何 鑫

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念正式提出后便迅速發(fā)酵。各行各業(yè)都試圖利用互聯(lián)網(wǎng)思維來(lái)促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，公路工程行業(yè)也不例外。然而隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷發(fā)展及公路工程的不斷深化，兩種技術(shù)單純地相結(jié)合已經(jīng)無(wú)法滿足公路工程的發(fā)展需要，多技術(shù)相結(jié)合的理念逐步發(fā)展。在這樣的背景下，BIM+GIS技術(shù)的理念便應(yīng)運(yùn)而生。

1 工程概況

本研究以山西某高速橋梁隧道工程為例，該工程是山西省高速公路網(wǎng)的重要組成部分。工程路線全長(zhǎng)96.362 km，全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，包含橋梁117座，涵洞136道，隧道11座。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序較多，施工難度大，安全質(zhì)量和監(jiān)控要求高，管理協(xié)調(diào)困難。因此采用BIM+GIS的技術(shù)，為工程推進(jìn)提供了一套輔助及優(yōu)化解決方案。

2 基本技術(shù)概述

2.1 BIM技術(shù)

建筑信息模型（Building Information Modeling）是指通過(guò)構(gòu)建建筑物的三維模型，并將相關(guān)信息數(shù)據(jù)內(nèi)嵌入模型中來(lái)實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)理、物業(yè)管理、設(shè)備管理、數(shù)字化加工、工程化管理等功能。它不是數(shù)字信息的簡(jiǎn)單集成，而是數(shù)字信息的一種應(yīng)用，可以用于設(shè)計(jì)、構(gòu)造和管理的數(shù)字方法。

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字技術(shù)的工程數(shù)據(jù)模型，它集成了建設(shè)項(xiàng)目的各種相關(guān)信息，是工程項(xiàng)目設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字表達(dá)。它可以完整描述工程對(duì)象，并在工程生命周期不同階段管理資源，并提供自動(dòng)計(jì)算、查詢、組合和拆分的實(shí)時(shí)工程數(shù)據(jù)，工程項(xiàng)目的所有參與者均可使用。BIM技術(shù)具有單一的工程數(shù)據(jù)源，支持工程生命周期內(nèi)的信息創(chuàng)建管理及全局?jǐn)?shù)據(jù)共享等功能。

2.2 GIS技術(shù)

GIS（地理信息系統(tǒng)）是一種基于地理空間的數(shù)據(jù)庫(kù)。在計(jì)算機(jī)軟件和硬件的支持下，它是通過(guò)收集、輸入、管理、編輯、查詢、分析、模擬和顯示與空間有關(guān)的數(shù)據(jù)，并使用空間模型分析方法建立的一種計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。GIS可以提供各種空間和動(dòng)態(tài)信息以進(jìn)行地理研究和決策服務(wù)。它植根于地理科學(xué)并集成了多種類型的數(shù)據(jù)，是用于收集、管理和分析數(shù)據(jù)的框架。它通過(guò)分析空間位置并使用地圖和3D場(chǎng)景將信息層組織為可視化。

GIS主要由5個(gè)元素組成，分別為硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。硬件為操作GIS的計(jì)算機(jī)設(shè)備；軟件為顯示地理信息功能的工具、數(shù)據(jù)分析方法及存儲(chǔ)方案，主要有：地理信息輸入及處理工具、視覺(jué)化工具及圖形化界面、支持地理查詢分析的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等；數(shù)據(jù)為相關(guān)空間數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)集合；人員為設(shè)計(jì)維護(hù)及管理相關(guān)的用戶；方法為良好的設(shè)計(jì)計(jì)劃和事務(wù)規(guī)律。五大元素共同保障GIS的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 BIM+GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

BIM與GIS能跨界相結(jié)合，是因?yàn)樗鼈冇幸环N天然的互補(bǔ)關(guān)系，BIM技術(shù)可以開(kāi)拓GIS技術(shù)的應(yīng)用方向，GIS技術(shù)可以參與BIM技術(shù)的全生命周期工程管理。

GIS讓BIM從微觀走向宏觀。BIM的整個(gè)全生命周期從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維，都是針對(duì)建筑本身，但是，周邊宏觀的地理環(huán)境要素也非常重要，比如，修建道路橋梁隧道等都需要兼顧已有的自然環(huán)境和人為環(huán)境信息。三維GIS研究宏觀地理環(huán)境，可提供各種空間查詢及空間分析能力。在BIM的各個(gè)階段，三維GIS都可以為其提供可視化展示、管理、決策支持等技術(shù)方法。通過(guò)BIM+GIS技術(shù)，大大拓展了BIM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用周期，尤其可以將設(shè)計(jì)、施工階段積累的BIM模型數(shù)據(jù)，繼續(xù)運(yùn)用在后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段中，有效延長(zhǎng)了BIM數(shù)據(jù)的應(yīng)用周期。

BIM將GIS從宏觀帶入微觀。通過(guò)BIM模型數(shù)據(jù)在工程設(shè)計(jì)和施工階段的應(yīng)用，能為GIS應(yīng)用提供很好的數(shù)據(jù)支撐。BIM模型數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的3D Max模型數(shù)據(jù)相比，具有語(yǔ)義完整、屬性全面、數(shù)據(jù)精細(xì)、精度更高等特點(diǎn)，可以滿足GIS應(yīng)用中精細(xì)化管理的需要。此外，在空間數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，BIM模型數(shù)據(jù)也為GIS應(yīng)用提供更加完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，對(duì)GIS技術(shù)的深入應(yīng)用支持甚多。

3 BIM+GIS技術(shù)的應(yīng)用

3.1 橋梁隧道周圍地形等高線分析

等高線是指由地形圖上等高的相鄰點(diǎn)形成的閉合曲線。通過(guò)將地面上具有相同高度的點(diǎn)連接起來(lái)并垂直投影到水平面上而形成的閉合曲線，并在圖形上按比例縮小以獲得輪廓線。

本研究結(jié)合GIS技術(shù)將該工程橋梁隧道BIM模型嵌入地形中，并通過(guò)相關(guān)地形數(shù)據(jù)對(duì)橋梁隧道周圍地質(zhì)地形進(jìn)行等高線分析，掌握整體地形結(jié)構(gòu)，直觀展現(xiàn)橋梁隧道周圍地形的高差等信息，明確橋梁隧道周圍地形的實(shí)際情況，便于整體工程的把控，如圖1所示。并在等高線分析的基礎(chǔ)上對(duì)工程周圍地質(zhì)地形做地面線提取，明確整體地形走勢(shì)，確定施工難易度，如圖2所示。

圖1 橋梁隧道周圍地形等高線分析

圖2 橋梁隧道周圍地形地面線提取

3.2 隧道周圍地質(zhì)圍巖可視化交底建模

結(jié)合隧道專業(yè)設(shè)計(jì)建立地質(zhì)圍巖數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含地質(zhì)屬性、空間位置、勘察數(shù)據(jù)等信息，并根據(jù)該信息生成分層地質(zhì)模型。并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)逐步優(yōu)化三維地質(zhì)模型進(jìn)度，完成對(duì)地質(zhì)模型的修正及局部重構(gòu)功能，以滿足專業(yè)隧道施工圖設(shè)計(jì)的要求。

通過(guò)對(duì)該工程隧道周圍地質(zhì)圍巖進(jìn)行可視化交底建模，明確不同里程段地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并用不同顏色標(biāo)識(shí)，如圖3所示。通過(guò)對(duì)不同地質(zhì)圍巖的分析，可以為工程整體布局提供決策依據(jù)，并根據(jù)綜合分析結(jié)果，合理布局隧道，減輕施工難度，節(jié)約施工成本，為建設(shè)和使用創(chuàng)造更加便利的條件。

圖3 隧道周圍地質(zhì)圍巖可視化交底建模

點(diǎn)擊不同顏色的圍巖，可對(duì)其進(jìn)行剖面分析，按照選擇線順時(shí)針90°方向的法線進(jìn)行剖切，剖切寬度為選擇線長(zhǎng)度，剖切深度為選擇線長(zhǎng)度的1/2，如圖4所示。

圖4 隧道周圍地質(zhì)圍巖剖面分析

3.3 工程周圍地質(zhì)匯水面積分析

匯水面積是指流到同一山谷地面的雨水覆蓋的區(qū)域。穿越河流和山谷道路必須建造橋梁和涵洞，修建水庫(kù)則必須建造水壩用以阻水。這時(shí)就需要根據(jù)該地區(qū)的降水量和匯水面積來(lái)確定橋梁涵洞孔徑的大小，壩的設(shè)計(jì)位置和高度以及水庫(kù)的儲(chǔ)水量等信息。

本研究結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)該工程周圍地質(zhì)匯水面積進(jìn)行分析，明確橋梁涵洞孔徑的大小，確定橋梁隧道設(shè)計(jì)方案，掌握工程整體走勢(shì)，為后續(xù)工程施工提供依據(jù)，如圖5所示。

圖5 工程周圍地質(zhì)匯水面積分析

3.4 征地拆遷管理

相比傳統(tǒng)征地拆遷管理方式，通過(guò)采用BIM+GIS技術(shù)的征地拆遷管理方案，能夠顯著提高征拆進(jìn)度計(jì)劃管理水平。該工程通過(guò)采用GIS數(shù)據(jù)生成工具來(lái)轉(zhuǎn)換在土地征用和拆遷詳細(xì)調(diào)查期間生成的數(shù)據(jù)，并將詳細(xì)調(diào)查指標(biāo)同在GIS中顯示的矢量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)用戶查找對(duì)應(yīng)詳細(xì)信息時(shí)，通過(guò)單擊對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)即可完成。

上述管理方式與傳統(tǒng)的征地拆遷管理方式的不同之處在于，采用BIM+GIS技術(shù)的征地拆遷管理方案可以精確掌握所有征拆對(duì)象的實(shí)際情況，并對(duì)相應(yīng)的施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)警，為征拆對(duì)象與工程進(jìn)展提供有效的數(shù)據(jù)支撐，從而節(jié)約征地拆遷成本。圖6中曲線標(biāo)識(shí)的部分為占地邊界線，即為該工程需要征地拆遷的部分。

圖6 征地拆遷管理

3.5 隧道施工進(jìn)度顯示

根據(jù)該工程施工單位提供的隧道施工進(jìn)度表，分別生成項(xiàng)目左線隧道，右線隧道和服務(wù)隧道的施工進(jìn)度文件，并將隧道BIM模型與施工進(jìn)度文件相關(guān)聯(lián)，匹配組件的實(shí)際施工進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度。通過(guò)設(shè)置隧道施工進(jìn)度顯示，采用不同顏色標(biāo)識(shí)隧道的施工進(jìn)度情況，便于管理人員安排工期及宏觀控制施工進(jìn)度，如圖7所示。

同時(shí)引入當(dāng)前隧道內(nèi)施工工作人員身上的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)工作人員位置及基本信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，明確人員定位，如圖8所示。當(dāng)隧道內(nèi)存在安全隱患時(shí)，可及時(shí)通知人員撤離現(xiàn)場(chǎng)，若發(fā)生事故時(shí)，可第一時(shí)間展開(kāi)救援。

圖7 隧道施工進(jìn)度顯示

圖8 隧道施工人員實(shí)時(shí)定位

3.6 施工現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控

將現(xiàn)場(chǎng)視頻與GIS技術(shù)相融合，可實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的三維地理信息可視化，提升了視頻的智能化和數(shù)據(jù)化，對(duì)空間定位和精度分析具有重要的研究意義，對(duì)工程的施工管理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

該工程施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)本地語(yǔ)音警告和遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)的情況，監(jiān)管工程進(jìn)度及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，規(guī)范施工作業(yè)，責(zé)任落實(shí)到位，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能做到及時(shí)處理，最大限度地消除安全隱患，保障施工人員的生命安全，如圖9所示。

圖9 施工現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控

3.7 基于傾斜攝影的施工場(chǎng)地VR漫游

傾斜攝影是一個(gè)集成了數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)生成過(guò)程的高新技術(shù)。通過(guò)有效的數(shù)據(jù)收集和專業(yè)的數(shù)據(jù)處理，可以生成高精度的三維模型，并將現(xiàn)實(shí)世界中的對(duì)象復(fù)制到計(jì)算機(jī)中。

VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種基于人類視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的生理及心理特征，由計(jì)算機(jī)生成逼真的三維圖像。用戶通過(guò)佩戴諸如頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套之類的交互式設(shè)備，將自己置于虛擬環(huán)境中并成為虛擬環(huán)境的成員。用戶與虛擬環(huán)境中各種對(duì)象之間的交互仿佛在現(xiàn)實(shí)世界中一樣。虛擬環(huán)境中的圖像和聲音會(huì)隨著用戶頭部的移動(dòng)而實(shí)時(shí)更改，通過(guò)手部移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)拾取物體并跟隨移動(dòng)的操作。在虛擬環(huán)境中，用戶會(huì)感到十分逼真并具有身臨其境的感覺(jué)。

本研究將GIS技術(shù)與傾斜攝影相結(jié)合，采用VR技術(shù)手段生成施工場(chǎng)地環(huán)境，直觀地表現(xiàn)施工場(chǎng)地地形、場(chǎng)地布置等實(shí)際環(huán)境。管理者通過(guò)手機(jī)、VR眼鏡等設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)沉浸式的三維視景自主瀏覽，并根據(jù)需求在場(chǎng)景中調(diào)取信息，提高工程管理者的工作效率，降低工作難度，如圖10所示。

圖10 基于傾斜攝影的施工場(chǎng)地VR漫游

4 結(jié)論

硬軟件技術(shù)的不斷發(fā)展及數(shù)字社會(huì)的建設(shè)需要，為BIM+GIS技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。本文結(jié)合山西某高速橋梁隧道工程，分析研究BIM+GIS技術(shù)在該工程施工管理中的應(yīng)用，為工程提供了更加清晰的信息傳遞和更為直觀的技術(shù)交底，對(duì)該工程施工管理的順利開(kāi)展具有積極意義。