昆阳路越江及配套道路工程数字化应用

文｜刘攀攀 蒋海里

项目介绍

昆阳路越江及配套道路工程又称闵浦三桥，位于上海市闵行区与奉贤区交界处，是上海市公路网规划中连接闵行、奉贤区的南北向的重要干线公路之一，包含一座跨越黄浦江的越江大桥，以及地面道路、排水工程等。全长约3.49km，黄浦江大桥长约1.94km。主桥为独塔单索面四跨连续钢-混凝土叠合梁斜拉桥，跨径布置为50m+2*220m+50m 总长540m，桥面采用错层布置，上层供机动车辆通行，下层供人非通行。主墩采用70 根直径Φ1500mm 的钢管桩作为基础，钻石型桥塔的塔高为136m。

项目目标。依托闵浦三桥工程，采用数字化技术，建立桥梁及地面环境的各类模型，结合桥梁建造特点，开发“基于BIM +GIS 的企业级桥梁建设数字化综合管理平台”。在综合管控平台上，集成桥梁工程各种管理类数据并将其中部分数据映射至三维模型。

关键技术及创新点

建模工具包开发。Microstation 软件的精准绘图与强大的兼容性和扩展性这两大特点满足大型桥梁建模的要求，利用Microstation 软件建立了LOD400 的闵浦三桥主桥永久结构模型，可清晰的展现钢筋及预应力系统、拉索锚固系统、附属设施等所有图纸存在的构件（图1），所有构件按照工程分部分项划分建立树状结构的父子关系。

图1 闵浦三桥主桥永久结构模型

图2 按引导线生成钢锚梁

图3 项目早期实景模型

斜拉桥桥梁构造复杂，其内部构造会随着每一个节段的钢锚梁与钢锚箱的斜拉角度的变化而存在巨大差异，为了实现这种复杂结构建模的需求，基于Microstation 开发专业插件工具，采用C#编程语言编制，主要实现钢锚梁与钢锚箱参数化建模，可以根据所定义的斜拉索角度自动生成钢锚箱与钢锚梁中所有构件。此工具包包含了导入参数表、导出参数表、各组成构件参数实时修改与预览功能、原点生成钢锚梁、按引导线生成钢锚梁等功能，大大提高了建模效率。

工程环境建模。闵浦三桥项目工程环境复杂，为了保证周边村民在施工期间的通行，协调工程与环境的空间关系，对施工环境进行实景建模。尝试采用大疆的精灵4 与M210 两种无人机采集高叠合率照片，利用实景建模软件ContextCaputure 建立误差范围在5cm 以内的工程环境实景模型。在进场时的原貌、中期阶段、项目后期以及竣工验收四个阶段更新实景模型并载入自主开发的管理平台中，进行深化使用。

无人机采集的模型为椭球坐标系，通过技术研发并设定控制点转化成工程应用的城市坐标系，实现“虚拟的桥梁结构模型”与“真实的三维工程环境”的无缝衔接，如图4所示。整合后的模型在项目区域真实三维环境下快速应用到交通模拟、场地布置和施工模拟中，通过比选可以快速确定施工每个时期交通模拟、场地布置和施工模拟等工作的方案，最大程度的减少施工工期与施工成本。闵浦三桥南北两岸立柱安装计划工期分别为142 个工作日和148 个工作日，立柱施工期间南岸配合实景模拟做场地布置与施工模拟，整个工期提前了3个工作日，北岸在立柱施工期间未建实景模型，工期比计划推迟了26 个工作日。

图4 “虚拟的桥梁结构模型”与“真实的三维工程环境”无缝衔接

图5 驱动巨量钢筋模型

图6 图形引擎中剖切功能的使用

图7 电子围栏与人员位置数据

图形引擎。本工程的管理平台采用由参评单位秉匠信息科技自主研发名为“黑洞”的图形引擎，用于对大体量、高精度的桥梁模型以及地形模型的云端展现，该引擎在多源模型整合方面的表现优异，支持多种格式的BIM 模型数据（.dgn/.i.dgn/.rvt/.ifc 等）和GIS 实景模型数据，并且具备丰富的二次开发接口。本项目全桥模型的文件大小达到了40G+，每个阶段的实景模型达到10G+。

操作流畅也是该引擎的一大特点，面对闵浦三桥如此大体量的精细化模型，即使是浏览钢筋也能非常流畅，漫游到任何视角都不会卡顿。配合隐藏地形、构件隔离隐藏与显示、顶点捕捉、距离与角度测量、包围体剖切、构件属性查看与设置、视图保存、动画漫游、GIS模型的单体化与拍平这些基本操作功能即可实现对模型在线共享的最大化利用。

基于模型的人员定位管理。为了提高现场人员管理效率、掌握人员动态，现场架设人员定位基站，人员根据集定位卡、饭卡、门禁卡于一体的卡片进入，芯片采集的人员位置数据传递到管理平台中，管理平台将人员位置数据与模型相整合，在三维虚拟施工现场中可以准确直观的显示人员基本信息、人员空间位置及周边环境信息。

在管理平台中绘制虚拟电子围栏并定义安全区域，快速预警离开安全区域的人员。管理人员通过查看工人的历史轨迹和进出闸机信息，综合实现了考勤管理及在场时间统计功能，从而对现场分块区域管理。依托实景模型，整个现场管理尤其是人员定位可以更加清晰、直观的展现。

管理平台。为了更高效的管理大型复杂结构桥梁，项目团队开发了“基于GIS+BIM 的企业级桥梁建设数字化综合管理平台”。平台采用基于角色的工作流访问控制模型，即根据工作流需求，设置统一的角色集，并分配各角色相应的访问权限。平台共开发了12 个一级功能模块，与模型紧密关联的主要有综合监控、全景展现、人员管理、进度管理、质量管理、安全管理和智能监测6 大模块。

管理平台有小程序与网页端两种访问方式。小程序主要满足采集工程现场数据、快速查看拍照和重要的信息等需求。Web 端可满足所有功能模块的任务需求，现场人员通过集成在模型中的现场视频摄像头，可清晰直接的观看现场实时画面；现场人员通过施工日志关联每日工作量，可在对应的模型展现项目进度；特殊工种信息的录入与证书图片的上传、特殊工种证书到期提醒、安全教育与安全交底人员、次数与时长进行统计、文明施工与问题跟踪的录入与查看、设备的证书与状态管理等功能便捷、省力的完成安全管理。

图8 管理平台主页面

通过此管理平台与小程序，项目现场人员可对工程与周边环境有直观的可视化了解，施工各部门对工作的流程也更清晰明了，有力的节约了沟通时间与新人工作的培训时间，有助于各部门人员更好的了解此部门的工作以及与其他部门的合作，对施工的时间与进度的控制有很大的提升。

应用总结

图9 小程序主要页面功能

以企业级桥梁施工管理平台在闵浦三桥的实际应用为依托，从模型建立、施工模拟、图形引擎、人员定位、管理平台等几个方面探索桥梁施工行业的数字化综合应用。平台在BIM+GIS 模型的基础上，结合数据库建设，根据不同岗位的施工管理者需求，归纳施工各要素之间的相互关系以及对工程项目整体进行分部分项拆分的基础上，对施工现场质量、安全、进度、人员的可视化与动态管理。

一是对核心建模软件Microstation 进行深入的探索与研究，应用自主开发的建模工具包快速、精准的生成桥梁实例，体现了Microstation 软件平台c#语言编程的强大功能，积极探索Microstation 在桥梁工程领域的模型应用优势，具有广大的应用前景和通用性。

二是首次在大型桥梁施工过程中实现全员云端共享模型，此平台在闵浦三桥项目承载了来自不同数据源的81 万个构件，2.5 亿个面片,项目参与各方能够通过轻量化平台共享高精度的模型，用普通硬件设备实现了复杂模型的共享，强化了信息的分享、沟通与交互。

三是数据的日常录入均由项目团队中各管理责任方自行录入，无第三方在项目使用过程中的辅助，使得此平台真正成为项目管理的工具。自开工以来，在平台可以看到，项目安全检查记录累计有84 条数据，安全交底64 次，累计时长达到120 个小时；合同登记42 份，设备登记管理69 条等，大大减少了各类纸质报表的使用，使得文件管理更加科学。

四是在施工领域技术上取得进度，高精度模型与实景模型通过引擎实现云端浏览，同时功能模块集成人员定位信息、闸机出入数据等物联网数据，为整个行业带来技术突破，同时在施工管理上可一定程度的缩减人力、财力和物力。

五是响应全国推进BIM 建筑信息模型技术的号召，贯彻“互联网+”的指导理念，将BIM 与GIS 技术纳入到施工管理来，对于整个施工行业能起到整体效益的提升，对于行业的信息化和数字化推进具有巨大意义。