荊靈玲

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

鐵路工程建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜長期的系統(tǒng)工程[1]，它具有顯著特點(diǎn)，如建設(shè)周期時(shí)間久，需多方參與和協(xié)調(diào)；建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，施工管理復(fù)雜；施工安全與質(zhì)量管控責(zé)任重大；施工進(jìn)度管理水平要求高等?；谶@些特點(diǎn)，該領(lǐng)域迫切需要以3S+BIM為技術(shù)核心，綜合應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位，智慧物聯(lián)及移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，完成施工過程及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和信息互聯(lián)，構(gòu)建鐵路建設(shè)施工綜合管理的信息化平臺(tái)。

信息化平臺(tái)將鐵路設(shè)計(jì)部門的BIM模型和數(shù)據(jù)作為平臺(tái)的信息數(shù)據(jù)輸入部分，融入平臺(tái)提供的GIS地理信息系統(tǒng)，以及來自于衛(wèi)星和航空遙感（RS）、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位（GNSS）等空間信息，進(jìn)行高度融合、交互協(xié)調(diào)與信息互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)展示與過程控制。利用3S+BIM技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)鐵路施工階段信息的數(shù)字化表達(dá)，同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備、施工過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，達(dá)到數(shù)字化施工的目的，通過分析采集的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行優(yōu)化處理。

1 基于北斗的3S+BIM技術(shù)

3S是指衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）。通過利用GNSS系統(tǒng)（包括北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)、GPS、Glonass、Galileo等），統(tǒng)一鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)的坐標(biāo)基準(zhǔn)。通過衛(wèi)星遙感（RS）和無人機(jī)遙感對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地形和地質(zhì)地貌、地面建筑物等情況的地理信息采集，并建立三維地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺(tái)，為后面融合BIM模型、模擬施工環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)拆遷控制，以及數(shù)字化施工打下基礎(chǔ)。GIS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和管理，并根據(jù)需要提供分析功能，達(dá)到智能化、數(shù)字化管理。GIS作為整個(gè)全線數(shù)據(jù)整合集成的引擎平臺(tái)，將各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并通過應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析挖掘，為鐵路建設(shè)運(yùn)營提供專家決策依據(jù)。

BIM技術(shù)能夠通過模型的形式呈現(xiàn)出建筑信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處理，效果更加直觀，也更容易展現(xiàn)管控的信息[2]。利用BIM技術(shù)生成勘察、設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)等階段的BIM大數(shù)據(jù)，例如建立鐵路施工模型BIM，按照鐵路設(shè)計(jì)各種專業(yè)完成的線路、路基、站房、橋梁、隧道等制作出模型[3]，依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和使用，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度模擬、施工工藝模擬、施工過程BIM模型調(diào)整、工程量統(tǒng)計(jì)和竣工模型等[4][5]。同時(shí)，采用無人機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，聯(lián)合BIM進(jìn)行對(duì)比，考察施工是否依照設(shè)計(jì)圖施工，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工問題[6]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)BDS（BeiDou Navigation Satellite System）是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一[7][8]。其在交通測(cè)繪、運(yùn)輸、海洋、災(zāi)害預(yù)報(bào)及其他特殊行業(yè)均有著廣泛應(yīng)用前景[9]。隨著導(dǎo)航接收機(jī)性能及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，北斗高精度定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)等各個(gè)階段，它與3S+BIM技術(shù)相互融合、相互結(jié)合，在鐵路工程全壽命周期各個(gè)階段發(fā)揮著不同的重要作用[10]。

2 基于北斗的3S+BIM技術(shù)在鐵路施工應(yīng)用的總體框架

通過北斗衛(wèi)星授時(shí)和高精度定位技術(shù)，提供精準(zhǔn)、可靠、快速的時(shí)間和定位坐標(biāo)體系，在鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用3S技術(shù)搭建應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)施工過程管理應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 基于北斗3S+BIM技術(shù)在鐵路施工建設(shè)應(yīng)用總體框架圖

該應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)鐵路工程設(shè)計(jì)當(dāng)中各種主流BIM軟件的協(xié)調(diào)、融合和信息共享；可實(shí)現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)融合，多系統(tǒng)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位等空間信息與GIS地理信息系統(tǒng)空間信息（3S）的采集、存儲(chǔ)、管理和分析應(yīng)用的平臺(tái)；可實(shí)現(xiàn)BIM與3S的融合、綜合展示與應(yīng)用的平臺(tái)；可對(duì)人、車、物等移動(dòng)目標(biāo)提供全面位置管理與服務(wù)的平臺(tái)；可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路路基沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)預(yù)警的平臺(tái)；可實(shí)現(xiàn)手機(jī)等移動(dòng)客戶端的管理，以及與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)信息互動(dòng)交流的平臺(tái)；可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)體與固定端視頻影像集中監(jiān)控管理的平臺(tái)；可以提供通過VR技術(shù)，模擬鐵路工程建設(shè)由勘察設(shè)計(jì)到施工過程，直到交工驗(yàn)收的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的環(huán)境情況的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)；平臺(tái)具備兼容性，可以與鐵路現(xiàn)有多種系統(tǒng)對(duì)接。

3 基于北斗的3S+BIM技術(shù)在鐵路施工中的應(yīng)用

3.1 高精度施工基準(zhǔn)網(wǎng)

首先建立工程施工基準(zhǔn)控制網(wǎng)，應(yīng)用北斗CORS網(wǎng)技術(shù)，與前期勘察設(shè)計(jì)基準(zhǔn)網(wǎng)融合，或數(shù)據(jù)融合，為工地測(cè)量、放樣、打樁、表面檢查、厚度檢查、土方計(jì)算等施工流程打下基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，可以利用專業(yè)軟件可以引入3D數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)工地任意點(diǎn)放樣、涵洞放樣、邊坡放樣、任意點(diǎn)打樁，實(shí)時(shí)檢查厚度、土方計(jì)算等，減少90%的內(nèi)業(yè)計(jì)算量；同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)任意點(diǎn)補(bǔ)樁、厚度檢查、坡度檢查、標(biāo)高檢查。利用基準(zhǔn)控制網(wǎng)做好交接樁點(diǎn)的復(fù)測(cè)與復(fù)核，完成中線、高程的控制測(cè)量，確保工程的定位精準(zhǔn)。

將建筑物及其施工現(xiàn)場(chǎng)3D模型與施工進(jìn)度、資源、安全、質(zhì)量、成本以及場(chǎng)地布置等施工信息相集成，形成基于BIM的施工進(jìn)度、施工資源及成本、施工安全與質(zhì)量、施工場(chǎng)地及設(shè)施的4D管理、實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)模擬。

3.2 三維可視化展示

通過衛(wèi)星遙感和無人機(jī)遙感對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地形和地質(zhì)地貌、地面建筑物等情況的地理信息采集，將設(shè)計(jì)好的鐵路三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鐵路全線路的漫游瀏覽，三維可視化展示，還能實(shí)現(xiàn)信息查詢及分析功能。為后面融合BIM模型、模擬施工環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)拆遷控制，以及數(shù)字化施工打下基礎(chǔ)。

3.3 施工組織

通過對(duì)施工程序模擬計(jì)算，得出工期、人力、機(jī)械、場(chǎng)地等資源的占用情況和材料消耗情況等，可對(duì)施工工期資源配置及場(chǎng)地布置進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 施工圖紙審核及方案對(duì)比優(yōu)化

利用BIM模型，進(jìn)行碰撞檢測(cè)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，可以提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、鋼筋等各單專業(yè)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)問題；解決通過傳統(tǒng)方法二維審核圖紙的遺漏、不及時(shí)、不全面、效率慢的問題，提前控制并改正；同時(shí)還可以進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如站房模型設(shè)計(jì)，通過BIM工具快速生成站房模型，對(duì)比站房造型及環(huán)境適應(yīng)性，選取最優(yōu)方案?；贐IM模型，對(duì)站房的人體舒適度、室內(nèi)日照可視化、室內(nèi)風(fēng)環(huán)境等進(jìn)行分析，完成站房設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。

3.5 數(shù)字化施工

通過構(gòu)建北斗衛(wèi)星定位、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量、數(shù)字化機(jī)械施工和施工過程的智能化。聯(lián)合無人機(jī)技術(shù)加載智能機(jī)械，實(shí)現(xiàn)施工作業(yè)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化處理，數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)BIM模型信息進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中問題，全面監(jiān)督施工過程。同時(shí)，結(jié)合BIM場(chǎng)地地形、地質(zhì)等模型，科學(xué)精準(zhǔn)并智能地指導(dǎo)機(jī)械設(shè)備施工，有效提高工作效率，保證施工質(zhì)量。

路面施工信息化管理系統(tǒng)集成北斗衛(wèi)星高精度定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，如碾壓、攤鋪、混合料運(yùn)輸、拌合站數(shù)據(jù)管理等過程實(shí)時(shí)連續(xù)可視化引導(dǎo)與管理，向業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方和操作機(jī)手提供及時(shí)精確的施工過程信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面施工過程的實(shí)時(shí)化、全數(shù)字化控制和綜合管理。路面施工信息化管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 路面施工信息化管理系統(tǒng)

3.6 施工質(zhì)量管理

集成各類傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備，各類數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)上傳，在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)展示出各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在軟件中備份查詢。如通過北斗定位及傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁長、樁身垂直度、提鉆速率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效提高樁基施工質(zhì)量；對(duì)連續(xù)梁線形及偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輔助進(jìn)行連續(xù)梁結(jié)構(gòu)分析和后續(xù)施工控制，確保合龍線形符合設(shè)計(jì)要求；基于軌道板精調(diào)小車，實(shí)測(cè)平面位置及軌面高程，指導(dǎo)軌道調(diào)整；通過自動(dòng)張拉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)張拉過程一鍵全自動(dòng)控制，提高預(yù)制梁工程質(zhì)量；研發(fā)專用無縫線路施工裝備，在施工時(shí)自動(dòng)監(jiān)控軌溫、氣溫，判斷施工方法和鋼軌拉伸量，實(shí)時(shí)監(jiān)控拉伸、撞軌等過程。

另外，可以在施工機(jī)械上加裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)設(shè)備常用的有北斗定位天線、數(shù)據(jù)傳輸模塊、激光測(cè)距和測(cè)位移傳感器等，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備采集施工作業(yè)過程中的具體參數(shù)信息（如：質(zhì)量和工藝參數(shù)）。并將實(shí)時(shí)采集的信息展現(xiàn)在監(jiān)控平臺(tái)上，通過不用顏色的圖形展示，異常數(shù)據(jù)凸顯。這種方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，監(jiān)管部門需要重點(diǎn)檢查和關(guān)注。

對(duì)混凝土拌合站監(jiān)控，事前試驗(yàn)，確保材料配比合理；事中監(jiān)控，時(shí)刻掌握配比和拌合時(shí)間數(shù)據(jù)，是否達(dá)標(biāo)一目了然；事后把關(guān)，進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)分析，尋找施工過程中的不足之處，不斷改進(jìn)，為后續(xù)生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)。

3.7 施工安全管理

利用北斗云平臺(tái)，集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可在模型上自由放置監(jiān)控點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工情況一覽無遺。在不同標(biāo)段、工程間切換，可快速了解現(xiàn)場(chǎng)不同項(xiàng)目的實(shí)時(shí)施工進(jìn)展情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患?？蓪?shí)現(xiàn)線路外業(yè)量測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、測(cè)點(diǎn)變形的實(shí)時(shí)預(yù)警，方便及時(shí)掌控沉降變形情況；在全站儀量測(cè)作業(yè)的同時(shí)，針對(duì)變形速率和累計(jì)變形量實(shí)行雙控報(bào)警，大幅提高隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管控能力；對(duì)人員檔案進(jìn)行信息化管理；對(duì)危險(xiǎn)崗位人員，在數(shù)量、在崗情況、從事工種等方面進(jìn)行管理。

基于北斗的鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有北斗位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地下水位和土壤含水率監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、地裂縫監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳功能，在線分析功能，預(yù)報(bào)警功能，綜合調(diào)度功能和北斗通信功能等。

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)探索了鐵路施工過程中3S與BIM集合的總體框架，該框架結(jié)合了3S技術(shù)的定位能力、遙感監(jiān)測(cè)能力、時(shí)空分析能力、可視化能力和BIM技術(shù)的微觀精細(xì)化建模能力，可以更好地實(shí)現(xiàn)鐵路施工過程中的信息化、數(shù)字化、可視化，有效地提升施工過程管理水平。在3S技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合方面，本論文闡述了高精基準(zhǔn)網(wǎng)、施工組織、方案審核優(yōu)化、質(zhì)量管理、安全管理、可視化和決策各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。3S和BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，為鐵路施工的智能化提供了技術(shù)支撐。