BIM＋GIS在高速公路建设管理中的应用与研究

谢来坤 秦晓晗 李旭

摘要：随着公路信息化的发展，传统公路建设管理技术和手段已不能满足项目的需求。作为工程领域两大新兴技术，BIM与GIS在微观和宏观方面分别具有独特的优势。文章通过分析广西地区高速公路建设的特点，结合BIM+GIS的优点，依托广西荔玉高速公路平南相思洲大桥段工程实践，介绍了BIM+GIS项目管理应用的流程和方法，为技术欠发达地区的高速公路建设提供参考。

关键词： BIM;GIS;高速公路;建设管理

0 引言

BIM作为工程数字化的一种工具，是为了解决工程信息化而提出的工程建筑信息体系。BIM模型中的属性信息能够精确至构件级别，从而具有可视化、信息全面、协同性好等优点，但对于规模大、路线长的高速公路项目，BIM技术的缺点包括模型数据量大、可视化预处理时间长等。经过几十年的发展，GIS技术的研究和应用已经逐渐趋于成熟，它能够有效地处理海量的大范围地形数据，从而大大提高整个系统的运算效率，并使其运行流畅，在宏观模型的展示方面具有独特的优势，但微观、精细仍然是其技术方面的劣势。因此，将BIM与GIS两者优势相结合，能够更好地为工程项目提供丰富全面的可视化管理信息。

1 广西高速公路建设特点

广西位于中国地势第二台阶中的云贵高原的东南边缘，同时也处于两广丘陵的西部，总体地貌为山地丘陵性盆地，境内喀斯特地貌广布。由于广西境内地形复杂、气候多变，相对于国内平原地区而言，其在修建高速公路时更易受到地形、地貌、地质、气象水文等自然条件的影响，建设难度大。

（1）地质地貌复杂对高速公路项目在设计阶段的线路优化、施工阶段的土方量计算以及征拆红线的定位准确性影响较大。

（2）区内喀斯特地貌分布广泛，地质条件复杂，岩溶发育，工程地质条件不良等导致施工安全管控存在较多的不可预见因素。

（3）近年来广西高速公路发展进入“黄金时期”，施工进度压力大但现有的进度管理模式已经不适应新的时代。

面对上述问题，传统的管理方式难以进行科学、有效、集中式的管理，需要采用新的技术和手段提升管理水平以满足项目建设需求。

2 BIM+GIS技术的应用特点及优势

BIM有两层含义，即建筑信息模型与建筑信息建模，一层强调结果，另一层强调过程。在CAD技术发展的基础上，BIM成为最新且有效的建筑信息模型创建技术。同时BIM的应用能有效促进高速公路向智慧高速公路建设转变，并且可将物联网的建设纳入其中 [1]，更好地达到在设计、建造和运营整个建设过程的有效管理。而GIS是传统地图学与现代计算机技术相结合的一种特殊的空间信息系统 [2]，通过收集空间对象的地理位置及其他相关的属性信息，对其进行运算分析，将现实空间对象转化为图形显示，直观地为项目管理和决策提供数据支撑。

随着高速公路信息化的快速发展，单一的技术使用很难满足现代公路建设的需要，技术的协同性成为关键因素，BIM技术和GIS技术的有效结合正好满足了这样的需求。其中，无人机倾斜摄影技术的发展不仅提高了BIM技术的建模的速度，而且其快速生成项目三维地形曲面使BIM技术实现了实景建模，这也为BIM技术的静态和GIS技术动态多维方的技术特性有效结合提供了技术支撑。

通过研究发现，BIM+GIS一般是通过数据、系统的集成或者应用的集成实现的，即可在BIM应用环境中集成GIS，亦可以在GIS环境中集成BIM，或者两者进行深度的集成，从而发挥各自的优势，拓展更广的应用领域。

BIM与GIS的融合使用首先可解决的是数据共享问题 [3]，其次也实现了工程微观模型信息与宏观场地信息的结合。研究“BIM+GIS”技术在高速公路建设管理中的应用，有利于推动高速公路“信息化建设”，对实现“智慧交通”具有重要意义。目前市场中大多数BIM软件都支持多种格式的导出，如IFC、OBJ、DAE等常见的三维共享交互格式，不同的GIS平台对各种格式的兼容性略有侧重，但两者的结合目前都较为成熟。

3 项目实践

鉴于BIM+GIS技术在公路工程中的先进优势，本文对该技术在广西荔玉高速公路项目建设和在其控制性工程平南相思洲大桥建设中的应用实践进行分析。

3.1 项目概况

荔玉高速公路起于荔浦市，途经蒙山县、平南县、桂平市，终于玉林市，全长 263.11 km，设计标准为双向四车道。其控制性工程相思洲大桥是广西荔玉高速公路上的一座特大桥，是该项目的一个关键性控制节点工程。大桥全长 1 668 m，跨江主桥长 870 m，为组合梁斜拉桥结构，跨径布置采用 40 m+ 170 m+ 450 m+ 170 m+ 40 m（如图1所示）。两侧引桥为预应力混凝土小箱梁橋+预应力混凝土T梁桥结构。

本项目建设主要具有以下几个难点：

（1）气象水文条件复杂。项目地属亚热带季风气候区，年平均气温为 21.5 ℃，多年平均降水量为 1 400～ 2 100 mm，每年4～9月为多雨季节，降雨量为全年的80%，该地区经常发生春秋旱夏涝的自然灾害。

（2）施工安全风险高。项目施工工序繁多，涉及施工设备较多，安全风险点较多，施工风险大。

（3）项目组织协调难度大。本项目涉及单位多、战线长，施工组织协调难度大。

3.2 BIM模型的创建

根据项目施工建设及管理的需求，利用Bentley软件采用LOD300的模型精度创建主桥结构和引桥结构的BIM模型，如图2所示。

在BIM三维模型的基础上，进行主桥施工工艺仿真模拟及相关漫游效果制作，实现三维的施工交底（如图3所示）， 使施工人员对工程特点、技术质量要求、施工方法、措施和安全等方面有更为详细的了解，以便于科学有序地组织施工，确保施工质量安全。

3.3 项目GIS模型创建

GIS模型创建的形式有很多， 可以通过下载谷歌卫片生成，也可以通过三维激光雷达扫描和无人机倾斜摄影等方式进行。其中，谷歌下载卫片生成地形精度较低;三维激光雷达扫描效果最好，精度最高，可以把误差控制在 10 cm以内，但是成本较高;现阶段行业使用最多的是无人机倾斜摄影生成GIS地形，也是本项目采用的技术手段。

倾斜摄影工作流程主要包括外业测量和飞行摄影两大步骤，具体流程如图4所示。

在Smart 3D Capture自动建模系统中加载测区影像，人工给定一定数量的控制点，软件采用光束法区域网整体平差，以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交汇，将整体区域最佳点加入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系。然后采用密集匹配技术，系统根据高精度的影像匹配算法，自动匹配出所有影像中的同名点，并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云，从而更精确地表达地物的细节。地物越复杂，建筑物越密集的地方，点密集程度越高;反之，则相对稀疏。由空中三角测量建立的影像之间的三角关系构成三角TIN，再由三角TIN构成白模，软件从影像中计算对应的纹理，并自动将纹理映射到对应的白模上，最终形成真实三维场景，将三维场景导出OSGB格式数据，上传至服务器进行GIS地形发布，如图5所示。

3.4 基于BIM+GIS的项目施工管理应用

3.4.1 基于BIM+GIS的三维可视化进行方案比选

三维可视化是BIM+GIS的特有属性，通过三维可视化可以大大提高项目沟通效率。在方案探讨、专家论证和专家评审过程中能大大提高工作效率，以实现降本增效的目的。山区高速往往存在山体与路线的绕行关系，在涉及方案变更时通过BIM+GIS可以快速发现山体和路线的关系，提出绕行路线，实现变更方案的快速讨论。考虑到本项目后期可能因地质原因造成山体不稳，为保证高速公路主体的安全和运维过程中的人员安全，现需对原设计局部线路进行调整，原有路线如图6所示。

针对本项目情况提出了两种调整方案：（1）对路线进行调整，由原来的桥梁变更为隧道，绕到滑坡山体后面进行设计，可完全避免可能的山体滑坡造成财产损失，如下页图7所示;（2）对现有桥梁进行右侧调整，占用部分省道，对右侧山体进行部分开挖，如图8所示。

最后综合考虑选择了方案2，通过BIM+GIS的三维可视化功能实现了方案的高效沟通和专家评审的快速通过，对方案优选起到了赋能作用。

3.4.2 基于BIM+GIS的土方算量

由于建设需要，现对一处服务区进行土方平衡，根据项目建设情况从附近调土进行场地平整，初步计算需要几百万立方米土方，GIS地形如图9所示，为了合理调配可以通过GIS模型计算土石方功能进行精确计算。

利用已知点（控制点或者已测量点），使用SX10进行测站设立，扫描所需要的点云。再利用 SX10全站仪功能测量一些特征点。在此项目中，扫描了两个测站，取景选择全部范围方式，扫描密度选择粗略，照相机选择广角，将扫描数据导入TBC中可以得到点云数据。利用TBC软件自动分类地面、建筑物、电线杆和标志、高植被。对于软件自动分类有问题的，可手动调整。并且剔除周围的杂点，根据效果抽稀点云间隔，如图10所示。在TBC中利用处理好的表面模型，根据规范等高距要求，创建等高线并进行平滑等操作，如图11所示。

可根据现场已有控制点，或者利用 SX10 全站仪功能测量的地形点进行等高线误差的校核。最后可计算出土方总量，同时也可计算不同的台阶标高的土方量，如图12所示。

3.4.3 BIM与GIS结合实现项目征拆追踪和设计成果校核

通过利用倾斜摄影技术创建的实景模型和高精度的影像资料对项目现场进行真实重构，为项目的BIM應用提供准确的基础数据。通过三维实景、高精度模型、设计红线的结合，可对项目征拆面积、征拆进度进行全面的跟踪分析。见图13。

与此同时，通过GIS三维实景与BIM设计模型的结合，还可对设计成果进行校核，确保桥梁的桩基位置准确无误。见图14。

3.4.4 基于BIM+GIS的物联数据互通

对非BIM数据，可以跟BIM+GIS数据进行整合，实现基于BIM+GIS+物联网的强关联。如本项目将视频监控与BIM模型做关联，用视频监控摄像头可以实时查看项目视频监控，反之通过点击视频监控名称可以快速定位到摄像头位置，在发布平台上可以对视频监控进行远程遥控，实现基于GIS的物联设备管理。见图15。

通过BIM+GIS在荔玉高速公路项目上的应用，提高了项目管理水平，改变了传统的工作方式。通过BIM+大数据、云计算、智能物联设备增强了项目监管，保证了工程项目质量，为智慧公路、数字公路方面的应用提供了实践基础。

3.4.5 基于BIM+GIS的项目综合施工管理平台

（1）4 D施工进度管理

根据项目EBS编码将相思洲大桥BIM模型进行拆分，并与项目project进度计划文件绑定，形成4 D的项目施工进度管理。通过4 D的施工进度管理，可以直观地对项目进行进度预演、进度查看及进度对比。通过本项目的综合管理系统，项目管理人员无论是在PC端还是在Web GIS端都可随时随地查看项目具体进度，并对工期延误的分项工程做出针对性的调整。

（2）工程技术资料数字化管理

通过将项目的技术文件、设计图纸等材料与项目的BIM模型进行关联，便于项目人员查找相关资料，实现施工全过程的资料记录、查询和追溯。

（3）工程质量安全实时监管

工程的质量安全是项目管理人员最关注的问题。传统的管理手段和技术，无法第一时间发现及处理相关问题。基于BIM与移动互联网技术的集成，项目管理人员可利用手机终端将施工作业现场的质量安全问题进行实时上传并与对应的工程部位关联，并将信息第一时间推送给相关责任人，督促其限时整改，提高质量安全问题处治效率，为工程的质量安全保驾护航。

4 结语

随着公路信息化的发展，传统的工程建设管理技术和手段已不能满足项目的需求。近年来，由于BIM与GIS的快速发展且日趋成熟，给工程项目管理人员提供了新的解决思路。本文通过对BIM及GIS技术的分析研究，并在广西荔玉高速相思洲大桥中进行实践尝试，通过基于三维地球GIS引擎Cesium的开发、先进成熟的数据架构方式、云技术以及移动互联网等技术，实现BIM与GIS的集成应用，建成集资料资源管理、工序控制、进度、安全、质量管理等于一体的施工管理系统。通过本项目的应用尝试，初步形成了一套BIM+GIS的项目管理应用流程和方法，对于提升技术欠发达地区的高速公路建设水平具有重要的作用。

参考文献：

[1]黄 骞，林报嘉，代 成，等.基于时空大数据的公路工程信息化技术框架——以铺前跨海大桥为例[J].西部人居环境学刊，2017，32（1）：38-41.

[2]王玲莉，戴晨光，马 瑞.GIS与BIM集成在城市建筑规划中的应用研究[J].地理空间信息，2016，14（6）：75-78.