(hù)及管理相關(guān)的用戶；方法為良好的設(shè)計計劃和事務(wù)規(guī)律。五大元素共同保障GIS的穩(wěn)定運行。

2.3 BIM+GIS技術(shù)的優(yōu)勢

BIM與GIS能跨界相結(jié)合，是因為它們有一種天然的互補(bǔ)關(guān)系，BIM技術(shù)可以開拓GIS技術(shù)的應(yīng)用方向，GIS技術(shù)可以參與BIM技術(shù)的全生命周期工程管理。

GIS讓BIM從微觀走向宏觀。BIM的整個全生命周期從規(guī)劃、設(shè)計、施工到運維，都是針對建筑本身，但是，周邊宏觀的地理環(huán)境要素也非常重要，比如，修建道路橋梁隧道等都需要兼顧已有的自然環(huán)境和人為環(huán)境信息。三維GIS研究宏觀地理環(huán)境，可提供各種空間查詢及空間分析能力。在BIM的各個階段，三維GIS都可以為其提供可視化展示、管理、決策支持等技術(shù)方法。通過BIM+GIS技術(shù)，大大拓展了BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用周期，尤其可以將設(shè)計、施工階段積累的BIM模型數(shù)據(jù)，繼續(xù)運用在后期運營維護(hù)階段中，有效延長了BIM數(shù)據(jù)的應(yīng)用周期。

BIM將GIS從宏觀帶入微觀。通過BIM模型數(shù)據(jù)在工程設(shè)計和施工階段的應(yīng)用，能為GIS應(yīng)用提供很好的數(shù)據(jù)支撐。BIM模型數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的3D Max模型數(shù)據(jù)相比，具有語義完整、屬性全面、數(shù)據(jù)精細(xì)、精度更高等特點，可以滿足GIS應(yīng)用中精細(xì)化管理的需要。此外，在空間數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，BIM模型數(shù)據(jù)也為GIS應(yīng)用提供更加完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，對GIS技術(shù)的深入應(yīng)用支持甚多。

3 BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用

3.1 橋梁隧道周圍地形等高線分析

等高線是指由地形圖上等高的相鄰點形成的閉合曲線。通過將地面上具有相同高度的點連接起來并垂直投影到水平面上而形成的閉合曲線，并在圖形上按比例縮小以獲得輪廓線。

本研究結(jié)合GIS技術(shù)將該工程橋梁隧道BIM模型嵌入地形中，并通過相關(guān)地形數(shù)據(jù)對橋梁隧道周圍地質(zhì)地形進(jìn)行等高線分析，掌握整體地形結(jié)構(gòu)，直觀展現(xiàn)橋梁隧道周圍地形的高差等信息，明確橋梁隧道周圍地形的實際情況，便于整體工程的把控，如圖1所示。并在等高線分析的基礎(chǔ)上對工程周圍地質(zhì)地形做地面線提取，明確整體地形走勢，確定施工難易度，如圖2所示。

圖1 橋梁隧道周圍地形等高線分析

圖2 橋梁隧道周圍地形地面線提取

3.2 隧道周圍地質(zhì)圍巖可視化交底建模

結(jié)合隧道專業(yè)設(shè)計建立地質(zhì)圍巖數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含地質(zhì)屬性、空間位置、勘察數(shù)據(jù)等信息，并根據(jù)該信息生成分層地質(zhì)模型。并通過二次開發(fā)逐步優(yōu)化三維地質(zhì)模型進(jìn)度，完成對地質(zhì)模型的修正及局部重構(gòu)功能，以滿足專業(yè)隧道施工圖設(shè)計的要求。

通過對該工程隧道周圍地質(zhì)圍巖進(jìn)行可視化交底建模，明確不同里程段地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并用不同顏色標(biāo)識，如圖3所示。通過對不同地質(zhì)圍巖的分析，可以為工程整體布局提供決策依據(jù)，并根據(jù)綜合分析結(jié)果，合理布局隧道，減輕施工難度，節(jié)約施工成本，為建設(shè)和使用創(chuàng)造更加便利的條件。

圖3 隧道周圍地質(zhì)圍巖可視化交底建模

點擊不同顏色的圍巖，可對其進(jìn)行剖面分析，按照選擇線順時針90°方向的法線進(jìn)行剖切，剖切寬度為選擇線長度，剖切深度為選擇線長度的1/2，如圖4所示。

圖4 隧道周圍地質(zhì)圍巖剖面分析

3.3 工程周圍地質(zhì)匯水面積分析

匯水面積是指流到同一山谷地面的雨水覆蓋的區(qū)域。穿越河流和山谷道路必須建造橋梁和涵洞，修建水庫則必須建造水壩用以阻水。這時就需要根據(jù)該地區(qū)的降水量和匯水面積來確定橋梁涵洞孔徑的大小，壩的設(shè)計位置和高度以及水庫的儲水量等信息。

本研究結(jié)合GIS技術(shù)對該工程周圍地質(zhì)匯水面積進(jìn)行分析，明確橋梁涵洞孔徑的大小，確定橋梁隧道設(shè)計方案，掌握工程整體走勢，為后續(xù)工程施工提供依據(jù)，如圖5所示。

圖5 工程周圍地質(zhì)匯水面積分析

3.4 征地拆遷管理

相比傳統(tǒng)征地拆遷管理方式，通過采用BIM+GIS技術(shù)的征地拆遷管理方案，能夠顯著提高征拆進(jìn)度計劃管理水平。該工程通過采用GIS數(shù)據(jù)生成工具來轉(zhuǎn)換在土地征用和拆遷詳細(xì)調(diào)查期間生成的數(shù)據(jù)，并將詳細(xì)調(diào)查指標(biāo)同在GIS中顯示的矢量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)用戶查找對應(yīng)詳細(xì)信息時，通過單擊對應(yīng)矢量數(shù)據(jù)即可完成。

上述管理方式與傳統(tǒng)的征地拆遷管理方式的不同之處在于，采用BIM+GIS技術(shù)的征地拆遷管理方案可以精確掌握所有征拆對象的實際情況，并對相應(yīng)的施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)警，為征拆對象與工程進(jìn)展提供有效的數(shù)據(jù)支撐，從而節(jié)約征地拆遷成本。圖6中曲線標(biāo)識的部分為占地邊界線，即為該工程需要征地拆遷的部分。

圖6 征地拆遷管理

3.5 隧道施工進(jìn)度顯示

根據(jù)該工程施工單位提供的隧道施工進(jìn)度表，分別生成項目左線隧道，右線隧道和服務(wù)隧道的施工進(jìn)度文件，并將隧道BIM模型與施工進(jìn)度文件相關(guān)聯(lián)，匹配組件的實際施工進(jìn)度和計劃進(jìn)度。通過設(shè)置隧道施工進(jìn)度顯示，采用不同顏色標(biāo)識隧道的施工進(jìn)度情況，便于管理人員安排工期及宏觀控制施工進(jìn)度，如圖7所示。

同時引入當(dāng)前隧道內(nèi)施工工作人員身上的傳感器數(shù)據(jù)，對工作人員位置及基本信息進(jìn)行實時顯示，明確人員定位，如圖8所示。當(dāng)隧道內(nèi)存在安全隱患時，可及時通知人員撤離現(xiàn)場，若發(fā)生事故時，可第一時間展開救援。

圖7 隧道施工進(jìn)度顯示

圖8 隧道施工人員實時定位

3.6 施工現(xiàn)場視頻實時監(jiān)控

將現(xiàn)場視頻與GIS技術(shù)相融合，可實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的三維地理信息可視化，提升了視頻的智能化和數(shù)據(jù)化，對空間定位和精度分析具有重要的研究意義，對工程的施工管理具有重要的應(yīng)用價值。

該工程施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過本地語音警告和遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控施工現(xiàn)場的情況，監(jiān)管工程進(jìn)度及現(xiàn)場施工條件，規(guī)范施工作業(yè)，責(zé)任落實到位，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時能做到及時處理，最大限度地消除安全隱患，保障施工人員的生命安全，如圖9所示。

圖9 施工現(xiàn)場視頻實時監(jiān)控

3.7 基于傾斜攝影的施工場地VR漫游

傾斜攝影是一個集成了數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)生成過程的高新技術(shù)。通過有效的數(shù)據(jù)收集和專業(yè)的數(shù)據(jù)處理，可以生成高精度的三維模型，并將現(xiàn)實世界中的對象復(fù)制到計算機(jī)中。

VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是一種基于人類視覺和聽覺的生理及心理特征，由計算機(jī)生成逼真的三維圖像。用戶通過佩戴諸如頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套之類的交互式設(shè)備，將自己置于虛擬環(huán)境中并成為虛擬環(huán)境的成員。用戶與虛擬環(huán)境中各種對象之間的交互仿佛在現(xiàn)實世界中一樣。虛擬環(huán)境中的圖像和聲音會隨著用戶頭部的移動而實時更改，通過手部移動，可以實現(xiàn)拾取物體并跟隨移動的操作。在虛擬環(huán)境中，用戶會感到十分逼真并具有身臨其境的感覺。

本研究將GIS技術(shù)與傾斜攝影相結(jié)合，采用VR技術(shù)手段生成施工場地環(huán)境，直觀地表現(xiàn)施工場地地形、場地布置等實際環(huán)境。管理者通過手機(jī)、VR眼鏡等設(shè)備即可實現(xiàn)沉浸式的三維視景自主瀏覽，并根據(jù)需求在場景中調(diào)取信息，提高工程管理者的工作效率，降低工作難度，如圖10所示。

圖10 基于傾斜攝影的施工場地VR漫游

4 結(jié)論

硬軟件技術(shù)的不斷發(fā)展及數(shù)字社會的建設(shè)需要，為BIM+GIS技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)造了機(jī)會。本文結(jié)合山西某高速橋梁隧道工程，分析研究BIM+GIS技術(shù)在該工程施工管理中的應(yīng)用，為工程提供了更加清晰的信息傳遞和更為直觀的技術(shù)交底，對該工程施工管理的順利開展具有積極意義。