BIM+GIS技术在德会高速公路项目中的创新应用

黎宇阳，但 晨，徐益飞，董建辉

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017；2.交通运输部BIM技术应用行业研发中心,四川 成都 610017；3.成都大学 建筑与土木工程学院,四川 成都 610106)

0 引言

目前，建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术已经成为各行业解决实际问题的重要生产力工具[1].在交通工程尤其是高速公路等带状工程项目中，融合BIM技术和地理信息系统(geographic information system,GIS)技术进行工程设计、施工建设及运营管养应用是未来的发展方向.通过实际工程应用，本研究分析了BIM+GIS技术在高速公路项目中的优势，列举了具体的应用情况，论证并展示了BIM+GIS技术的适用性与先进性，一定程度上改变了传统设计方式，提升了设计效率，成功地利用BIM+GIS技术将设计、施工及管理紧密地联系在一起.

1 项目概况

德会高速公路项目属于《四川省高速公路网规划(2014-2030年)》“16、8、8”网中20条高速联络线中的1条，起终点分别联络G5京昆高速西攀段、G4216成丽高速宜攀段，接G4216后向南延伸可形成南北向又1条便捷的西昌至昆明大通道.本项目路线全长78 km，采用双向四车道高速公路标准，设计速度为80 km/h，路基宽度为25.5 m，桥梁90座，隧道15座，桥隧比约为70%，概算总投资约130.71亿元，全线设置7处互通、3处服务区.项目区域地形起伏大，沿线断裂带及不良地质较多，跨越河流、电站等较多，建设条件差.

2 BIM+GIS技术应用情况

本项目在设计阶段全过程介入BIM+GIS技术，从工可阶段的路线走廊带选择到施工图阶段外业调查系统的使用，通过统一的高速公路构件库及构件编码，实现全专业快速建模，为设计决策提供了可靠依据，提高了设计工作效率，并将三维几何模型进行轻量化处理，为后续建设管理系统应用打下了基础.

2.1 航测技术

本项目前期，利用机载激光雷达扫描、高精度测绘技术，将获取高精度三维激光点云、高分辨率数码影像及经过数据处理获取的高清数字正射影像(digital orthophoto map，DOM)、数字高程模型(digital elevation model，DEM)、数字线划图(digital line graphic，DLG)、数字表面模型(digital surface model，DSM)等道路数据.通过机载三维激光雷达测量，实现了地面三维坐标和影像数据同步，并快速实现地物真实形态特性再现，为合理选线提供了基础数据.

通过航测数据建立的实景模型能够为BIM模型提供地理环境信息，多角度观看整个区域的地形地貌与实际情况，具有亲临真实场景查看的效果，可反复对局部及总体方案进行多角度仔细研判，特别是在宏观的地理环境查看方面具有显著的效果[2].

通过航测点云数据，实测本项目沿线的国家保护植物红椿树的树冠三维位置.本项目在设计过程中利用BIM模型清晰且直观地展示了红椿树的位置，使设计人员能准确判断路线并确定绕避方案，如图1所示.

图1 红椿树点云BIM模型

2.2 智能选线系统

与传统人工选线方式不同，本项目使用智能选线系统作为辅助手段.由于使用智能选线系统可短时间内穷尽所有可能的方案，所以可以通过设置边界约束条件、项目预算控制参数来遴选出数条有效方案，为重大方案调整选择提供直观、可视与三维的依据，同时还为设计人员对走廊带的选择分析提供支撑及对路线方案进行深入比选，大大提升了选线的效率和科学性.

智能选线系统中，可设定起终点、工程材料价格、概预算信息与桥隧等控制工程信息、地质绕避区域及走廊带偏好等工程参数，短时间内选出50条参考方案供设计人员参考，帮助设计人员高效地规划与分析公路项目的路线方案，从而支持主管领导、业主和项目工程师决策出该项目中最合理的路线.图2展示了通过智能选线系统选出的参考方案.

图2 智能选线结果展示

2.3 外业调查系统

本项目结合当前主流的GIS平台，通过采用BIM+GIS的技术路线，创造性地自主研发了适用于实地勘察阶段的外业调查系统，这是我国首次在公路外业勘测中采用三维GIS外业调查系统[3].

外业调查系统的关键技术及创新点如下：

1)三维地形与路线模型的快速建立.根据已取得的DOM、DEM和点云数据，快速建立高精度的三维地形和路线，并将前期工作方案加载到模型，在外业踏勘期间迅速直观核对基础数据与路线方案，加深对项目理解.

2)精确的定位和测距功能的研发.外业调查系统移动终端中能实时查看调查人员所在的桩号位置，实时测量地图上特定点和路线的距离，自动获取调查人员与最近桩号的距离，实现定位、测量及填报快速精准.

3)调查资料记录模板研发.根据专业特点，建立各专业外业调查资料模板，便于调查人员现场填报，同时增加语音录入和常用关键字等功能来进一步提高填写效率，并开发上传照片功能，从而使资料更直观可靠.

4)软件开发与成果封装.针对外业调查的特点及行业习惯，开发公路工程外业调查系统的专业界面.目前有手机移动端和桌面端2套系统，其中手机移动端方便外业调查人员的使用，而桌面端系统用于统一的管理.

外业调查系统在本项目中得到了广泛应用，串联起公路工程外业调查与内业设计2阶段工作，具有如下特点：

1)数字化的图纸查看.该系统包括移动端及桌面端，项目设计资料可以通过目录类别进行查阅，也可以根据施工工点、桩号等设计信息对设计资料进行搜索、查看.所有的工作都可以在移动端或桌面端完成.

2)外业调查数据现场管理.现场外业调查过程中，可追踪实时外业调查数据，可随时在终端查看各专业外业调查情况，及时掌握外业调查数据和进度，同时对记录人员进行定位，有效避免上传人员作假.相关负责人可通过登录系统汇总查看所有资料.

3)实现全过程信息化管理.该系统为不同专业提供了翔实的调查坐标分析、图文信息处理、处置措施等功能，并支持定位测距、语音输入等操作，实现全程电子信息化管理，极大提升了外业调查效率，并可生成外业调查报告，为外业踏勘全过程工作提供了有力的支持.

2.4 建立施工精度的全专业BIM模型

本项目通过建立施工图精度的BIM模型，实现了多专业全过程进行项目信息比对、综合校对及项目设计成果审查，为项目设计的准确性提供了保障.

2.4.1 建立钻孔管理与三维地质平台

本项目建立了基于Bentley平台的华创汇翔三维地质软件的钻孔数据管理及三维地质平台[4].该平台可整合不同设计阶段、不同工点及多种类型地质数据，有效解决了地质数据综合管理难题，并可快速生成三维地质模型，实现了数据实时查看、精确查找及地质体全方位、多视角展示，方便钻孔数据的查阅与管理.

本项目根据原始钻孔数据与其他原始地质资料建立的三维地质模型会让地质信息表达更丰富、准确且立体.桥梁三维地质模型如图3所示，隧道三维地质模型如图4所示.

图3 桥梁三维地质模型

图4 隧道三维地质模型

2.4.2 路基横断面标准构件库

自主研发的路基横断面标准构件库包含路面(中央分隔带、行车道、硬路肩、土路肩)、边坡(填方边坡、挖方边坡)、边沟及防护工程(路肩墙、路堤墙、路堑墙)在内的所有公路工程横断面设计及路幅组成的所有元素，并且能完成满足公路工程横断面设计习惯及方式的参数化修改，以便通过标准构件来快速建立公路工程BIM模型.

通过标准构件的编制可根据不同地形情况自动生成路基模型，如图5所示，这对路线路基方案的确定提供了支持.路基专业基于线路专业的数据，实现了路基与线路的关联，实时生成路基模型.由于与路线的关联，只需更改对应的标准横断面模板和路线，就能实时更新路基模型，极大缩短了设计阶段的建模工作时间，提升建模效率.

图5 路基自动化建模

2.4.3 桥隧标准构件库

自主研发的桥隧标准构件库，基于线路专业数据，可实现桥梁与线路的关联.由自定义参数化构件来创建各类参数构件库.所有常规桥梁均可参数化、自动化建模.最终完成的桥梁BIM参数化构件库基本覆盖了四川省高速公路简支梁桥和连续梁桥常用构件，几何模型精度和信息粒度均达到LOD400以上.桥梁自动化建模如图6所示.

图6 桥梁自动化建模

桥隧专业还建立了构件编码标准，以便让BIM模型交付系统通过编码标准快速而精准地将设计图纸绑定到BIM模型对应的构件中.通过二次开发，包括命名规则、编码规则、材料规则，不仅用于桥隧模型的快速自动建立，而且能使模型较容易地与建设管理系统对接.隧道自动化建模如图7所示.

图7 隧道自动化建模

2.5 BIM模型轻量化

建设管理系统需集成工程项目的三维几何信息.由于数据量极大，原始数据的冗余使得用户在使用建设管理系统时有不好的体验.因此，将BIM模型部署到建设管理平台前先对其几何结构进行数据轻量化，最大程度减少冗余数据，降低终端设备配置要求，提高终端加载效率，发挥建设管理系统在工程管理中的最大价值，更新现有的高速公路管理模式.

本项目中BIM模型几何属性轻量化采用的是基于二次误差度量(quadric error metric,QEM)的简化算法[5].QEM算法在简化过程中以边作为删除对象，以每条边2个端点到相关局部平面距离的平方作为二次误差来测度确定简化顺序，由简化比确定折叠边数量.

如图8所示，若顶点V1到V2所形成的边满足折叠条件，则计算出1个新顶点V，并更新三维模型网格的几何拓扑关系，形成新的网格模型.

图8 几何轻量化过程

QEM算法中，假设1个顶点所在平面的方程为ax+by+cz+d=0，且a2+b2+c2=1，求得参数a、b、c及d，则定义1个顶点所在任意平面的二次误差度量Q为，

(1)

图8中，设顶点V1=[x1,y1,z1,1]T的相关局部平面集合为plane(V1)，集合中所有平面的二次误差度量累加和为Q1.相应地，设顶点V2=[x2,y2,z2,1]T，其相关局部平面集合为plane(V2)，集合中所有平面的二次误差度量累加和为Q2.则，更新网格拓扑关系后，新顶点V=[x,y,z,1]T的二次度量误差为(Q1+Q2).定义该边折叠后代价为C，初始状态下C=Δ(V)=0，一旦开始进行边折叠，则，

C=Δ(V)=VT(Q1+Q2)V

(2)

取代价C为最小值时进行边折叠.重复进行上述过程，直到无法继续进行边折叠时结束模型简化过程.

2.6 BIM模型数字化交付

2.6.1 三维模型交付

本项目自主研发的设计交付系统打通了不同BIM模型数据的信息接口，可使由不同BIM平台、软件创建的模型数据及对应信息无缺失地进入到统一的GIS平台.将多种格式的BIM模型融合到GIS系统的复杂问题转化为其中几种有限的BIM数据格式到GIS系统的融合问题，一方面简化了BIM模型融合至GIS系统的复杂度，提高了集成效率，另一方面实现了BIM模型对外统一的数据格式，比如可将IFC、FBX、DGN及CityGML等从BIM模型或设计软件平台提取的中间数据格式文件转换成多种GIS系统支持的数据格式，如图9所示.

图9 数据交互系统

2.6.2 设计数据交付

在勘察设计阶段，设计信息和BIM模型的数据是基于工程结构分解(engineering breakdown structure，EBS)组织的.在施工建设阶段，施工过程数据是按照工作结构分解(work breakdown structure，WBS)组织的.

传统的设计及施工过程中，EBS、WBS、工程数量表及工程量清单等4种数据相互独立，并无依托.然而，实际工程建设应用中，同一数据在不同的流程中却常常需要反复填写，极大降低了工作效率[6].

因此，本项目在建设管理系统的建设过程中对上述每种数据都进行了结构化梳理，并根据《施工招标文件》及《工程质量检验评定标准》对数据类型与绑定关系进行了明确，并在数据结构的横向扩展及底层上实现了唯一数据源的统一，提高了数据周转效率.BIM模型与数据信息绑定情形如图10所示.

图10 BIM模型与数据信息绑定

2.7 建设管理系统

建设管理系统本质就是BIM模型在GIS平台中的展示与应用.工程建设信息数量巨大、繁杂，信息之间又存在着复杂的逻辑关系，所以建设管理系统借助GIS平台对海量数据存储、编辑及查询的优势，通过数据轻量化及施工信息集成化等方式，搭建了基于GIS平台的系统构架.该构架对海量数据的管理能力满足了公路工程路线长、信息多与工序繁杂等特点，是其他任何系统无法取代的.

目前，本研究开发的德会高速公路全线78 km的BIM模型建模和建设管理平台已投入使用.建模内容主要包含路基、桥梁、隧道、互通模型及涵洞天桥模型，且所有施工标段(TJ1-1/TJ1-2/TJ1-3/TJ2-1/TJ2-2/TJ2-3)模型均已上线至建设管理平台.

建设管理系统具有如下主要的功能及特点：

1)实现项目电子沙盘可视化管理.建设管理系统以GIS系统作为基础平台，以三维实景形式展示路基、桥梁、隧道及互通等全项目全专业BIM模型信息及项目区域的地形、地貌等信息，同时支持在移动端和桌面端进行场景漫游、查询定位、属性查看及空间分析等功能，是BIM+GIS技术完美结合的直接体现.

2)施工信息化集成及协同管理.建设管理系统对设计图纸、EBS、WBS、工程数量表、工程量清单、BIM模型、施工现场信息资料、施工进度计划、实验室监测数据、质量控制与整改记录及征地拆迁信息进行数据化集成，并逐一梳理每条数据在工程建设中的逻辑关系，满足“任何信息录入1次，永久使用”的功能.

3)实现设计图纸在线查看.建设管理系统中，可以通过设计资料的目录类别查阅设计资料，也可以点击模型查看相关的设计资料，还可以根据施工工点及桩号等设计信息搜索查看设计资料.

4)实时跟踪施工组织计划.项目管理人员登录桌面端设置当月的计划信息，现场施工人员根据实际完成情况在移动端按时填报进度.计划信息和当前完成进度都可以在电子沙盘中以着色高亮显示的方式直观地表达出来.用户可以根据需要设置不同的颜色或显示不同类型的部件，便于直观地把握施工进展情况，并基于填报的数据进行计量管理与考核.

5)完成施工过程建管记录.建设管理系统使得远程现场管理成为可能.巡查人员、施工人员及项目人员可以在施工现场使用移动端记录巡查情况、施工工序情况，通过图片、视频、文字描述等方式记录并上传.上传的资料自动与BIM模型关联，通过资料直接定位到对应的BIM模型.

6)实现现场质量控制与整改.现场施工过程中，对质量不合格事件的处理也得到跟踪.从质量不合格事件的发生到不合格的处理，每位操作人员、操作过程及处理方式都得到完整的跟踪.

7)促进征地拆迁与管理.征地现场人员在征地过程中通过建设管理系统记录征地的过程和状态.在建设管理系统中非常形象地展示出征地的状态，以便征地问题的交流.

3 结 论

本项目中，BIM+GIS技术在公路工程勘察设计及施工管理阶段发挥了重要作用.项目前期，采用机载激光雷达提供更加准确的地形数据，通过自定义坐标系来统一不同来源的测绘数据，并且由GIS平台来管理这些数据，有效地提升了测量效率.智能选线系统极大提高了项目前期工作与决策的效率，为路线方案的论证提供了多样本的参考，也为科学决策提供了依据.外业调查系统打通了外业与内业工作的信息交互，实现了外业工作与内业工作进程一体化，为保障工程设计具有优良质量提供了坚实的基础.三维地质系统极大提升了专业地质绘图效率，缩短了项目设计周期.BIM模型提升了工程设计的效率与质量.建设管理系统完成了GIS平台对BIM模型的完整数据展示与应用，极大提升了项目管理效率，也极大降低了管理成本.