基于BIM+GIS技术的公路工程可视化管理思路

文 / 李新胜

引言

信息技术的快速发展引发了多数行业的改革热潮，特别是以人工智能、云计算、数据挖掘为代表的新兴计算机技术更是让原先难以管理的问题有了新的解决思路。BIM是建筑信息模型的简称，在经历了数十年的发展之后已经被广泛应用于与建筑项目有关的各个领域，特别是在交通、木土、测绘等领域中发挥着关键作用。在设计、建设、施工及运营等各个环节，数字化改革的进程都极为快速。通过BIM和GIS技术的使用，可视化管理方式在公路工程中大放异彩，不仅为施工质量控制带来了创新思路，同时也让整个交通基础设施更快速的发展。

一、BIM技术及其发展推广

BIM技术是工程行业现代信息技术的代表之一，其融合了计算机技术、人工智能技术、通信技术、软件技术等多个学科，利用数字技术存储和传递建筑结构及构造特点，通过3D建模的方式快速将建筑特征描述出来，可视化的结果更易于细节信息的表现。在公路项目的整个生命周期中，测绘、设计、施工和后续监管都可以有BIM技术的参与，并且能够实现更好的数据共享和信息协同。通过可视化的数据仿真和实物模拟，能够实现公路工程的施工模拟和动态监控，不但可以更好的保证公路项目的施工质量，还能够缩短项目周期，有效节约成本。

这些年，国家对于BIM技术的发展十分重视，特别是在2017年国务院发布的《关于促进建筑业持续健康发展的意见》一文中，对于BIM技术加以肯定，并表示应尽快推进此技术的发展以实现其更好的应用价值。同时，政府部门对于BIM产品的合法交付物以及其标准、体系都进一步做出了说明，让BIM产品成为了合法的交付物。在交通强国和技术兴国思想的指导下，BIM在交通行业的应用也得到了大力的推广，让我国交通行业的发展有了新的技术和新的思路。

二、BIM技术公路工程上的应用方向

BIM技术在公路工程中设计单位和施工单位应用最为广泛，并且发展速度也较快，主要的应用方向为以下几个：

（一）方案的制定和交底

每一个公路工程都会制定出多个不同的可行方案，多个方案需要经过多层比对最终确定。通过BIM技术可以绘制出方案的3D动态模型，展示更多的细节，同时也可以计算出更加详细的造价成本。在方案的对比和交底的时候，3维模型也可以更好的展示出设计细节，方案选出最优质的设计方案，为后续的质量施工打下坚实的基础。

（二）设计优化与深度设计

在设计环节应用BIM技术最大的优势在于等比设计的3D模型可以拥有更加精细的模型细节，比如公路的用料细节、各层次的厚度细节等等，在这些细节的支撑下，方案的深化和优化就会变得更加简单，在核算工程的总造价时能够提前主动的发现设计方案中的不合理之处或者错误之处，及时的对不合理地方加以调整。同样的，利用BIM技术还可以进行各项仿真模拟，比如提前进行施工模拟，找出各个路段在施工的过程中可以会存在的问题，或是发现施工过程中隐藏的施工风险等，通过模拟而得的结果可以为制定应制方案提供有力的数据参考。

（三）复杂结构建筑的设计

一些结构十分复杂桥梁等建筑在设计时会有较高的难度，平面设计和更加传统的设计方法都会造成工作量的大量增加，影响设计效率。同时在一些诸如市政观光大楼等复杂建筑的设计上，平面图纸很难将所有的设计思想都完美的表达出来，一些空间结构关系、空间设计细节还需要借助于强大的三维建模技术。同样的，在进行方案论证时，BIM的可视化细节展示也能够帮助论证人员得出更加准确的结论。BIM技术还能够在三维模型的基础上自动实现二维图纸的导出，解决了一些复杂结构建筑设计手段缺乏的痛点。

（四）施工模拟

施工模拟也称为工程的预模拟，在设计阶段完成之后则进入到具体的施工阶段，但是在现有技术的支持下，为了保证施工能够顺利进行，同时发现施工过程中可能出现的难以解决的问题，通常会使用仿真模拟技术进行预演练。BIM能够在时间和空间两个维度上去设计方案进行仿真模拟，让重点工程的顺利进行得到更多保障。在公路工程施工中，模拟演练主要包括工法模拟和安全逃生模拟两个方面，公路的设计方案都会留出逃生通道和应急通道，比如高速公路上设计的应急坡道和应急车道等，通过安全逃生演练能够论证安全通道的设计是否能够做到安全合理，同时借助于虚拟现实技术和混合现实技术也能让演练结果更加贴近真实性。

三、GIS技术在公路工程中的应用

GIS技术实现的主要是对地理位置数据的采集分析，在计算机技术和卫星通讯技术的支持下，地球上任何一个地点的位置信息在理论上都可以进行定位和分析，其技术手段包括数据的采集、存储、计算、分析和显示。GIS不光是提供了图库管理功能，还能够对空间数据进行分析计算，在公路工程中，使用GIS技术可以将BIM模型、倾斜摄影模型等多元异构数据加以融合显示，精细化的表现出周围环境的细节、建筑施工的细节等。路线的规划是公路工程非常重要的一环，公路工程进行路线规划时要保证不会对当地的水文、生态、地理特点造成破坏，同时还应将对周围环境的影响降到最低，使用GIS技术能够为路线规划提供更多依据，包括对地质数据、气象数据、水文数据、环境数据的分析，还能解决车流量预估等复杂问题。

GIS在公路工程中最大的应用优势是外部规划，这一点与BIM技术形成了良好的闭环，在建筑工程中在，BIM技术于内部规划的技术优势更明显一些。而GIS技术在公路选址、路线规划方面有着先天性的优势。另外，还有一个最为核心的方面，GIS技术能够为公路工程的材料运输提供物流规划。众所周知，公路工程需要耗费大量的建材，而其工程面积广，区域跨度大，如果不事先做好物流规划很容易导致因物流问题而提升工程施工的难度，GIS技术正适用于此。通过GIS技术，可能提前将物流路线规划好，对物流重要参考地点加以标记，解决特殊区域的物料运输难题。从GIS与BIM的对比来看，GIS更偏向于对环境信息、地理信息的表达，应用方面更集中于空间分析和位置分析，而BIM则明显偏重于设计规划和工程数据分析。

四、基于GIS+BIM的可视化技术

在整个公路工程的生命周期内GIS技术和BIM技术都得到了广泛的应用，不过BIM技术并非国产技术，在使用时受到了诸多限制，如果打破技术垄断也成为了国内建筑工程行业最为头疼的问题。由于底层的接口没有完全对国内用户开放，导致BIM软件在和其他软件进行数据交互时存在很大的障碍，这一定程度上限制了BIM技术的深度应用。不过即使如此，BIM技术仍然是公路工程中难以替代的一部分。

（一）倾斜摄影建模技术的应用

在公路工程的BIM技术中，倾斜摄影的应用最为广泛，实践价值也最高。倾斜摄影技术是指的通过无人机搭载多个传感器，从垂直、倾斜等不同角度对地面数据进行采集，属于测绘工程核心的技术之一，其完整流程为先进行多视采集，然后进行相控校正和联合平差，通过多视影像匹配和坐标系转化之后最终形成三维建模，然后建立3D数据库。在可视化平台的建设中，利用倾斜摄影技术搭建3D模型是基础环节，在3D数据库建设完成之后还要选择合适的文件格式进行存储。综合各方面的考虑，S3M格式的文件存储效果最佳，这是由于公路建模数据量庞大，不合理的文件格式很容易造成后续使用上的困难，为了高效化的实现三维数据模型的搭建及存储，在可视化平台中使用S3M格式进行数据的存储和传输是可行的。

（二）GIS数据与模型数据的格式转换

BIM中的模型设计可以通过多种软件来实现，不同软件导出的文件格式又存在差异，为了解决这一问题需要针对不同的文件进行格式转换。Bentley平台所提供的格式转换服务虽然会由于接口封闭而产生数据丢失等问题，但是辅以OGDC开放式空间数据标准等技术，可以从底层上解决模型数据格式转换过程中空间关系、属性、材质的丢失问题。这一步的核心步骤是如何利用相关技术来精确的提取几何模型数据，并且如何以不失真的方式导出材质细节和显示细节，只有在减少三角面片数的基础上，才能快速的去除一些不必要信息，最大程度的保留有用的细节数据。

（三）模型轻量化

公路工程的模型十分庞大，这是由于公路工程的道路通过路线都比较长，道路不同路段的设计细节存在很大的差异，再加上排水系统、机电设施以及其他安全设施的设计，使得人路工程的建模工作量异常庞大。通过实现模型轻量化，能够将一些相似的数据加以合并，简化三角网、子对象，对一些重复的点数据加以清算去除或者合并，然后再进行模型拆分合并等操作来达到简化模型的目的。模型轻量化尤其在倾斜摄影模型的处理环节上十分重要，这是由于通过倾斜摄影而制作的三维模型通常会异常庞大，如果不进行轻量化的话对模型的浏览、展示十分不友好，同时也会加重硬件设备的负担，让图像渲染速度缓慢。

（四）模型关联业务

在可视化项目中，模型只是基础数据，用以传递与公路项目有关的数据信息，需要对其附加业务属性之后才能够实现信息的传递与交互。这里所说的业务属性包含设计、质量、进度等，只有实现了模型与业务的相关联，才能使BIM+GIS的可视化技术参与到公路工程项目的管理与分析中。

结语

可视化管理思路是解决公路工程管理问题的有效方法，通过BIM技术和GIS技术的使用，实现数字化建模和施工仿真分析，有效提高管理效率和管理质量，为交通行业和建筑行业的发展打下技术基础。