黎宇陽，但 晨，徐益飛，董建輝

(1.四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610017；2.交通運輸部BIM技術(shù)應(yīng)用行業(yè)研發(fā)中心,四川 成都 610017；3.成都大學 建筑與土木工程學院,四川 成都 610106)

0 引言

目前，建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術(shù)已經(jīng)成為各行業(yè)解決實際問題的重要生產(chǎn)力工具[1].在交通工程尤其是高速公路等帶狀工程項目中，融合BIM技術(shù)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)進行工程設(shè)計、施工建設(shè)及運營管養(yǎng)應(yīng)用是未來的發(fā)展方向.通過實際工程應(yīng)用，本研究分析了BIM+GIS技術(shù)在高速公路項目中的優(yōu)勢，列舉了具體的應(yīng)用情況，論證并展示了BIM+GIS技術(shù)的適用性與先進性，一定程度上改變了傳統(tǒng)設(shè)計方式，提升了設(shè)計效率，成功地利用BIM+GIS技術(shù)將設(shè)計、施工及管理緊密地聯(lián)系在一起.

1 項目概況

德會高速公路項目屬于《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2014-2030年)》“16、8、8”網(wǎng)中20條高速聯(lián)絡(luò)線中的1條，起終點分別聯(lián)絡(luò)G5京昆高速西攀段、G4216成麗高速宜攀段，接G4216后向南延伸可形成南北向又1條便捷的西昌至昆明大通道.本項目路線全長78 km，采用雙向四車道高速公路標準，設(shè)計速度為80 km/h，路基寬度為25.5 m，橋梁90座，隧道15座，橋隧比約為70%，概算總投資約130.71億元，全線設(shè)置7處互通、3處服務(wù)區(qū).項目區(qū)域地形起伏大，沿線斷裂帶及不良地質(zhì)較多，跨越河流、電站等較多，建設(shè)條件差.

2 BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用情況

本項目在設(shè)計階段全過程介入BIM+GIS技術(shù)，從工可階段的路線走廊帶選擇到施工圖階段外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)的使用，通過統(tǒng)一的高速公路構(gòu)件庫及構(gòu)件編碼，實現(xiàn)全專業(yè)快速建模，為設(shè)計決策提供了可靠依據(jù)，提高了設(shè)計工作效率，并將三維幾何模型進行輕量化處理，為后續(xù)建設(shè)管理系統(tǒng)應(yīng)用打下了基礎(chǔ).

2.1 航測技術(shù)

本項目前期，利用機載激光雷達掃描、高精度測繪技術(shù)，將獲取高精度三維激光點云、高分辨率數(shù)碼影像及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲取的高清數(shù)字正射影像(digital orthophoto map，DOM)、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)、數(shù)字線劃圖(digital line graphic，DLG)、數(shù)字表面模型(digital surface model，DSM)等道路數(shù)據(jù).通過機載三維激光雷達測量，實現(xiàn)了地面三維坐標和影像數(shù)據(jù)同步，并快速實現(xiàn)地物真實形態(tài)特性再現(xiàn)，為合理選線提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

通過航測數(shù)據(jù)建立的實景模型能夠為BIM模型提供地理環(huán)境信息，多角度觀看整個區(qū)域的地形地貌與實際情況，具有親臨真實場景查看的效果，可反復(fù)對局部及總體方案進行多角度仔細研判，特別是在宏觀的地理環(huán)境查看方面具有顯著的效果[2].

通過航測點云數(shù)據(jù)，實測本項目沿線的國家保護植物紅椿樹的樹冠三維位置.本項目在設(shè)計過程中利用BIM模型清晰且直觀地展示了紅椿樹的位置，使設(shè)計人員能準確判斷路線并確定繞避方案，如圖1所示.

圖1 紅椿樹點云BIM模型

2.2 智能選線系統(tǒng)

與傳統(tǒng)人工選線方式不同，本項目使用智能選線系統(tǒng)作為輔助手段.由于使用智能選線系統(tǒng)可短時間內(nèi)窮盡所有可能的方案，所以可以通過設(shè)置邊界約束條件、項目預(yù)算控制參數(shù)來遴選出數(shù)條有效方案，為重大方案調(diào)整選擇提供直觀、可視與三維的依據(jù)，同時還為設(shè)計人員對走廊帶的選擇分析提供支撐及對路線方案進行深入比選，大大提升了選線的效率和科學性.

智能選線系統(tǒng)中，可設(shè)定起終點、工程材料價格、概預(yù)算信息與橋隧等控制工程信息、地質(zhì)繞避區(qū)域及走廊帶偏好等工程參數(shù)，短時間內(nèi)選出50條參考方案供設(shè)計人員參考，幫助設(shè)計人員高效地規(guī)劃與分析公路項目的路線方案，從而支持主管領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)主和項目工程師決策出該項目中最合理的路線.圖2展示了通過智能選線系統(tǒng)選出的參考方案.

圖2 智能選線結(jié)果展示

2.3 外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)

本項目結(jié)合當前主流的GIS平臺，通過采用BIM+GIS的技術(shù)路線，創(chuàng)造性地自主研發(fā)了適用于實地勘察階段的外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)，這是我國首次在公路外業(yè)勘測中采用三維GIS外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)[3].

外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點如下：

1)三維地形與路線模型的快速建立.根據(jù)已取得的DOM、DEM和點云數(shù)據(jù)，快速建立高精度的三維地形和路線，并將前期工作方案加載到模型，在外業(yè)踏勘期間迅速直觀核對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與路線方案，加深對項目理解.

2)精確的定位和測距功能的研發(fā).外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)移動終端中能實時查看調(diào)查人員所在的樁號位置，實時測量地圖上特定點和路線的距離，自動獲取調(diào)查人員與最近樁號的距離，實現(xiàn)定位、測量及填報快速精準.

3)調(diào)查資料記錄模板研發(fā).根據(jù)專業(yè)特點，建立各專業(yè)外業(yè)調(diào)查資料模板，便于調(diào)查人員現(xiàn)場填報，同時增加語音錄入和常用關(guān)鍵字等功能來進一步提高填寫效率，并開發(fā)上傳照片功能，從而使資料更直觀可靠.

4)軟件開發(fā)與成果封裝.針對外業(yè)調(diào)查的特點及行業(yè)習慣，開發(fā)公路工程外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)的專業(yè)界面.目前有手機移動端和桌面端2套系統(tǒng)，其中手機移動端方便外業(yè)調(diào)查人員的使用，而桌面端系統(tǒng)用于統(tǒng)一的管理.

外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)在本項目中得到了廣泛應(yīng)用，串聯(lián)起公路工程外業(yè)調(diào)查與內(nèi)業(yè)設(shè)計2階段工作，具有如下特點：

1)數(shù)字化的圖紙查看.該系統(tǒng)包括移動端及桌面端，項目設(shè)計資料可以通過目錄類別進行查閱，也可以根據(jù)施工工點、樁號等設(shè)計信息對設(shè)計資料進行搜索、查看.所有的工作都可以在移動端或桌面端完成.

2)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)現(xiàn)場管理.現(xiàn)場外業(yè)調(diào)查過程中，可追蹤實時外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，可隨時在終端查看各專業(yè)外業(yè)調(diào)查情況，及時掌握外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)和進度，同時對記錄人員進行定位，有效避免上傳人員作假.相關(guān)負責人可通過登錄系統(tǒng)匯總查看所有資料.

3)實現(xiàn)全過程信息化管理.該系統(tǒng)為不同專業(yè)提供了翔實的調(diào)查坐標分析、圖文信息處理、處置措施等功能，并支持定位測距、語音輸入等操作，實現(xiàn)全程電子信息化管理，極大提升了外業(yè)調(diào)查效率，并可生成外業(yè)調(diào)查報告，為外業(yè)踏勘全過程工作提供了有力的支持.

2.4 建立施工精度的全專業(yè)BIM模型

本項目通過建立施工圖精度的BIM模型，實現(xiàn)了多專業(yè)全過程進行項目信息比對、綜合校對及項目設(shè)計成果審查，為項目設(shè)計的準確性提供了保障.

2.4.1 建立鉆孔管理與三維地質(zhì)平臺

本項目建立了基于Bentley平臺的華創(chuàng)匯翔三維地質(zhì)軟件的鉆孔數(shù)據(jù)管理及三維地質(zhì)平臺[4].該平臺可整合不同設(shè)計階段、不同工點及多種類型地質(zhì)數(shù)據(jù)，有效解決了地質(zhì)數(shù)據(jù)綜合管理難題，并可快速生成三維地質(zhì)模型，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時查看、精確查找及地質(zhì)體全方位、多視角展示，方便鉆孔數(shù)據(jù)的查閱與管理.

本項目根據(jù)原始鉆孔數(shù)據(jù)與其他原始地質(zhì)資料建立的三維地質(zhì)模型會讓地質(zhì)信息表達更豐富、準確且立體.橋梁三維地質(zhì)模型如圖3所示，隧道三維地質(zhì)模型如圖4所示.

圖3 橋梁三維地質(zhì)模型

圖4 隧道三維地質(zhì)模型

2.4.2 路基橫斷面標準構(gòu)件庫

自主研發(fā)的路基橫斷面標準構(gòu)件庫包含路面(中央分隔帶、行車道、硬路肩、土路肩)、邊坡(填方邊坡、挖方邊坡)、邊溝及防護工程(路肩墻、路堤墻、路塹墻)在內(nèi)的所有公路工程橫斷面設(shè)計及路幅組成的所有元素，并且能完成滿足公路工程橫斷面設(shè)計習慣及方式的參數(shù)化修改，以便通過標準構(gòu)件來快速建立公路工程BIM模型.

通過標準構(gòu)件的編制可根據(jù)不同地形情況自動生成路基模型，如圖5所示，這對路線路基方案的確定提供了支持.路基專業(yè)基于線路專業(yè)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了路基與線路的關(guān)聯(lián)，實時生成路基模型.由于與路線的關(guān)聯(lián)，只需更改對應(yīng)的標準橫斷面模板和路線，就能實時更新路基模型，極大縮短了設(shè)計階段的建模工作時間，提升建模效率.

圖5 路基自動化建模

2.4.3 橋隧標準構(gòu)件庫

自主研發(fā)的橋隧標準構(gòu)件庫，基于線路專業(yè)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)橋梁與線路的關(guān)聯(lián).由自定義參數(shù)化構(gòu)件來創(chuàng)建各類參數(shù)構(gòu)件庫.所有常規(guī)橋梁均可參數(shù)化、自動化建模.最終完成的橋梁BIM參數(shù)化構(gòu)件庫基本覆蓋了四川省高速公路簡支梁橋和連續(xù)梁橋常用構(gòu)件，幾何模型精度和信息粒度均達到LOD400以上.橋梁自動化建模如圖6所示.

圖6 橋梁自動化建模

橋隧專業(yè)還建立了構(gòu)件編碼標準，以便讓BIM模型交付系統(tǒng)通過編碼標準快速而精準地將設(shè)計圖紙綁定到BIM模型對應(yīng)的構(gòu)件中.通過二次開發(fā)，包括命名規(guī)則、編碼規(guī)則、材料規(guī)則，不僅用于橋隧模型的快速自動建立，而且能使模型較容易地與建設(shè)管理系統(tǒng)對接.隧道自動化建模如圖7所示.

圖7 隧道自動化建模

2.5 BIM模型輕量化

建設(shè)管理系統(tǒng)需集成工程項目的三維幾何信息.由于數(shù)據(jù)量極大，原始數(shù)據(jù)的冗余使得用戶在使用建設(shè)管理系統(tǒng)時有不好的體驗.因此，將BIM模型部署到建設(shè)管理平臺前先對其幾何結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)輕量化，最大程度減少冗余數(shù)據(jù)，降低終端設(shè)備配置要求，提高終端加載效率，發(fā)揮建設(shè)管理系統(tǒng)在工程管理中的最大價值，更新現(xiàn)有的高速公路管理模式.

本項目中BIM模型幾何屬性輕量化采用的是基于二次誤差度量(quadric error metric,QEM)的簡化算法[5].QEM算法在簡化過程中以邊作為刪除對象，以每條邊2個端點到相關(guān)局部平面距離的平方作為二次誤差來測度確定簡化順序，由簡化比確定折疊邊數(shù)量.

如圖8所示，若頂點V1到V2所形成的邊滿足折疊條件，則計算出1個新頂點V，并更新三維模型網(wǎng)格的幾何拓撲關(guān)系，形成新的網(wǎng)格模型.

圖8 幾何輕量化過程

QEM算法中，假設(shè)1個頂點所在平面的方程為ax+by+cz+d=0，且a2+b2+c2=1，求得參數(shù)a、b、c及d，則定義1個頂點所在任意平面的二次誤差度量Q為，

(1)

圖8中，設(shè)頂點V1=[x1,y1,z1,1]T的相關(guān)局部平面集合為plane(V1)，集合中所有平面的二次誤差度量累加和為Q1.相應(yīng)地，設(shè)頂點V2=[x2,y2,z2,1]T，其相關(guān)局部平面集合為plane(V2)，集合中所有平面的二次誤差度量累加和為Q2.則，更新網(wǎng)格拓撲關(guān)系后，新頂點V=[x,y,z,1]T的二次度量誤差為(Q1+Q2).定義該邊折疊后代價為C，初始狀態(tài)下C=Δ(V)=0，一旦開始進行邊折疊，則，

C=Δ(V)=VT(Q1+Q2)V

(2)

取代價C為最小值時進行邊折疊.重復(fù)進行上述過程，直到無法繼續(xù)進行邊折疊時結(jié)束模型簡化過程.

2.6 BIM模型數(shù)字化交付

2.6.1 三維模型交付

本項目自主研發(fā)的設(shè)計交付系統(tǒng)打通了不同BIM模型數(shù)據(jù)的信息接口，可使由不同BIM平臺、軟件創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)及對應(yīng)信息無缺失地進入到統(tǒng)一的GIS平臺.將多種格式的BIM模型融合到GIS系統(tǒng)的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為其中幾種有限的BIM數(shù)據(jù)格式到GIS系統(tǒng)的融合問題，一方面簡化了BIM模型融合至GIS系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了集成效率，另一方面實現(xiàn)了BIM模型對外統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，比如可將IFC、FBX、DGN及CityGML等從BIM模型或設(shè)計軟件平臺提取的中間數(shù)據(jù)格式文件轉(zhuǎn)換成多種GIS系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)格式，如圖9所示.

圖9 數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)

2.6.2 設(shè)計數(shù)據(jù)交付

在勘察設(shè)計階段，設(shè)計信息和BIM模型的數(shù)據(jù)是基于工程結(jié)構(gòu)分解(engineering breakdown structure，EBS)組織的.在施工建設(shè)階段，施工過程數(shù)據(jù)是按照工作結(jié)構(gòu)分解(work breakdown structure，WBS)組織的.

傳統(tǒng)的設(shè)計及施工過程中，EBS、WBS、工程數(shù)量表及工程量清單等4種數(shù)據(jù)相互獨立，并無依托.然而，實際工程建設(shè)應(yīng)用中，同一數(shù)據(jù)在不同的流程中卻常常需要反復(fù)填寫，極大降低了工作效率[6].

因此，本項目在建設(shè)管理系統(tǒng)的建設(shè)過程中對上述每種數(shù)據(jù)都進行了結(jié)構(gòu)化梳理，并根據(jù)《施工招標文件》及《工程質(zhì)量檢驗評定標準》對數(shù)據(jù)類型與綁定關(guān)系進行了明確，并在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的橫向擴展及底層上實現(xiàn)了唯一數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，提高了數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)效率.BIM模型與數(shù)據(jù)信息綁定情形如圖10所示.

圖10 BIM模型與數(shù)據(jù)信息綁定

2.7 建設(shè)管理系統(tǒng)

建設(shè)管理系統(tǒng)本質(zhì)就是BIM模型在GIS平臺中的展示與應(yīng)用.工程建設(shè)信息數(shù)量巨大、繁雜，信息之間又存在著復(fù)雜的邏輯關(guān)系，所以建設(shè)管理系統(tǒng)借助GIS平臺對海量數(shù)據(jù)存儲、編輯及查詢的優(yōu)勢，通過數(shù)據(jù)輕量化及施工信息集成化等方式，搭建了基于GIS平臺的系統(tǒng)構(gòu)架.該構(gòu)架對海量數(shù)據(jù)的管理能力滿足了公路工程路線長、信息多與工序繁雜等特點，是其他任何系統(tǒng)無法取代的.

目前，本研究開發(fā)的德會高速公路全線78 km的BIM模型建模和建設(shè)管理平臺已投入使用.建模內(nèi)容主要包含路基、橋梁、隧道、互通模型及涵洞天橋模型，且所有施工標段(TJ1-1/TJ1-2/TJ1-3/TJ2-1/TJ2-2/TJ2-3)模型均已上線至建設(shè)管理平臺.

建設(shè)管理系統(tǒng)具有如下主要的功能及特點：

1)實現(xiàn)項目電子沙盤可視化管理.建設(shè)管理系統(tǒng)以GIS系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺，以三維實景形式展示路基、橋梁、隧道及互通等全項目全專業(yè)BIM模型信息及項目區(qū)域的地形、地貌等信息，同時支持在移動端和桌面端進行場景漫游、查詢定位、屬性查看及空間分析等功能，是BIM+GIS技術(shù)完美結(jié)合的直接體現(xiàn).

2)施工信息化集成及協(xié)同管理.建設(shè)管理系統(tǒng)對設(shè)計圖紙、EBS、WBS、工程數(shù)量表、工程量清單、BIM模型、施工現(xiàn)場信息資料、施工進度計劃、實驗室監(jiān)測數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制與整改記錄及征地拆遷信息進行數(shù)據(jù)化集成，并逐一梳理每條數(shù)據(jù)在工程建設(shè)中的邏輯關(guān)系，滿足“任何信息錄入1次，永久使用”的功能.

3)實現(xiàn)設(shè)計圖紙在線查看.建設(shè)管理系統(tǒng)中，可以通過設(shè)計資料的目錄類別查閱設(shè)計資料，也可以點擊模型查看相關(guān)的設(shè)計資料，還可以根據(jù)施工工點及樁號等設(shè)計信息搜索查看設(shè)計資料.

4)實時跟蹤施工組織計劃.項目管理人員登錄桌面端設(shè)置當月的計劃信息，現(xiàn)場施工人員根據(jù)實際完成情況在移動端按時填報進度.計劃信息和當前完成進度都可以在電子沙盤中以著色高亮顯示的方式直觀地表達出來.用戶可以根據(jù)需要設(shè)置不同的顏色或顯示不同類型的部件，便于直觀地把握施工進展情況，并基于填報的數(shù)據(jù)進行計量管理與考核.

5)完成施工過程建管記錄.建設(shè)管理系統(tǒng)使得遠程現(xiàn)場管理成為可能.巡查人員、施工人員及項目人員可以在施工現(xiàn)場使用移動端記錄巡查情況、施工工序情況，通過圖片、視頻、文字描述等方式記錄并上傳.上傳的資料自動與BIM模型關(guān)聯(lián)，通過資料直接定位到對應(yīng)的BIM模型.

6)實現(xiàn)現(xiàn)場質(zhì)量控制與整改.現(xiàn)場施工過程中，對質(zhì)量不合格事件的處理也得到跟蹤.從質(zhì)量不合格事件的發(fā)生到不合格的處理，每位操作人員、操作過程及處理方式都得到完整的跟蹤.

7)促進征地拆遷與管理.征地現(xiàn)場人員在征地過程中通過建設(shè)管理系統(tǒng)記錄征地的過程和狀態(tài).在建設(shè)管理系統(tǒng)中非常形象地展示出征地的狀態(tài)，以便征地問題的交流.

3 結(jié) 論

本項目中，BIM+GIS技術(shù)在公路工程勘察設(shè)計及施工管理階段發(fā)揮了重要作用.項目前期，采用機載激光雷達提供更加準確的地形數(shù)據(jù)，通過自定義坐標系來統(tǒng)一不同來源的測繪數(shù)據(jù)，并且由GIS平臺來管理這些數(shù)據(jù)，有效地提升了測量效率.智能選線系統(tǒng)極大提高了項目前期工作與決策的效率，為路線方案的論證提供了多樣本的參考，也為科學決策提供了依據(jù).外業(yè)調(diào)查系統(tǒng)打通了外業(yè)與內(nèi)業(yè)工作的信息交互，實現(xiàn)了外業(yè)工作與內(nèi)業(yè)工作進程一體化，為保障工程設(shè)計具有優(yōu)良質(zhì)量提供了堅實的基礎(chǔ).三維地質(zhì)系統(tǒng)極大提升了專業(yè)地質(zhì)繪圖效率，縮短了項目設(shè)計周期.BIM模型提升了工程設(shè)計的效率與質(zhì)量.建設(shè)管理系統(tǒng)完成了GIS平臺對BIM模型的完整數(shù)據(jù)展示與應(yīng)用，極大提升了項目管理效率，也極大降低了管理成本.