BIM+GIS在桥梁初步设计中的应用

(重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121)

桥梁设计中，追求的是桥梁景观和功能要求的和谐统一[1]。桥梁方案选择除了考虑结构、材料、施工难易程度等基本条件，还要结合环境因素，创造出融合周围环境的尽可能完美的桥梁形体[2]。做出高质量的桥梁方案设计，需要桥梁的工程信息和环境信息。BIM是建筑信息模型，以三维模型为载体，集建筑物在全生命周期中的各个阶段的工程信息、过程以及资源于一体； GIS是专门面向地理空间信息的技术，具有强大的三维可视化能力及空间查询分析能力，可以弥补 BIM周边宏观环境处理及可视化能力的不足[3-6]。GIS与BIM是两种具有互补关系的数据(技术)，将二者集成可以彼此取长补短，发挥更大效用。从社会影响、环境保护、地形地质、工程造价、施工难度等方面考虑，综合大桥桥位、桥型结构、景观设计等因素，本文以重庆市某座跨长江特大桥的初步设计为依托，探讨BIM+GIS在桥梁初步设计中的应用。

1 BIM设计环境的构建

倾斜摄影技术是测绘遥感领域近年来发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台搭载多台相机，从一个垂直、四个倾斜共5 个角度同步曝光采集影像，获取真实地物信息，并采用后处理软件ContextCapture构建实景三维模型[7-8]。规划桥址区位于三峡库区腹地，地形以大河峡谷为主，处于环境敏感地带，勘测条件复杂，适合采用无人机倾斜摄影技术快速创建实景模型，并基于实景模型作为BIM设计环境。

对于交通设计来说，实景模型比传统地形图在地形环境的描述上更具以下优势：1)能直观反映地物地貌的真实环境信息，可以让用户从多个角度身临其境观察设计环境； 2)具有真实的地理坐标，可以进行坐标、长度、面积、体积的测量与计算；3)通过实景模型可以方便的提取tin、DTM、DOM等测量数据供后续流程使用。因此，BIM工程师可以直接连接实景模型构建自己的设计环境，依据实景模型进行BIM建模设计，如图1所示，设计师直接进行挖方填方计算，而不必通过地形图提取高程数据经过繁琐的步骤来得到挖填方信息。

图1 挖方填方计算

2 数字孪生的实现

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力[9]。参照智能制造领域的“数字孪生”概念，林述涛提出了交通基础设施的数字孪生，交通基础设施数字孪生应包含设计信息的3D模型(BIM)、交通基础设施周边的地理信息(GIS)数据、地质信息、资产功能信息等等，还设想有个“容器”可以把多种来源的数据以某一种规则“收纳”起来，通过不断完善和增加“收纳”，“容器”承载的数字交通基础设施就越来越与真实交通基础设施相匹配，也就是越来越等同于真实交通基础设施的数字孪生[10]。SuperMap GIS是北京超图软件股份有限公司开发的，二三维一体化的大型地理信息系统软件平台，通过实例化技术、LOD调度，实现了大规模BIM数据与倾斜摄影等多源异构数据集成[11-12]。

设计的桥梁经过施工建造后，会存在客观世界中。在“智慧交通”和“设计成果数字化交付”的背景下，将桥梁BIM模型、实景模型等数据通过SuperMap GIS 9D作为“容器”“收纳”形成未来施工建造后物理世界的数字镜像，就实现了设计阶段的数字孪生(如图2所示)。本项目用SuperMap iDesktop 9D构建三维场景并生成缓存数据，然后通过SuperMap iServer 9D发布成三维服务，最后利用SuperMap iClient3D 9D for WebGL搭建数字孪生系统。

图2 设计阶段数字孪生实现流程

3 初步设计的应用

通过SuperMap GIS 9D平台搭建了基于BIM+GIS的设计阶段数字孪生系统。围绕这个系统可以做出丰富的应用：碰撞检测与分析、三维设计成果数字化交付、征地拆迁管理、施工场地3D规划与部署、施工模拟……本文以初步设计中的桥梁方案比选和外业沿线调查等典型应用为例，探索BIM+GIS在桥梁初步设计中的价值。

3.1 桥梁方案比选

桥梁方案比选主要是为了比较桥位、桥型、外形景观等优缺点。本项目长江大桥是整条线路的关键性控制工程，主要受两岸线路高程、通航行洪要求、与长江三峡风景名胜区、污水处理厂、酒店、学校及施工水位等诸多因素的影响，各方对桥梁方案都非常重视。基于BIM+GIS的数字孪生系统既有包含工程信息的BIM模型，也有包含环境信息的实景模型，将实际成桥效果实时动态展现，达到所见即所得，可以像操作电子沙盘样360度观看，以三维可视化的形式将设计理念、设计效果传递给项目决策者，大大提高了方案研究和沟通效率，如图3所示，依次是现场环境模型、推荐方案模型和比较方案模型。

图3 桥梁方案比选

3.2 外业沿线调查

前期准备工作完成之后，就开始沿线调查，包括调查桥梁附近既有桥梁的有关资料和使用状况，跨越河流的通航情况和水文资料，设计桥梁的主塔、墩台现场放样情况，现场复核地形及地上附着物，评估对附近构造物的影响情况……通过现场踏勘时携带的笔记本电脑、平板等设备可以使用数字孪生系统的在线服务，如图4所示，辅助进行定位、标注、记录和勘察，相对于传统的二维图纸，BIM+GIS的数字孪生系统可大大提升外业工作效率。

图4 在线服务

3.3 水位变化影响分析

桥梁是江河体系的重要组成部分，也是优化水资源配置最重要的工程措施。水位变化对桥梁的设计与建造影响非常大。项目区属于三峡库区范围，受三峡水库运行调度的影响，水位变幅呈秋冬季节高，春夏季节低，且每年经受一次从175m→145m的降水位和145m→175m的升水位的变幅过程，这会对城区库岸斜坡地段的水文环境带来复杂的影响[13]。水位变化对桥梁工程的影响是专家和业主关注的重点，在初步设计阶段利用BIM+GIS的数字孪生系统结合水文勘察信息，进行水位变化的模拟分析，并制作水位消落视频，直观地为各方提供一个沟通载体，图5为水位高低变化对比图。

图5 水位高低变化对比

3.4 辅助工程算量

工程算量是一项细致、繁琐的工作，既要严格执行国家的方针、政策，又要做到合情合理、有据可依。工程算量是工程计价的基本依据，也是桥梁设计的重要内容，工程量计算的准确与否将会影响到工程造价和工程建设的投资控制。特大型桥梁设计复杂、工程量大，各构件造型复杂，有的构件内部为变形空腔结构，工程量统计困难。BIM具有工程算量所需的工程信息，利用BIM模型可以简化工程量统计。建立BIM模型之前先要确定桥梁工程专业的分部分项列表，并制订符合BIM工程算量的拆分原则，具体的拆分原则应该由桥梁结构的位置关系以及施工工艺的顺序来确定[14]，最后利用GIS强大的统计分析功能就得出各构件的工程量信息。基于BIM+GIS辅助工程数量和主要材料数量的估算，相比基于二维图纸的计算更加准确，更便于校核直接生成的项目成本，为编制设计概算和业主控制成本提供了方便，如图6所示为墩身的工程量相关信息。

图6 墩身工程量信息

3.5 三维场地布置

场地布置是施工方案的重要组成内容，是保证项目顺利完成的前提和基础。合理的场地布置方案能有效地缩短材料设备的运输距离，避免临时设施的多次搭拆，给予工程项目一个良好的施工作业环境，从而大大提高工程实施效率。由于初步设计处于前期工程阶段，掌握信息不够全面充分，使用初步设计图纸进行场地布置的方法，难免会出现场地布置不尽合理的情况，这样导致工程后期调整比较多。利用BIM+GIS技术，可以在三维环境中看到工程占地和各个结构情况，在三维实景模型的基础上进行场地规划布置，确定主桥、引桥、栈桥、便道、材料加工场及大型机械设备等的相对位置，建立形象直观的现场三维布置图(如图7所示)，可以减少场地布置过程的人为主观性、提高布置方案精度和避免传统二维平面布置的潜在风险，对整个项目的设计施工提供有力保障[15]。

图7 三维场地布置图

3.6 征地拆迁可视化分析

为了最大限度节约用地，初步设计时应尽量绕避耕地密集区，一般路段通过设置路肩墙、路堤墙、上挡墙等工程措施减少用地，同时采用了高速公路极限用地范围的措施来减少征用土地的数量，桥梁构造物的上部构造垂直投影边缘线外1.0m范围为高速公路征地范围。在初步设计阶段利用BIM+GIS的数字孪生系统将工程BIM模型、实景模型、施工红线图及三维拆迁面域叠合，借助GIS空间分析能力，实现公路用地、征用基本农田及拆迁情况的可视化采集、录入、查询和统计。这样不仅在初步设计阶段运用信息化手段为决策者提供信息支撑，后续的深化设计乃至到竣工验收，也能极大提升各参与方征地拆迁工作的规范程度和实施效率，如图8所示为房屋拆迁示意图，其中红色面为待拆迁房屋。

图8 房屋拆迁示意图

4 结语

本文用无人机倾斜摄影技术构建三维可视化的设计环境，通过SuperMap GIS 9D搭建了基于BIM+GIS的设计阶段数字孪生系统，对BIM+GIS在桥梁初步设计中的应用进行了探索，结果表明BIM+GIS可以让桥梁初步设计变得更直观、更简单、更有效。以此为基础，结合物联网、人工智能等技术，深入挖掘BIM+GIS在交通基础设施设计、施工、运维全生命周期的应用深度，也是未来实现智慧交通的有效途径。