基于BIM+GIS技術的橋梁數(shù)字孿生平臺研究

　　摘要：面向橋梁施工現(xiàn)場環(huán)境復雜、多方協(xié)同管理難、進度失控風險高、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、信息化技術結合，能減少橋梁施工人工投入，為施工管理等環(huán)節(jié)提供技術支持。本文以某特大橋項目為背景，研究了BIM+GIS技術在橋梁施工中的應用。以地理信息為基準，將BIM模型和地理場景相結合搭建數(shù)字沙盤;以信息技術為紐帶，將宏觀的地理環(huán)境與微觀的構件信息相結合，實現(xiàn)對包括臨建規(guī)劃、綠色施工、材料信息、進度狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化管理。該研究結果已應用于多座特大橋項目中，為施工管理提供高效準確、可視化的技術支持，對積極推動橋梁施工數(shù)字化、智能化具有非常好的指導借鑒意義。

　　關鍵詞：橋梁;BIM;GIS;系統(tǒng)開發(fā);橋梁工程

　　隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，越來越多的大跨度橋梁、高海拔橋梁不斷建造建成。日益復雜的建橋環(huán)境和持續(xù)提高的建造標準，也對橋梁施工中的各個環(huán)節(jié)提出了更高的要求，加速橋梁施工向信息化、智能化轉型已成必然趨勢[1-3]。鄭云等將BIM+GIS技術應用于建筑供應鏈可視化的研究中，結果表明將BIM技術所提供的構件信息和物料清單與GIS技術分析得到的最優(yōu)運輸路線相結合，可以實現(xiàn)對供應鏈物料狀態(tài)進行可視化監(jiān)控，有效控制進度，合理化交付時間[4]。劉金巖等在水利工程建設中探究了BIM+GIS技術集成過程中的數(shù)據(jù)轉換問題，其結果可為相關系統(tǒng)集成提供有利的參考建議[5]。

　　隨著各領域研究的不斷開展，BIM+GIS的可視化技術也為橋梁項目管理提供了新的思路[6,7]，利用直觀準確的計算機圖形化技術，實現(xiàn)高度精準的橋梁施工現(xiàn)場環(huán)境三維空間表達，還原項目環(huán)境地貌及橋梁建造結構，不僅可以實時反映橋梁施工進度狀態(tài)，還可以指導現(xiàn)場的生態(tài)保護個和綠色施工;自動化歸集各類施工資料可為橋梁設計、建造、養(yǎng)護、監(jiān)測提供信息集成平臺支撐。基于BIM+GIS技術的橋梁項目管理將成為來橋梁工程發(fā)展的新技術趨勢。工程概況某特大橋是川藏鐵路線的進藏第一橋，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口。大渡河峽谷為典型高原深切峽谷，橋面距谷底深度達到385m，兩岸邊坡最大坡度可達55°。

　　橋址處地質環(huán)境復雜，碎裂巖、糜棱巖、崩坡積體等不良地質分布范圍廣、穩(wěn)定性差，屬于近場強震區(qū)。橋位處屬高原山地氣候氣候，晝夜溫差可達20度，全年6級以上大風達101天，最大風力達14級。該特大橋正線全長1293m，設計為國鐵I級雙線鐵路，客貨共線，設計速度200km/h，是全線跨度最大、難度最高、技術最復雜的標志性橋梁工程。大橋于2020年11月8日開工，計劃總工期74個月，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技術原理

　　2.1BIM橋梁施工應用

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

　　2.2GIS空間信息技術

　　地理信息科學(GeographicInformationSystem,GIS)是一門在管理規(guī)劃中被廣泛應用的技術,它可以為復雜地理環(huán)境下橋梁施工的規(guī)劃、管理、決策和營運提供科學有效的技術支持[9,10]。GIS空間信息技術是在傳統(tǒng)二維地理系統(tǒng)基礎上發(fā)展而來的新一代三維空間信息技術。通過該技術所構建的三維空間框架，可作為包括BIM模型、光學遙感影像、高程DEM數(shù)據(jù)、無人機傾斜攝影、地面?zhèn)鞲衅鞯仍趦?nèi)的多源數(shù)據(jù)的載體，以地理坐標為基準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。

　　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、攝影測量模型等多源數(shù)據(jù)集成到同一個三維GIS平臺上，需要對數(shù)據(jù)的格式進行統(tǒng)一，本文中使用3DTiles數(shù)據(jù)集的形式來實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的組織管理。以BIM模型為例，結構復雜橋梁BIM模型往往具有復雜的空間結構和大量的構件。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡環(huán)境下的BIM數(shù)據(jù)加載，需要對原始BIM文件進行處理，構建合理的分層分塊LOD結構[11,12]，再基于標準的3DTiles格式進行封裝形成了tileset.json文件加載到三維GIS平臺，以此為進行BIM與GIS集成可視化的基礎，

　　3.2構建三維可視化場景

　　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間早于施工開工前6個月，影像部分細節(jié)不能真實放映施工現(xiàn)場的實際情況，因此引入了無人機實時拍攝得到的影像。將無人機拍攝的照片處理成攝影測量模型，再轉換為GIS引擎所需的3DTiles格式，在相同的地理基準下，結合遙感影像和高程搭建出一個具有高還原度的地理場景。最后將坐標轉換后的BIM模型定位于場景之中，形成了該特大橋最終的三維可視化場景。

　　三維可視化場景存在因攝影測量模型體量過大而導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)務下對場景精細度需求的差異性，將攝影測量模型的精細等級進行了區(qū)分。在展示全景的狀態(tài)下，加載精度相對較低的正射影像模型，并限制加載等級;在查看局部結構時，加載局部高精度傾斜模型。

　　4橋梁施工數(shù)字孿生平臺開發(fā)

　　橋梁信息管理系統(tǒng)的以B/S架構進行開發(fā)和網(wǎng)絡發(fā)布，在服務器端實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)轉換和存儲管理，在瀏覽器端基于GIS引擎加載三維可視化場景，以數(shù)字孿生沙盤的形式進行三維數(shù)據(jù)的動態(tài)加載和可視化，瀏覽器端的請求都通過接口與服務器端程序進行數(shù)據(jù)交換[14,15]。系統(tǒng)集成了包括場地交互式規(guī)劃、數(shù)字孿生平臺、平安智慧工地等功能。

　　4.1基于三維虛擬場景的場地交互式規(guī)劃和綠色施工橋址處的地理環(huán)境復雜，山高谷深，對于橋梁施工、臨建設施建設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景可以準確直觀的判斷施工對象與周圍自然環(huán)境要素之間空間關系，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技術的橋梁數(shù)字孿生通過BIM模型構件編碼的唯一性，可將施工計劃、檔案信息、構件屬性及施工過程信息、材料信息等賦予各構件，使得BIM模型成為一個可以真實的反應橋梁本體多維信息的“孿生體”，將現(xiàn)實中的橋梁數(shù)字化。在系統(tǒng)中可以通過查看橋梁“孿生體”屬性的方式準確快速的掌握橋梁施工多方面的實時信息。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)測的智慧工地

　　邊坡監(jiān)測通過空、天、地不同維度的監(jiān)測手段對邊坡當前狀態(tài)以及滑坡趨勢進行監(jiān)測與分析[16,17]。通過天基InSAR衛(wèi)星雷達和空基無人機載激光雷達對兩岸邊坡定期掃描，擬合得到的數(shù)據(jù)就可以界定滑移風險較大的區(qū)域作為邊坡風險面，結合地基傳感器，如北斗位移監(jiān)測站、深部測斜儀等智能化監(jiān)測設備，對風險面進行實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)風險實時監(jiān)測與預警，并及時進行信息推送，保障施工現(xiàn)場安全。

　　便道管理是山區(qū)施工的共性難點，為了保障便道的運輸安全及管理，在便道特定位置點安裝了測速攝像頭、智能化紅綠燈、車輛識別閘機、動態(tài)稱重系統(tǒng)，并將其集成到橋梁施工管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)了車輛超重、超速抓拍禁行、便道車輛動態(tài)信息實時發(fā)布、駕駛人員安全行為監(jiān)測、車輛通行狀態(tài)自動控制等功能，全面管控便道行車通暢與安全。同時，系統(tǒng)集成了基于深度學習的智能視頻監(jiān)控，可對現(xiàn)場作業(yè)面人員未佩戴安全帽、吸煙等不安全行為進行智能識別;并通過智能化設備實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、風速風向監(jiān)測、應力監(jiān)測、有毒有害氣體檢測等等，有效保障施工現(xiàn)場安全。

　　5結論

　　本文研究了BIM+GIS技術在橋梁施工項目中的應用，基于三維GIS引擎和地理基準將BIM模型和三維場景相結合，打造橋梁數(shù)字孿生體，構建橋梁信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)融合移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、空天地監(jiān)測等新技術，形成了場地交互式規(guī)劃、數(shù)字孿生平臺、平安智慧工地等多種類、多層級的功能模塊。在特大橋梁施工過程中的復雜環(huán)境科學規(guī)劃、規(guī)避進度滯后風險、優(yōu)化多方協(xié)同管理、嚴控施工安全、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目中得到應用并取得了較好的效果，對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意義。

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　　作者：胡乃勛1,2，吳巨峰1,2，趙訓剛1,2，王熊玨1,2，古洲揚1,2，趙佳賓1,2

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