溫郁斌 李建勛 陶鋒 王軍 賀來國 許貴青

(1.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000；2.山西路橋智慧交通信息科技有限公司，山西 太原 030000；3.山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030600)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越受到重視[1]。高速公路作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，具有促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善出行條件等重要作用[2-3]。然而，在高速公路建設(shè)過程中，存在諸多問題，如施工周期長、成本高、質(zhì)量難以保證等，對(duì)高速公路建設(shè)進(jìn)程和質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響，因此，加強(qiáng)高速公路智能化建造技術(shù)研究十分重要[4-6]。

近年來，建筑信息模型(BIM)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為推進(jìn)工程建設(shè)數(shù)字化、智能化的重要手段[7-9]?；贐IM和GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)是指將BIM和GIS技術(shù)有機(jī)結(jié)合，為高速公路建設(shè)提供全方位的數(shù)字化管理支持，實(shí)現(xiàn)高速公路建設(shè)全過程的數(shù)字化、智能化、協(xié)同化[10]。

本文重點(diǎn)闡述基于BIM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)、功能模塊和應(yīng)用效果，并對(duì)未來平臺(tái)發(fā)展提出展望。相關(guān)研究成果對(duì)于推動(dòng)高速公路建設(shè)數(shù)字化、智能化、協(xié)同化具有重要意義，可以提高高速公路建設(shè)效率和質(zhì)量，降低建設(shè)成本，提升交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平。

1 BIM+GIS技術(shù)概述

1.1 技術(shù)架構(gòu)

BIM技術(shù)具有全生命周期管理、數(shù)字化展現(xiàn)、可視化協(xié)作等特點(diǎn)，為工程建設(shè)過程中的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)等環(huán)節(jié)提供了有力支持。GIS技術(shù)具有數(shù)據(jù)處理、空間分析、地圖制圖等功能，可以幫助工程管理人員對(duì)工程建設(shè)過程中的空間信息進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測和管理。BIM+GIS技術(shù)是指將建筑模型信息與原始地理空間信息相融合，并在三維可視化條件下進(jìn)行模型信息化存儲(chǔ)、分析、管理，已廣泛應(yīng)用于公路工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工和運(yùn)維等階段。BIM+GIS技術(shù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 BIM+GIS技術(shù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)構(gòu)架

1.2 具體功能

基于BIM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)主要具有以下功能：

(1)建模與可視化。通過數(shù)字化建模實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路工程的可視化呈現(xiàn)，幫助設(shè)計(jì)師、施工人員、管理人員等更加直觀、準(zhǔn)確地了解工程建設(shè)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。

(2)協(xié)同設(shè)計(jì)。通過可視化協(xié)作功能，實(shí)現(xiàn)不同人員在不同地點(diǎn)對(duì)工程建設(shè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，提高工程建設(shè)效率。

(3)空間分析。通過GIS技術(shù)對(duì)工程建設(shè)過程中的空間信息進(jìn)行分析和處理，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

(4)信息集成。通過將BIM和GIS技術(shù)相結(jié)合，對(duì)工程建設(shè)過程中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和管理，為工程管理人員提供更加全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的信息支持。

(5)智能決策。通過智能決策系統(tǒng)對(duì)工程建設(shè)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘和預(yù)測，為工程管理人員提供科學(xué)決策支持。

1.3 應(yīng)用價(jià)值

基于BIM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)應(yīng)用價(jià)值主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)空間信息管理。傳統(tǒng)的工程建設(shè)管理主要依賴于二維平面圖樣，無法對(duì)三維空間信息進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的管理和監(jiān)測。基于BIM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息全方位、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的管理和監(jiān)測，從而提高施工效率和質(zhì)量。

(2)多方數(shù)據(jù)協(xié)同。在工程建設(shè)過程中，往往需要多方協(xié)同合作，而各方數(shù)據(jù)往往無法有效共享和管理?；贐IM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多方數(shù)據(jù)的集成和協(xié)同管理，從而提高協(xié)作效率，減少溝通成本。

(3)信息交流與共享。在工程建設(shè)過程中，各部門之間的信息交流和共享通常是一個(gè)難題。信息的流通往往受時(shí)間和空間的限制，導(dǎo)致工程管理效率低下?；贐IM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)多方信息交流和共享，從而提高工程管理的效率和質(zhì)量。

(4)實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。在工程建設(shè)過程中，往往需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，以保證工程的安全性和穩(wěn)定性?；贐IM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)，可以對(duì)工程建設(shè)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，減少事故發(fā)生概率，提高工程建設(shè)的安全性。

2 基于BIM+GIS技術(shù)的高速公路智慧建造平臺(tái)功能模塊與應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

本文以某高速公路建設(shè)工程項(xiàng)目為例，運(yùn)用BIM+GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目智慧建造平臺(tái)構(gòu)建，并成功實(shí)現(xiàn)各分部分項(xiàng)平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。在平臺(tái)的不同展示界面，以文字、圖片、視頻等多種方式展示項(xiàng)目建設(shè)全過程。項(xiàng)目概況示意圖如圖2所示。

2.2 構(gòu)件檢索模塊

各構(gòu)件可隨工程建設(shè)過程動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)相關(guān)施工數(shù)據(jù)，依據(jù)工程結(jié)構(gòu)部位的劃分，結(jié)合項(xiàng)目信息化平臺(tái)管理系統(tǒng)的施工圖樣、技術(shù)資料、檢驗(yàn)批、工序照片等資料，實(shí)現(xiàn)任意構(gòu)件的實(shí)時(shí)檢索，并能夠跟蹤構(gòu)件施工的完整信息，進(jìn)行構(gòu)件結(jié)合面信息查詢，包括從設(shè)計(jì)信息到實(shí)施過程的完整信息，真正實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、建造過程的全流程數(shù)據(jù)鏈。檢索功能數(shù)據(jù)流架構(gòu)如圖3所示。

圖3 檢索功能數(shù)據(jù)流架構(gòu)

2.3 碰撞校驗(yàn)?zāi)K

通過運(yùn)用智慧建造平臺(tái)碰撞校驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行虛擬排布，事先排除施工隱患，對(duì)設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行三維審核，提高與設(shè)計(jì)方的交涉效率，規(guī)避空間沖突與碰撞，有效防止返工。碰撞校驗(yàn)示例如圖4所示。

圖4 碰撞校驗(yàn)示例(截圖)

2.4 工程算量模塊

通過定制該項(xiàng)目的工程量計(jì)算規(guī)則，能夠快速、準(zhǔn)確地提取路基工程、路面工程、隧道工程、橋梁和涵洞工程、防水工程等單位工程量，并生成符合計(jì)算規(guī)則的工程量清單。在創(chuàng)建BIM模型的過程中，通過輸入各構(gòu)件相應(yīng)的工程屬性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類與統(tǒng)計(jì)。利用工程量統(tǒng)計(jì)功能，在施工階段對(duì)材料消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工程量的復(fù)核。工程算量界面示意圖如圖5所示。

2.5 進(jìn)度管理模塊

根據(jù)合同段施工進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)各實(shí)體工程進(jìn)行分解關(guān)聯(lián)，建立施工計(jì)劃管理；基于現(xiàn)場施工具體執(zhí)行情況，通過與移動(dòng)終端APP現(xiàn)場工序交驗(yàn)進(jìn)度數(shù)據(jù)對(duì)接共享，實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場施工進(jìn)度；將施工計(jì)劃與施工進(jìn)度關(guān)聯(lián)至BIM模型，通過電子沙盤直觀展現(xiàn)整個(gè)工程計(jì)劃進(jìn)度和施工進(jìn)度對(duì)比結(jié)果，便于管理人員及時(shí)把控工程進(jìn)度。

在該平臺(tái)中，以時(shí)間軸的形式動(dòng)態(tài)展現(xiàn)各構(gòu)件施工進(jìn)度，并用不同顏色區(qū)分正常施工和延期施工狀態(tài)，便于管理人員直觀了解項(xiàng)目進(jìn)展。進(jìn)度管理界面示意圖如圖6所示。

圖6 進(jìn)度管理界面示意圖(截圖)

2.6 安全巡查模塊

在智慧建造平臺(tái)中設(shè)置分類清晰、合理的安全問題，各參建單位和部門均可針對(duì)檢查出的安全問題發(fā)起處理任務(wù)，并指派至相關(guān)部門或人員。確保責(zé)任落實(shí)到人，過程可追溯，處理有結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)管理。例如，發(fā)起處理任務(wù)后，相關(guān)人員會(huì)收到信息提醒(手機(jī)任務(wù)提醒或短信提醒)，在問題為整改之前，模型會(huì)在具體工程部位以警示燈的方式進(jìn)行提醒。相關(guān)人員通過手機(jī)端將現(xiàn)場問題的處理措施、影像資料等進(jìn)行回復(fù)，發(fā)起人確認(rèn)整改合格后，端會(huì)自動(dòng)關(guān)閉警示燈。同時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)記錄整個(gè)安全處理過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)留痕。安全預(yù)警界面示意圖如圖7所示。

2.7 資料管理模塊

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)圖樣管理和技術(shù)資料管理，通過在系統(tǒng)中將現(xiàn)有的圖樣和技術(shù)資料進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)和管理，方便管理人員直接查看。結(jié)合工程部位將對(duì)應(yīng)資料進(jìn)行編碼關(guān)聯(lián)，通過工程結(jié)構(gòu)樹查閱該部位的圖樣、技術(shù)方案、施工組織設(shè)計(jì)資料等技術(shù)文檔。技術(shù)資料管理界面示意圖如圖8所示。

圖8 技術(shù)資料管理界面示意圖(截圖)

2.8 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集成

在該平臺(tái)中融合工程現(xiàn)場的各類設(shè)備信息，主要包括監(jiān)控視頻、車輛GPS定位、人員定位等檢測設(shè)備，直觀掌握設(shè)備分部位置，實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場施工情況，進(jìn)行施工現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)集成。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集成界面示意圖如圖9所示。

圖9 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集成界面示意圖(截圖)a)環(huán)境監(jiān)測集成 b)車輛GPS定位集成 c)人員定位集成 d)視頻監(jiān)控集成

(1)環(huán)境監(jiān)測集成。通過與工地現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)時(shí)獲取溫度、濕度、PM2.5、風(fēng)速等信息數(shù)據(jù)，在BIM模型中進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。此外，可以根據(jù)設(shè)置的預(yù)警條件進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警。

(2)車輛GPS定位集成。該平臺(tái)具有空間信息展示功能，通過將車輛定位的GPS信息傳輸至BIM模型平臺(tái)，動(dòng)態(tài)展示當(dāng)前車輛行駛位置和車輛油耗情況。

(3)人員定位集成。通過門禁系統(tǒng)或智能安全帽人員定位系統(tǒng)，可以直觀反映當(dāng)前人員位置、數(shù)量、工種等信息，便于管理人員動(dòng)態(tài)掌握施工現(xiàn)場情況。

(4)視頻監(jiān)控集成。通過BIM模型實(shí)時(shí)查看施工現(xiàn)場監(jiān)控視頻。

2.9 智能輔助決策

智能輔助決策系統(tǒng)以項(xiàng)目工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本等為重點(diǎn)，通過大數(shù)據(jù)模型對(duì)各管理要素的趨勢性、系統(tǒng)性問題進(jìn)行分析、預(yù)警、決策和綜合管理。根據(jù)實(shí)際管理要求，通過報(bào)表形式直觀展示建設(shè)過程中的成本、質(zhì)量、進(jìn)度、安全各方面信息，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)及實(shí)際情況。多層級(jí)智慧決策大屏界面示意圖如圖10所示。

圖10 多層級(jí)智慧決策大屏界面示意圖(截圖)

3 結(jié)語

本文針對(duì)高速公路建設(shè)過程施工周期長、成本高、質(zhì)量難以保證等問題，基于BIM+GIS技術(shù)，構(gòu)建高速公路智慧建造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高速公路建設(shè)過程中的構(gòu)件檢索、碰撞校驗(yàn)、工程算量、進(jìn)度管理、安全巡查、資料管理、物聯(lián)網(wǎng)集成、智能輔助決策等功能，為工程建設(shè)提供了全方位的數(shù)字化管理支持，有效提高了工程建設(shè)效率和質(zhì)量，減少了工程建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)了工程管理的智能化、數(shù)字化、協(xié)同化。