BIM＋GIS技术在公路工程建设中的应用

赵贺来，赵 静

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

0 前 言

随着社会的快速发展，大数据、BIM＋GIS、物联网、人工智能等技术在交通工程中的逐步使用，使我国的交通建设行业也有了质的提升。交通运输部分别在2017年9月和2018年2月发布了《交通运输部办公厅关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的通知》和《交通运输部办公厅关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》，要求围绕项目管理各阶段开展BIM技术专项示范应用以及逐步开展智慧交通建设工作。

BIM＋GIS技术作为一项基础性应用，由于其三维可视及数据集成能力，将为工程BIM应用及智慧交通提供有力的技术支撑。以公路工程设计及施工管理为研究对象，开展公路工程建设全阶段应用研究意义重大。

1 BIM＋GIS技术在公路工程中的应用优势

众所周知，GIS技术主要应用于宏观区域，可集成空间地理信息、社会各要素等多种属性；BIM技术主要应用于微观单体建筑，可完成构件级项目管理。然而在交通公路行业，工程往往为长线性布置，既要关注整体布局，也要关注细部结构，采用BIM＋GIS融合技术将很有必要［1］。

在设计阶段，充分发挥BIM设计软件优势，在设计效率、成果质量提升等方面着力，并解决二维设计面临的诸多问题。

在工程施工阶段，以BIM＋GIS协同平台为基础，探索集成项目管理各内容、融合项目管理各要素，以“一个平台、一套数据、一个管理大脑”整体要求进行项目统筹管理，提升项目管理质量、水平及效率。

2 BIM技术在公路设计中的应用

2.1 概念化BIM设计技术在项目前期规划中的应用

项目前期的主要任务是确定公路设计总体方案，采用传统二维设计手段无法向业主单位直观展现各方案详情及优缺点；另外，在项目前期方案调整不可避免，相应工作量较大。因此，大量设计单位在该阶段已经采用BIM技术进行项目的概念化快速设计尝试。

2.1.1 地形数据准备

采用Civil3D软件利用等高线数据进行原始地形三维网格曲面创建，地形曲面精度取决于原始测绘数据的精度。在三维地形曲面创建过程中，通常地形曲面创建出来后会检查出二维测绘成果产生的误差，因此需进行地形曲面的局部误差数据修改、添加曲面边界、设置地形坐标系统，并输出或输入到Infraworks软件中。在Infraworks软件中，通过Raster工具对齐卫星影像数据，最终生成DEM与DOM叠和好的三维地形曲面。

2.1.2 概念化道路建模

在Infraworks软件中，道路路线通过绘制多段线的方式进行快速创建，路线细部参数通过平面微调结合纵断面视图方式进行设计；道路宽度、开挖及填筑边坡、桥梁、箱涵、路灯、标示及标牌、绿化、护栏、管网等均采用属性设置、添加结构或者装饰的方式快速添加；道路交叉口及隧洞进口开挖等均由软件自动识别创建。

2.1.3 方案快速调整及成果输出

概念化设计的公路模型，其各个参数均是可调整的，无论是道路转弯半径、路面宽度、路灯间隔、绿化植被品种、桥梁与挖填道路转化、路面材质等均可一键修改，并且直接提取其工程量数据，方案修改快速方便。同时其设计成果既可直接交互操作展示给业主，也可抽取其沿程漫游视频、动态道路交通分析成果等视频，可视化成果提取简单（见图1）。

2.2 BIM技术在公路详图设计阶段的应用

在详图设计阶段，主要采用BIM技术进行设计图纸快速出图、设计工程量精准提取以及设计成果的可视化交底等工作。

公路设计采用Civil3D软件开展，以地形三角网为基础，将公路设计方案道路路线、纵断面、装配等多参数设计出来，并最终生成道路曲面数据。通过设计采样线、设置道路装配材质等方式，可一键输出几百张道路布置图及沿程各采样断面图；同时一键输出沿程各桩号历程上的道路挖填工程量，沿程各分层道路的用料工程等（见图2）。

图2 BIM设计成果快速提取

对于桥梁等结构模型，可采用Revit软件进行结构参数化建模，并采用三维配筋软件进行异形结构钢筋绘制、出图及工程量提取。同时，设计成果也可通过云端方式，在现场通过Pad进行现场可视化交底及指导施工。

3 基于BIM＋GIS技术的公路建设平台

为全面提升公路建设过程中的管理水平以及工程质量，在统一的BIM＋GIS基础平台上，结合大数据、物联网、智能AI算法等技术，通过“人、机、料、法、环、测”等各关键要素的感知与分析判断，实现对工程建设管理有关实时信息的组织、查询、分析及预警，通过“事前可预判、事中可感知、事后可追溯”的管理方式，为管理人员提供了决策辅助信息，驱动了工程建设管理效率的提升［2］。

根据管理的内容和技术手段不同，主要包含工程数字化建管及智慧工地两部分内容。数字化建管主要对公路工程设计、质量验评、进度、安全、合同及投资、档案、物资等管理内容进行技术提升。智慧工地主要采用物联网技术对工地现场人员、作业环境等进行实时监控。

3.1 数字化建管

3.1.1 工程设计管理

针对工程设计图纸供应不及时等问题，通过搭建统一的BIM＋GIS设计管理平台，将设计计划跟踪、BIM设计成果提交、BIM设计成果校审在统一的平台上进行管理。通过提前策划、过程跟踪、成果共享的方式，有效提升了设计管理水平［3］。

3.1.2 工程验收管理

为实现项目现场无纸化办公要求，提升项目验收策划水平、验收工作管理精度，进行数字化工程验收管理。

首先，根据行业标准及工程特点，完成标准化验收表单库建设。然后，按照单元工程验收为一个循环，深入验收各工序，在验收过程中仅通过选择工程类型即可一键进行验收表单策划、编号及验收工作任务表生成。通过电子签章方式实现了人员身份的线上认证，确保了项目工程验收的线上流转。验收成果与BIM模型挂接，通过BIM模型的颜色变化直观展现验收的质量等级。

3.1.3 工程进度管理

在统一的BIM＋GIS平台上，以工程施工进度计划管理为主线，串联各项管理业务数据，形成匹配的进度计划（例如，项目合同支付款项计划、物资采购与到货计划、设计图纸交付计划等），从而使各项管理业务与工程施工进度计划形成紧密关联和相互影响。通过大数据分析、BIM＋GIS工程模拟展示的方式，将工程进展实时状态、影响因素进行仿真推演。通过提前感知、分析的方式，对工程各项工作进行预警和辅助决策。

3.1.4 工程安全管理

BIM＋GIS技术以其高可视化特性，在项目安全培训方面具有较大的优势。在工程安全管理系统中建立危险源数据库，以三维沙盘、VR交互等方式，让施工人员能够直观体验危险发生后的可怕后果，较以往的口头宣讲方式具有较好的培训效果。同时可采用BIM模型，结合现场施工管理安全知识，制作三维宣讲动画，从而提升培训工作效率。

3.1.5 工程合同及成本管理

通过项目进度及质量验收等多项管理要素提取，以线上业务流转方式，为合同结算提供依据。同时基于BIM精准算量工具，对合同工程量、验收工程量、BIM工程量等进行比对管理，通过技术手段提升项目结算工程量的准确度。

结合BIM模型，对工程进行成本核算，通过对各工程单元成本的分解、核算和预算比较分析，当实际成本与预算存在较大误差时，开展预警措施，并对单元成本进行评价，分析成本误差原因，并及时修正成本计划。

3.1.6 工程档案管理

工程档案资料应在工程施工过程中搜集，在项目档案管理平台上，结合设计、合同、安全验收等工作的线上管理方式，可将单元在施工过程中产生的设计资料、质量资料、安全资料、成本资料、验收资料等直接归档至项目档案系统。通过BIM＋GIS单元工程唯一编码，将工程中分散、无序的档案信息与施工单元挂接，实现工程档案集成系统，便于档案的管理与应用。

3.1.7 工地物资设备管理

较传统的管理方式，BIM技术在工地现场物资的管理方面具有较大优势。首先物资采购均可由BIM工程算量结合工程进度计划提取，然后工地物资设备进场后的库存状态及预警、出入库盘点等均可以BIM模型资产管理的方式开展。结合现场移动APP，采用二维码方式进行设备在场内的全过程施工跟踪。

结合第三方试验，可将物资的试验检测数据与BIM模型挂接在一起。一方面这些数据可在项目验收过程中作为项目验收依据供各方参考使用；另一方面可在项目归档时候，作为关联数据以便于后期追溯使用。

3.2 智慧工地

3.2.1 人员定位

工地人员管理的智能化以工人实名制为基础，以物联网＋智能硬件＋GIS平台为手段，通过工人佩戴装载智能芯片的安全帽、手环或者工卡，进行现场人员数据采集和传输，实现数据自动收集、上传，结合BIM＋GIS系统设置的安全电子围栏，进行危险源自动语音安全提示。

3.2.2 AI摄像头

为了实时掌握工地现场的实际进展，可将现场视频监控点位集成于BIM模型，可在三维场景中清楚地显示每个摄像头的位置，实现BIM模型与工程现场实际影像的挂接，通过点击BIM模型，可直接调取相关视频监控。

通过人脸自动识别、车牌自动识别等方式实现工地的封闭化施工，同时通过安全帽佩戴自动识别、危险作业区停留自动识别等AI技术的应用，极大提升了项目现场安全管理水平。

3.2.3 设备监控

对于现场重要设备，特别是塔吊需进行监控管理。通过三限位、五限位、防碰撞、倾角、风速等，配合塔吊强度、防碰撞终端智能传感装备，自动监测塔机运行的载重、高度、速度、力矩、变幅、风速、倾角等实时情况，并将其上传至云端管理平台进行数据分析展示，实现安全报警远程监管等功能。设置载重、力矩、速度、防碰撞等安全运行阈值，濒临危险作业时进行阶梯式报警。

3.2.4 环境监控

环境监测将实现对工程建筑工地固定监测点的扬尘、噪声、气象参数等环境监测数据的采集、存储、加工和统计分析，监测数据和视频图像通过有线或无线（4G／5G）方式传输到后端平台。通过环境监测帮助监督部门及时准确地掌握建筑工地的环境质量状况和工程施工对环境的影响程度，满足建筑施工行业环保统计的要求，为沿程施工的污染控制、污染治理、生态保护提供环境信息支持和管理决策依据。

3.3 工程BIM＋GIS综合集成

开发工程数据驾驶舱，在BIM＋GIS统一平台上，开发工程建设管理中各模块数据以集成二维、三维数字化场景，汇聚整合各类数据信息资源，以BIM＋GIS模型、GIS专题图、数据曲线图、数据柱状图、数据饼状图、数据区域图、摄像视频图、数据表等可视化模式，综合展示工程建设相关的关键性指标和信息，实现工程建设期安全、质量、投资、进度的实时监视，及相关业务在不同视角和维度的综合展现（见图3）。

图3 基于工程BIM＋GIS综合集成

4 结 论

随着公路行业BIM技术应用的日益深入，其在设计阶段通过概念化、参数化等设计技术应用，可快速形成前期可视化设计方案并抽取汇报成果，在施工图设计阶段通过批量化剖切图纸及精准算量，有效提升了方案通过率，节省了项目设计人力投入。

项目建设阶段，在BIM＋GIS基础平台上，集成工程建设管理模块及智慧工地应用。通过BIM ＋GIS可视化，从三维模型维度进行工程数据采集及集成展示；通过工程大数据分析，将各模块、应用之间的管理及数据逻辑进行详细梳理，实现工程项目总体“一盘棋”考虑。以上技术手段的应用，全面提升了项目管理深度及效率，为项目高质量建设提供了保障。

未来在项目的运行阶段，可通过BIM＋GIS平台“数据泵”的方式，抽取运维期所需的工程数据，进行工程整体数字化移交。结合运维期巡检、维护、调度运行等需要，采用物联网、人工智能等多种技术手段，持续为工程管理发挥价值。