基于BIM+GIS技術(shù)的橋梁數(shù)字孿生平臺(tái)研究

　　摘要：面向橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、多方協(xié)同管理難、進(jìn)度失控風(fēng)險(xiǎn)高、資料收集整理工作量巨大、信息孤島難以共享繼承等問題，將傳統(tǒng)橋梁施工與智能化、信息化技術(shù)結(jié)合，能減少橋梁施工人工投入，為施工管理等環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。本文以某特大橋項(xiàng)目為背景，研究了BIM+GIS技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用。以地理信息為基準(zhǔn)，將BIM模型和地理場(chǎng)景相結(jié)合搭建數(shù)字沙盤;以信息技術(shù)為紐帶，將宏觀的地理環(huán)境與微觀的構(gòu)件信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括臨建規(guī)劃、綠色施工、材料信息、進(jìn)度狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化管理。該研究結(jié)果已應(yīng)用于多座特大橋項(xiàng)目中，為施工管理提供高效準(zhǔn)確、可視化的技術(shù)支持，對(duì)積極推動(dòng)橋梁施工數(shù)字化、智能化具有非常好的指導(dǎo)借鑒意義。

　　關(guān)鍵詞：橋梁;BIM;GIS;系統(tǒng)開發(fā);橋梁工程

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，越來(lái)越多的大跨度橋梁、高海拔橋梁不斷建造建成。日益復(fù)雜的建橋環(huán)境和持續(xù)提高的建造標(biāo)準(zhǔn)，也對(duì)橋梁施工中的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了更高的要求，加速橋梁施工向信息化、智能化轉(zhuǎn)型已成必然趨勢(shì)[1-3]。鄭云等將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用于建筑供應(yīng)鏈可視化的研究中，結(jié)果表明將BIM技術(shù)所提供的構(gòu)件信息和物料清單與GIS技術(shù)分析得到的最優(yōu)運(yùn)輸路線相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供應(yīng)鏈物料狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)控，有效控制進(jìn)度，合理化交付時(shí)間[4]。劉金巖等在水利工程建設(shè)中探究了BIM+GIS技術(shù)集成過程中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，其結(jié)果可為相關(guān)系統(tǒng)集成提供有利的參考建議[5]。

　　隨著各領(lǐng)域研究的不斷開展，BIM+GIS的可視化技術(shù)也為橋梁項(xiàng)目管理提供了新的思路[6,7]，利用直觀準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)圖形化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高度精準(zhǔn)的橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境三維空間表達(dá)，還原項(xiàng)目環(huán)境地貌及橋梁建造結(jié)構(gòu)，不僅可以實(shí)時(shí)反映橋梁施工進(jìn)度狀態(tài)，還可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的生態(tài)保護(hù)個(gè)和綠色施工;自動(dòng)化歸集各類施工資料可為橋梁設(shè)計(jì)、建造、養(yǎng)護(hù)、監(jiān)測(cè)提供信息集成平臺(tái)支撐�；�于BIM+GIS技術(shù)的橋梁項(xiàng)目管理將成為來(lái)橋梁工程發(fā)展的新技術(shù)趨勢(shì)。工程概況某特大橋是川藏鐵路線的進(jìn)藏第一橋，橫跨大渡河峽谷，東接成都岸二郎山隧道出口，西連拉薩岸寶靈山隧道進(jìn)口。大渡河峽谷為典型高原深切峽谷，橋面距谷底深度達(dá)到385m，兩岸邊坡最大坡度可達(dá)55°。

　　橋址處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，碎裂巖、糜棱巖、崩坡積體等不良地質(zhì)分布范圍廣、穩(wěn)定性差，屬于近場(chǎng)強(qiáng)震區(qū)。橋位處屬高原山地氣候氣候，晝夜溫差可達(dá)20度，全年6級(jí)以上大風(fēng)達(dá)101天，最大風(fēng)力達(dá)14級(jí)。該特大橋正線全長(zhǎng)1293m，設(shè)計(jì)為國(guó)鐵I級(jí)雙線鐵路，客貨共線，設(shè)計(jì)速度200km/h，是全線跨度最大、難度最高、技術(shù)最復(fù)雜的標(biāo)志性橋梁工程。大橋于2020年11月8日開工，計(jì)劃總工期74個(gè)月，建成后將成為世界上跨度最大的山區(qū)鐵路懸索橋。

　　2BIM與GIS技術(shù)原理

　　2.1BIM橋梁施工應(yīng)用

　　建筑信息模型(BuildingInformationModeling,BIM)是來(lái)源于建筑行業(yè)的一種信息化技術(shù)手段。而在橋梁施工管理的應(yīng)用中，通過建立虛擬三維模型并為模型中的每個(gè)構(gòu)件掛接具有唯一標(biāo)識(shí)性的編碼，以該編碼為索引依據(jù)，將各構(gòu)件的材料信息、幾何屬性、狀態(tài)變化情況以屬性的方式賦予各構(gòu)件，達(dá)到精準(zhǔn)記錄和存儲(chǔ)的目的;再配合三維模型以數(shù)字化和可視化的形式展示出來(lái),可以科學(xué)高效查看和管理施工[8]。

　　2.2GIS空間信息技術(shù)

　　地理信息科學(xué)(GeographicInformationSystem,GIS)是一門在管理規(guī)劃中被廣泛應(yīng)用的技術(shù),它可以為復(fù)雜地理環(huán)境下橋梁施工的規(guī)劃、管理、決策和營(yíng)運(yùn)提供科學(xué)有效的技術(shù)支持[9,10]。GIS空間信息技術(shù)是在傳統(tǒng)二維地理系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新一代三維空間信息技術(shù)。通過該技術(shù)所構(gòu)建的三維空間框架，可作為包括BIM模型、光學(xué)遙感影像、高程DEM數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、地面?zhèn)鞲衅鞯仍趦?nèi)的多源數(shù)據(jù)的載體，以地理坐標(biāo)為基準(zhǔn)搭建一套橋址處的高還原度虛擬環(huán)境，具有十分優(yōu)異的可視化效果和地理空間分析基礎(chǔ)。

　　3BIM與GIS集成可視化

　　3.1多源數(shù)據(jù)的組織管理

　　為了將BIM模型、攝影測(cè)量模型等多源數(shù)據(jù)集成到同一個(gè)三維GIS平臺(tái)上，需要對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行統(tǒng)一，本文中使用3DTiles數(shù)據(jù)集的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的組織管理。以BIM模型為例，結(jié)構(gòu)復(fù)雜橋梁BIM模型往往具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和大量的構(gòu)件。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的BIM數(shù)據(jù)加載，需要對(duì)原始BIM文件進(jìn)行處理，構(gòu)建合理的分層分塊LOD結(jié)構(gòu)[11,12]，再基于標(biāo)準(zhǔn)的3DTiles格式進(jìn)行封裝形成了tileset.json文件加載到三維GIS平臺(tái)，以此為進(jìn)行BIM與GIS集成可視化的基礎(chǔ)，

　　3.2構(gòu)建三維可視化場(chǎng)景

　　研究中獲取了橋址處空間分辨率0.5m的遙感影像和全球30m分辨率的數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)，由于遙感影像的成像時(shí)間早于施工開工前6個(gè)月，影像部分細(xì)節(jié)不能真實(shí)放映施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，因此引入了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)拍攝得到的影像。將無(wú)人機(jī)拍攝的照片處理成攝影測(cè)量模型，再轉(zhuǎn)換為GIS引擎所需的3DTiles格式，在相同的地理基準(zhǔn)下，結(jié)合遙感影像和高程搭建出一個(gè)具有高還原度的地理場(chǎng)景。最后將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的BIM模型定位于場(chǎng)景之中，形成了該特大橋最終的三維可視化場(chǎng)景。

　　三維可視化場(chǎng)景存在因攝影測(cè)量模型體量過大而導(dǎo)致的加載效率低的問題。面向該問題本研究根據(jù)不同業(yè)務(wù)下對(duì)場(chǎng)景精細(xì)度需求的差異性，將攝影測(cè)量模型的精細(xì)等級(jí)進(jìn)行了區(qū)分。在展示全景的狀態(tài)下，加載精度相對(duì)較低的正射影像模型，并限制加載等級(jí);在查看局部結(jié)構(gòu)時(shí)，加載局部高精度傾斜模型。

　　4橋梁施工數(shù)字孿生平臺(tái)開發(fā)

　　橋梁信息管理系統(tǒng)的以B/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)管理，在瀏覽器端基于GIS引擎加載三維可視化場(chǎng)景，以數(shù)字孿生沙盤的形式進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)加載和可視化，瀏覽器端的請(qǐng)求都通過接口與服務(wù)器端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[14,15]。系統(tǒng)集成了包括場(chǎng)地交互式規(guī)劃、數(shù)字孿生平臺(tái)、平安智慧工地等功能。

　　4.1基于三維虛擬場(chǎng)景的場(chǎng)地交互式規(guī)劃和綠色施工橋址處的地理環(huán)境復(fù)雜，山高谷深，對(duì)于橋梁施工、臨建設(shè)施建設(shè)以及施工道路布置都有提出了較高的要求。本研究中基于三維可視化場(chǎng)景可以準(zhǔn)確直觀的判斷施工對(duì)象與周圍自然環(huán)境要素之間空間關(guān)系，利用GIS中的路徑分析可以得到臨建的最佳選址以及施工道路的最優(yōu)配置，如圖6所示。利用GIS中的緩沖區(qū)分析可判斷道路以及臨建建設(shè)過程中的工程影響范圍，盡可能的降低生態(tài)成本，保障綠色施工。

　　4.2基于BIM技術(shù)的橋梁數(shù)字孿生通過BIM模型構(gòu)件編碼的唯一性，可將施工計(jì)劃、檔案信息、構(gòu)件屬性及施工過程信息、材料信息等賦予各構(gòu)件，使得BIM模型成為一個(gè)可以真實(shí)的反應(yīng)橋梁本體多維信息的“孿生體”，將現(xiàn)實(shí)中的橋梁數(shù)字化。在系統(tǒng)中可以通過查看橋梁“孿生體”屬性的方式準(zhǔn)確快速的掌握橋梁施工多方面的實(shí)時(shí)信息。多維數(shù)據(jù)均可快捷直觀的顯示，有利于解決多方協(xié)同管理難的問題。

　　4.3基于智能監(jiān)測(cè)的智慧工地

　　邊坡監(jiān)測(cè)通過空、天、地不同維度的監(jiān)測(cè)手段對(duì)邊坡當(dāng)前狀態(tài)以及滑坡趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析[16,17]。通過天基InSAR衛(wèi)星雷達(dá)和空基無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)兩岸邊坡定期掃描，擬合得到的數(shù)據(jù)就可以界定滑移風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域作為邊坡風(fēng)險(xiǎn)面，結(jié)合地基傳感器，如北斗位移監(jiān)測(cè)站、深部測(cè)斜儀等智能化監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，并及時(shí)進(jìn)行信息推送，保障施工現(xiàn)場(chǎng)安全。

　　便道管理是山區(qū)施工的共性難點(diǎn)，為了保障便道的運(yùn)輸安全及管理，在便道特定位置點(diǎn)安裝了測(cè)速攝像頭、智能化紅綠燈、車輛識(shí)別閘機(jī)、動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，并將其集成到橋梁施工管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了車輛超重、超速抓拍禁行、便道車輛動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)布、駕駛?cè)藛T安全行為監(jiān)測(cè)、車輛通行狀態(tài)自動(dòng)控制等功能，全面管控便道行車通暢與安全。同時(shí)，系統(tǒng)集成了基于深度學(xué)習(xí)的智能視頻監(jiān)控，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面人員未佩戴安全帽、吸煙等不安全行為進(jìn)行智能識(shí)別;并通過智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、有毒有害氣體檢測(cè)等等，有效保障施工現(xiàn)場(chǎng)安全。

　　5結(jié)論

　　本文研究了BIM+GIS技術(shù)在橋梁施工項(xiàng)目中的應(yīng)用，基于三維GIS引擎和地理基準(zhǔn)將BIM模型和三維場(chǎng)景相結(jié)合，打造橋梁數(shù)字孿生體，構(gòu)建橋梁信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)融合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、空天地監(jiān)測(cè)等新技術(shù)，形成了場(chǎng)地交互式規(guī)劃、數(shù)字孿生平臺(tái)、平安智慧工地等多種類、多層級(jí)的功能模塊。在特大橋梁施工過程中的復(fù)雜環(huán)境科學(xué)規(guī)劃、規(guī)避進(jìn)度滯后風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化多方協(xié)同管理、嚴(yán)控施工安全、保障綠色施工等方面起到重要作用。本文所研究的橋梁信息管理系統(tǒng)以在川藏鐵路某特大橋項(xiàng)目中得到應(yīng)用并取得了較好的效果，對(duì)于其他同類型橋梁的管理系統(tǒng)開發(fā)具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

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　　作者：胡乃勛1,2，吳巨峰1,2，趙訓(xùn)剛1,2，王熊玨1,2，古洲揚(yáng)1,2，趙佳賓1,2

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