基于北斗的3S和BIM技術(shù)在鐵路施工中的應(yīng)用

荊靈玲

（中航勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

鐵路工程建設(shè)是一項復(fù)雜長期的系統(tǒng)工程[1]，它具有顯著特點，如建設(shè)周期時間久，需多方參與和協(xié)調(diào)；建設(shè)技術(shù)標準高，施工管理復(fù)雜；施工安全與質(zhì)量管控責(zé)任重大；施工進度管理水平要求高等。基于這些特點，該領(lǐng)域迫切需要以3S+BIM為技術(shù)核心，綜合應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位，智慧物聯(lián)及移動互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，完成施工過程及試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集和信息互聯(lián)，構(gòu)建鐵路建設(shè)施工綜合管理的信息化平臺。

信息化平臺將鐵路設(shè)計部門的BIM模型和數(shù)據(jù)作為平臺的信息數(shù)據(jù)輸入部分，融入平臺提供的GIS地理信息系統(tǒng)，以及來自于衛(wèi)星和航空遙感（RS）、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位（GNSS）等空間信息，進行高度融合、交互協(xié)調(diào)與信息互動，實現(xiàn)精準展示與過程控制。利用3S+BIM技術(shù)提供標準規(guī)范的設(shè)計模型，實現(xiàn)鐵路施工階段信息的數(shù)字化表達，同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)對機械設(shè)備、施工過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行及時監(jiān)控，達到數(shù)字化施工的目的，通過分析采集的數(shù)據(jù)對設(shè)計和施工進行優(yōu)化處理。

1 基于北斗的3S+BIM技術(shù)

3S是指衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）。通過利用GNSS系統(tǒng)（包括北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)、GPS、Glonass、Galileo等），統(tǒng)一鐵路勘察設(shè)計、施工建設(shè)和運營維護的坐標基準。通過衛(wèi)星遙感（RS）和無人機遙感對施工現(xiàn)場進行地形和地質(zhì)地貌、地面建筑物等情況的地理信息采集，并建立三維地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺，為后面融合BIM模型、模擬施工環(huán)境、現(xiàn)場拆遷控制，以及數(shù)字化施工打下基礎(chǔ)。GIS技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和管理，并根據(jù)需要提供分析功能，達到智能化、數(shù)字化管理。GIS作為整個全線數(shù)據(jù)整合集成的引擎平臺，將各階段數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，并通過應(yīng)用平臺進行大數(shù)據(jù)分析挖掘，為鐵路建設(shè)運營提供專家決策依據(jù)。

BIM技術(shù)能夠通過模型的形式呈現(xiàn)出建筑信息，對數(shù)據(jù)進行聯(lián)動處理，效果更加直觀，也更容易展現(xiàn)管控的信息[2]。利用BIM技術(shù)生成勘察、設(shè)計、施工、生產(chǎn)等階段的BIM大數(shù)據(jù)，例如建立鐵路施工模型BIM，按照鐵路設(shè)計各種專業(yè)完成的線路、路基、站房、橋梁、隧道等制作出模型[3]，依據(jù)這些數(shù)據(jù)進行分析和使用，實現(xiàn)施工進度模擬、施工工藝模擬、施工過程BIM模型調(diào)整、工程量統(tǒng)計和竣工模型等[4][5]。同時，采用無人機技術(shù)對數(shù)據(jù)進行自動采集，聯(lián)合BIM進行對比，考察施工是否依照設(shè)計圖施工，及時發(fā)現(xiàn)施工問題[6]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)BDS（BeiDou Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一[7][8]。其在交通測繪、運輸、海洋、災(zāi)害預(yù)報及其他特殊行業(yè)均有著廣泛應(yīng)用前景[9]。隨著導(dǎo)航接收機性能及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，北斗高精度定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計、施工建設(shè)等各個階段，它與3S+BIM技術(shù)相互融合、相互結(jié)合，在鐵路工程全壽命周期各個階段發(fā)揮著不同的重要作用[10]。

2 基于北斗的3S+BIM技術(shù)在鐵路施工應(yīng)用的總體框架

通過北斗衛(wèi)星授時和高精度定位技術(shù)，提供精準、可靠、快速的時間和定位坐標體系，在鐵路北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用3S技術(shù)搭建應(yīng)用平臺，實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)施工過程管理應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 基于北斗3S+BIM技術(shù)在鐵路施工建設(shè)應(yīng)用總體框架圖

該應(yīng)用可實現(xiàn)鐵路工程設(shè)計當中各種主流BIM軟件的協(xié)調(diào)、融合和信息共享；可實現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)融合，多系統(tǒng)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位等空間信息與GIS地理信息系統(tǒng)空間信息（3S）的采集、存儲、管理和分析應(yīng)用的平臺；可實現(xiàn)BIM與3S的融合、綜合展示與應(yīng)用的平臺；可對人、車、物等移動目標提供全面位置管理與服務(wù)的平臺；可實現(xiàn)對鐵路路基沉降、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害進行高精度監(jiān)測預(yù)警的平臺；可實現(xiàn)手機等移動客戶端的管理，以及與監(jiān)控中心實時信息互動交流的平臺；可實現(xiàn)移動體與固定端視頻影像集中監(jiān)控管理的平臺；可以提供通過VR技術(shù)，模擬鐵路工程建設(shè)由勘察設(shè)計到施工過程，直到交工驗收的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的環(huán)境情況的虛擬現(xiàn)實平臺；平臺具備兼容性，可以與鐵路現(xiàn)有多種系統(tǒng)對接。

3 基于北斗的3S+BIM技術(shù)在鐵路施工中的應(yīng)用

3.1 高精度施工基準網(wǎng)

首先建立工程施工基準控制網(wǎng)，應(yīng)用北斗CORS網(wǎng)技術(shù)，與前期勘察設(shè)計基準網(wǎng)融合，或數(shù)據(jù)融合，為工地測量、放樣、打樁、表面檢查、厚度檢查、土方計算等施工流程打下基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，可以利用專業(yè)軟件可以引入3D數(shù)據(jù)設(shè)計功能，實現(xiàn)工地任意點放樣、涵洞放樣、邊坡放樣、任意點打樁，實時檢查厚度、土方計算等，減少90%的內(nèi)業(yè)計算量；同時，還可以實現(xiàn)現(xiàn)場任意點補樁、厚度檢查、坡度檢查、標高檢查。利用基準控制網(wǎng)做好交接樁點的復(fù)測與復(fù)核，完成中線、高程的控制測量，確保工程的定位精準。

將建筑物及其施工現(xiàn)場3D模型與施工進度、資源、安全、質(zhì)量、成本以及場地布置等施工信息相集成，形成基于BIM的施工進度、施工資源及成本、施工安全與質(zhì)量、施工場地及設(shè)施的4D管理、實時控制和動態(tài)模擬。

3.2 三維可視化展示

通過衛(wèi)星遙感和無人機遙感對施工現(xiàn)場進行地形和地質(zhì)地貌、地面建筑物等情況的地理信息采集，將設(shè)計好的鐵路三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺，實現(xiàn)鐵路全線路的漫游瀏覽，三維可視化展示，還能實現(xiàn)信息查詢及分析功能。為后面融合BIM模型、模擬施工環(huán)境、現(xiàn)場拆遷控制，以及數(shù)字化施工打下基礎(chǔ)。

3.3 施工組織

通過對施工程序模擬計算，得出工期、人力、機械、場地等資源的占用情況和材料消耗情況等，可對施工工期資源配置及場地布置進行優(yōu)化。

3.4 施工圖紙審核及方案對比優(yōu)化

利用BIM模型，進行碰撞檢測分析，驗證設(shè)計合理性，可以提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、鋼筋等各單專業(yè)圖紙設(shè)計問題；解決通過傳統(tǒng)方法二維審核圖紙的遺漏、不及時、不全面、效率慢的問題，提前控制并改正；同時還可以進行模擬現(xiàn)場核對，并優(yōu)化設(shè)計。例如站房模型設(shè)計，通過BIM工具快速生成站房模型，對比站房造型及環(huán)境適應(yīng)性，選取最優(yōu)方案。基于BIM模型，對站房的人體舒適度、室內(nèi)日照可視化、室內(nèi)風(fēng)環(huán)境等進行分析，完成站房設(shè)計方案優(yōu)化。

3.5 數(shù)字化施工

通過構(gòu)建北斗衛(wèi)星定位、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的施工現(xiàn)場，實現(xiàn)數(shù)字化測量、數(shù)字化機械施工和施工過程的智能化。聯(lián)合無人機技術(shù)加載智能機械，實現(xiàn)施工作業(yè)數(shù)據(jù)采集的自動化處理，數(shù)據(jù)與設(shè)計BIM模型信息進行詳細對比，可及時發(fā)現(xiàn)施工過程中問題，全面監(jiān)督施工過程。同時，結(jié)合BIM場地地形、地質(zhì)等模型，科學(xué)精準并智能地指導(dǎo)機械設(shè)備施工，有效提高工作效率，保證施工質(zhì)量。

路面施工信息化管理系統(tǒng)集成北斗衛(wèi)星高精度定位技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)于一體，可實現(xiàn)對路面施工的各個環(huán)節(jié)，如碾壓、攤鋪、混合料運輸、拌合站數(shù)據(jù)管理等過程實時連續(xù)可視化引導(dǎo)與管理，向業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方和操作機手提供及時精確的施工過程信息，實現(xiàn)對路面施工過程的實時化、全數(shù)字化控制和綜合管理。路面施工信息化管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 路面施工信息化管理系統(tǒng)

3.6 施工質(zhì)量管理

集成各類傳感監(jiān)測設(shè)備，各類數(shù)據(jù)遠程自動上傳，在三維場景中實時展示出各個監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在軟件中備份查詢。如通過北斗定位及傳感器監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對樁長、樁身垂直度、提鉆速率的實時監(jiān)測，有效提高樁基施工質(zhì)量；對連續(xù)梁線形及偏差進行監(jiān)測，輔助進行連續(xù)梁結(jié)構(gòu)分析和后續(xù)施工控制，確保合龍線形符合設(shè)計要求；基于軌道板精調(diào)小車，實測平面位置及軌面高程，指導(dǎo)軌道調(diào)整；通過自動張拉設(shè)備，實現(xiàn)張拉過程一鍵全自動控制，提高預(yù)制梁工程質(zhì)量；研發(fā)專用無縫線路施工裝備，在施工時自動監(jiān)控軌溫、氣溫，判斷施工方法和鋼軌拉伸量，實時監(jiān)控拉伸、撞軌等過程。

另外，可以在施工機械上加裝監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測設(shè)備常用的有北斗定位天線、數(shù)據(jù)傳輸模塊、激光測距和測位移傳感器等，通過監(jiān)測設(shè)備采集施工作業(yè)過程中的具體參數(shù)信息（如：質(zhì)量和工藝參數(shù)）。并將實時采集的信息展現(xiàn)在監(jiān)控平臺上，通過不用顏色的圖形展示，異常數(shù)據(jù)凸顯。這種方法可以及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，監(jiān)管部門需要重點檢查和關(guān)注。

對混凝土拌合站監(jiān)控，事前試驗，確保材料配比合理；事中監(jiān)控，時刻掌握配比和拌合時間數(shù)據(jù)，是否達標一目了然；事后把關(guān)，進行多維度數(shù)據(jù)分析，尋找施工過程中的不足之處，不斷改進，為后續(xù)生產(chǎn)提供經(jīng)驗。

3.7 施工安全管理

利用北斗云平臺，集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可在模型上自由放置監(jiān)控點，現(xiàn)場施工情況一覽無遺。在不同標段、工程間切換，可快速了解現(xiàn)場不同項目的實時施工進展情況，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。可實現(xiàn)線路外業(yè)量測數(shù)據(jù)的實時采集、測點變形的實時預(yù)警，方便及時掌控沉降變形情況；在全站儀量測作業(yè)的同時，針對變形速率和累計變形量實行雙控報警，大幅提高隧道施工風(fēng)險管控能力；對人員檔案進行信息化管理；對危險崗位人員，在數(shù)量、在崗情況、從事工種等方面進行管理。

基于北斗的鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)主要有北斗位移監(jiān)測系統(tǒng)、地下水位和土壤含水率監(jiān)測子系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)、地裂縫監(jiān)測子系統(tǒng)等，能實現(xiàn)自動化監(jiān)控，實時數(shù)據(jù)回傳功能，在線分析功能，預(yù)報警功能，綜合調(diào)度功能和北斗通信功能等。

4 結(jié)束語

本文重點探索了鐵路施工過程中3S與BIM集合的總體框架，該框架結(jié)合了3S技術(shù)的定位能力、遙感監(jiān)測能力、時空分析能力、可視化能力和BIM技術(shù)的微觀精細化建模能力，可以更好地實現(xiàn)鐵路施工過程中的信息化、數(shù)字化、可視化，有效地提升施工過程管理水平。在3S技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合方面，本論文闡述了高精基準網(wǎng)、施工組織、方案審核優(yōu)化、質(zhì)量管理、安全管理、可視化和決策各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用。3S和BIM技術(shù)優(yōu)勢的結(jié)合，為鐵路施工的智能化提供了技術(shù)支撐。