趙賀來，趙 靜

（1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 311231）

0 前 言

隨著社會的快速發(fā)展，大數據、BIM＋GIS、物聯(lián)網、人工智能等技術在交通工程中的逐步使用，使我國的交通建設行業(yè)也有了質的提升。交通運輸部分別在2017年9月和2018年2月發(fā)布了《交通運輸部辦公廳關于開展公路BIM技術應用示范工程建設的通知》和《交通運輸部辦公廳關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》，要求圍繞項目管理各階段開展BIM技術專項示范應用以及逐步開展智慧交通建設工作。

BIM＋GIS技術作為一項基礎性應用，由于其三維可視及數據集成能力，將為工程BIM應用及智慧交通提供有力的技術支撐。以公路工程設計及施工管理為研究對象，開展公路工程建設全階段應用研究意義重大。

1 BIM＋GIS技術在公路工程中的應用優(yōu)勢

眾所周知，GIS技術主要應用于宏觀區(qū)域，可集成空間地理信息、社會各要素等多種屬性；BIM技術主要應用于微觀單體建筑，可完成構件級項目管理。然而在交通公路行業(yè)，工程往往為長線性布置，既要關注整體布局，也要關注細部結構，采用BIM＋GIS融合技術將很有必要［1］。

在設計階段，充分發(fā)揮BIM設計軟件優(yōu)勢，在設計效率、成果質量提升等方面著力，并解決二維設計面臨的諸多問題。

在工程施工階段，以BIM＋GIS協(xié)同平臺為基礎，探索集成項目管理各內容、融合項目管理各要素，以“一個平臺、一套數據、一個管理大腦”整體要求進行項目統(tǒng)籌管理，提升項目管理質量、水平及效率。

2 BIM技術在公路設計中的應用

2.1 概念化BIM設計技術在項目前期規(guī)劃中的應用

項目前期的主要任務是確定公路設計總體方案，采用傳統(tǒng)二維設計手段無法向業(yè)主單位直觀展現各方案詳情及優(yōu)缺點；另外，在項目前期方案調整不可避免，相應工作量較大。因此，大量設計單位在該階段已經采用BIM技術進行項目的概念化快速設計嘗試。

2.1.1 地形數據準備

采用Civil3D軟件利用等高線數據進行原始地形三維網格曲面創(chuàng)建，地形曲面精度取決于原始測繪數據的精度。在三維地形曲面創(chuàng)建過程中，通常地形曲面創(chuàng)建出來后會檢查出二維測繪成果產生的誤差，因此需進行地形曲面的局部誤差數據修改、添加曲面邊界、設置地形坐標系統(tǒng)，并輸出或輸入到Infraworks軟件中。在Infraworks軟件中，通過Raster工具對齊衛(wèi)星影像數據，最終生成DEM與DOM疊和好的三維地形曲面。

2.1.2 概念化道路建模

在Infraworks軟件中，道路路線通過繪制多段線的方式進行快速創(chuàng)建，路線細部參數通過平面微調結合縱斷面視圖方式進行設計；道路寬度、開挖及填筑邊坡、橋梁、箱涵、路燈、標示及標牌、綠化、護欄、管網等均采用屬性設置、添加結構或者裝飾的方式快速添加；道路交叉口及隧洞進口開挖等均由軟件自動識別創(chuàng)建。

2.1.3 方案快速調整及成果輸出

概念化設計的公路模型，其各個參數均是可調整的，無論是道路轉彎半徑、路面寬度、路燈間隔、綠化植被品種、橋梁與挖填道路轉化、路面材質等均可一鍵修改，并且直接提取其工程量數據，方案修改快速方便。同時其設計成果既可直接交互操作展示給業(yè)主，也可抽取其沿程漫游視頻、動態(tài)道路交通分析成果等視頻，可視化成果提取簡單（見圖1）。

2.2 BIM技術在公路詳圖設計階段的應用

在詳圖設計階段，主要采用BIM技術進行設計圖紙快速出圖、設計工程量精準提取以及設計成果的可視化交底等工作。

公路設計采用Civil3D軟件開展，以地形三角網為基礎，將公路設計方案道路路線、縱斷面、裝配等多參數設計出來，并最終生成道路曲面數據。通過設計采樣線、設置道路裝配材質等方式，可一鍵輸出幾百張道路布置圖及沿程各采樣斷面圖；同時一鍵輸出沿程各樁號歷程上的道路挖填工程量，沿程各分層道路的用料工程等（見圖2）。

圖2 BIM設計成果快速提取

對于橋梁等結構模型，可采用Revit軟件進行結構參數化建模，并采用三維配筋軟件進行異形結構鋼筋繪制、出圖及工程量提取。同時，設計成果也可通過云端方式，在現場通過Pad進行現場可視化交底及指導施工。

3 基于BIM＋GIS技術的公路建設平臺

為全面提升公路建設過程中的管理水平以及工程質量，在統(tǒng)一的BIM＋GIS基礎平臺上，結合大數據、物聯(lián)網、智能AI算法等技術，通過“人、機、料、法、環(huán)、測”等各關鍵要素的感知與分析判斷，實現對工程建設管理有關實時信息的組織、查詢、分析及預警，通過“事前可預判、事中可感知、事后可追溯”的管理方式，為管理人員提供了決策輔助信息，驅動了工程建設管理效率的提升［2］。

根據管理的內容和技術手段不同，主要包含工程數字化建管及智慧工地兩部分內容。數字化建管主要對公路工程設計、質量驗評、進度、安全、合同及投資、檔案、物資等管理內容進行技術提升。智慧工地主要采用物聯(lián)網技術對工地現場人員、作業(yè)環(huán)境等進行實時監(jiān)控。

3.1 數字化建管

3.1.1 工程設計管理

針對工程設計圖紙供應不及時等問題，通過搭建統(tǒng)一的BIM＋GIS設計管理平臺，將設計計劃跟蹤、BIM設計成果提交、BIM設計成果校審在統(tǒng)一的平臺上進行管理。通過提前策劃、過程跟蹤、成果共享的方式，有效提升了設計管理水平［3］。

3.1.2 工程驗收管理

為實現項目現場無紙化辦公要求，提升項目驗收策劃水平、驗收工作管理精度，進行數字化工程驗收管理。

首先，根據行業(yè)標準及工程特點，完成標準化驗收表單庫建設。然后，按照單元工程驗收為一個循環(huán)，深入驗收各工序，在驗收過程中僅通過選擇工程類型即可一鍵進行驗收表單策劃、編號及驗收工作任務表生成。通過電子簽章方式實現了人員身份的線上認證，確保了項目工程驗收的線上流轉。驗收成果與BIM模型掛接，通過BIM模型的顏色變化直觀展現驗收的質量等級。

3.1.3 工程進度管理

在統(tǒng)一的BIM＋GIS平臺上，以工程施工進度計劃管理為主線，串聯(lián)各項管理業(yè)務數據，形成匹配的進度計劃（例如，項目合同支付款項計劃、物資采購與到貨計劃、設計圖紙交付計劃等），從而使各項管理業(yè)務與工程施工進度計劃形成緊密關聯(lián)和相互影響。通過大數據分析、BIM＋GIS工程模擬展示的方式，將工程進展實時狀態(tài)、影響因素進行仿真推演。通過提前感知、分析的方式，對工程各項工作進行預警和輔助決策。

3.1.4 工程安全管理

BIM＋GIS技術以其高可視化特性，在項目安全培訓方面具有較大的優(yōu)勢。在工程安全管理系統(tǒng)中建立危險源數據庫，以三維沙盤、VR交互等方式，讓施工人員能夠直觀體驗危險發(fā)生后的可怕后果，較以往的口頭宣講方式具有較好的培訓效果。同時可采用BIM模型，結合現場施工管理安全知識，制作三維宣講動畫，從而提升培訓工作效率。

3.1.5 工程合同及成本管理

通過項目進度及質量驗收等多項管理要素提取，以線上業(yè)務流轉方式，為合同結算提供依據。同時基于BIM精準算量工具，對合同工程量、驗收工程量、BIM工程量等進行比對管理，通過技術手段提升項目結算工程量的準確度。

結合BIM模型，對工程進行成本核算，通過對各工程單元成本的分解、核算和預算比較分析，當實際成本與預算存在較大誤差時，開展預警措施，并對單元成本進行評價，分析成本誤差原因，并及時修正成本計劃。

3.1.6 工程檔案管理

工程檔案資料應在工程施工過程中搜集，在項目檔案管理平臺上，結合設計、合同、安全驗收等工作的線上管理方式，可將單元在施工過程中產生的設計資料、質量資料、安全資料、成本資料、驗收資料等直接歸檔至項目檔案系統(tǒng)。通過BIM＋GIS單元工程唯一編碼，將工程中分散、無序的檔案信息與施工單元掛接，實現工程檔案集成系統(tǒng)，便于檔案的管理與應用。

3.1.7 工地物資設備管理

較傳統(tǒng)的管理方式，BIM技術在工地現場物資的管理方面具有較大優(yōu)勢。首先物資采購均可由BIM工程算量結合工程進度計劃提取，然后工地物資設備進場后的庫存狀態(tài)及預警、出入庫盤點等均可以BIM模型資產管理的方式開展。結合現場移動APP，采用二維碼方式進行設備在場內的全過程施工跟蹤。

結合第三方試驗，可將物資的試驗檢測數據與BIM模型掛接在一起。一方面這些數據可在項目驗收過程中作為項目驗收依據供各方參考使用；另一方面可在項目歸檔時候，作為關聯(lián)數據以便于后期追溯使用。

3.2 智慧工地

3.2.1 人員定位

工地人員管理的智能化以工人實名制為基礎，以物聯(lián)網＋智能硬件＋GIS平臺為手段，通過工人佩戴裝載智能芯片的安全帽、手環(huán)或者工卡，進行現場人員數據采集和傳輸，實現數據自動收集、上傳，結合BIM＋GIS系統(tǒng)設置的安全電子圍欄，進行危險源自動語音安全提示。

3.2.2 AI攝像頭

為了實時掌握工地現場的實際進展，可將現場視頻監(jiān)控點位集成于BIM模型，可在三維場景中清楚地顯示每個攝像頭的位置，實現BIM模型與工程現場實際影像的掛接，通過點擊BIM模型，可直接調取相關視頻監(jiān)控。

通過人臉自動識別、車牌自動識別等方式實現工地的封閉化施工，同時通過安全帽佩戴自動識別、危險作業(yè)區(qū)停留自動識別等AI技術的應用，極大提升了項目現場安全管理水平。

3.2.3 設備監(jiān)控

對于現場重要設備，特別是塔吊需進行監(jiān)控管理。通過三限位、五限位、防碰撞、傾角、風速等，配合塔吊強度、防碰撞終端智能傳感裝備，自動監(jiān)測塔機運行的載重、高度、速度、力矩、變幅、風速、傾角等實時情況，并將其上傳至云端管理平臺進行數據分析展示，實現安全報警遠程監(jiān)管等功能。設置載重、力矩、速度、防碰撞等安全運行閾值，瀕臨危險作業(yè)時進行階梯式報警。

3.2.4 環(huán)境監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)測將實現對工程建筑工地固定監(jiān)測點的揚塵、噪聲、氣象參數等環(huán)境監(jiān)測數據的采集、存儲、加工和統(tǒng)計分析，監(jiān)測數據和視頻圖像通過有線或無線（4G／5G）方式傳輸到后端平臺。通過環(huán)境監(jiān)測幫助監(jiān)督部門及時準確地掌握建筑工地的環(huán)境質量狀況和工程施工對環(huán)境的影響程度，滿足建筑施工行業(yè)環(huán)保統(tǒng)計的要求，為沿程施工的污染控制、污染治理、生態(tài)保護提供環(huán)境信息支持和管理決策依據。

3.3 工程BIM＋GIS綜合集成

開發(fā)工程數據駕駛艙，在BIM＋GIS統(tǒng)一平臺上，開發(fā)工程建設管理中各模塊數據以集成二維、三維數字化場景，匯聚整合各類數據信息資源，以BIM＋GIS模型、GIS專題圖、數據曲線圖、數據柱狀圖、數據餅狀圖、數據區(qū)域圖、攝像視頻圖、數據表等可視化模式，綜合展示工程建設相關的關鍵性指標和信息，實現工程建設期安全、質量、投資、進度的實時監(jiān)視，及相關業(yè)務在不同視角和維度的綜合展現（見圖3）。

圖3 基于工程BIM＋GIS綜合集成

4 結 論

隨著公路行業(yè)BIM技術應用的日益深入，其在設計階段通過概念化、參數化等設計技術應用，可快速形成前期可視化設計方案并抽取匯報成果，在施工圖設計階段通過批量化剖切圖紙及精準算量，有效提升了方案通過率，節(jié)省了項目設計人力投入。

項目建設階段，在BIM＋GIS基礎平臺上，集成工程建設管理模塊及智慧工地應用。通過BIM ＋GIS可視化，從三維模型維度進行工程數據采集及集成展示；通過工程大數據分析，將各模塊、應用之間的管理及數據邏輯進行詳細梳理，實現工程項目總體“一盤棋”考慮。以上技術手段的應用，全面提升了項目管理深度及效率，為項目高質量建設提供了保障。

未來在項目的運行階段，可通過BIM＋GIS平臺“數據泵”的方式，抽取運維期所需的工程數據，進行工程整體數字化移交。結合運維期巡檢、維護、調度運行等需要，采用物聯(lián)網、人工智能等多種技術手段，持續(xù)為工程管理發(fā)揮價值。