BIM+GIS數據集成技術在鐵路橋梁施工管理的應用

侯宇飛，楊斌，吳明杰，朱俊武

（1.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 200040；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；3.雄安高速鐵路有限公司，河北石家莊 050000）

0 引言

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）與地理信息系統（Geographic Information System，GIS）是2種相輔相成的技術，BIM技術可提供數據基礎，GIS技術可提供空間參考。經過近幾年的發展，BIM技術正由“建模為主”的BIM1.0時代，向“多維度數據應用為主”的BIM2.0時代跨越，而GIS技術提供的專業空間分析能力及宏觀地理環境又深層次挖掘了BIM技術的應用價值。隨著3D GIS技術日漸成熟，GIS為BIM技術提供了更豐富的地理空間信息，“BIM+GIS”成為BIM多維度應用的重要方向之一。針對京雄城際鐵路固霸特大橋項目，將BIM技術與GIS數據集成大場景融合，構建工程建設三維場景，實現鐵路橋梁施工信息化管理［1-3］。

1 BIM+GIS場景構建

1.1 BIM模型建立

為滿足項目施工要求，在京雄城際鐵路固霸特大橋的不同地段，設置不同的建模精度標準。橋梁普通地段建模精度為LOD3.0；特殊結構物（如連續梁、裝配式橋梁）地段建模精度為LOD4.0；簡支箱梁鋼筋智能加工以及橋梁裝配式承臺、墩身、墩帽鋼筋等，其建模精度達LOD 5.0。所有模型的信息、屬性、代碼等均參照鐵路BIM聯盟制定的標準建立［4-5］。

1.2 GIS信息建立

傾斜攝影技術通過把正射影像和傾斜影像相結合，經相關軟件處理，實現對目標地物表面的三維建模，從而獲取目標地物表面的真實紋理。該技術通過在同1架無人機上搭載多臺傳感器，分別從前、后、左、右、垂直5個不同角度采集影像，得到1幅正片和4幅斜片。在無人機飛行過程中，系統自動記錄無人機的瞬時坐標、速度、高度、旁向重疊與航向重疊等數據，通過數據預處理、空中三角測量處理和加密點云等過程，對采集到的影像信息進行數據處理，建立貼近真實場景的三維模型［6-7］。GIS三維建模主要技術流程見圖1。

圖1 GIS三維建模主要技術流程

1.3 BIM+場景融合信息建立

搭建BIM+GIS施工管理平臺，解決模型轉換的阻礙。將IFC標準模型、三維傾斜攝影模型、主體工程模型、臨建模型導入GIS平臺［8-9］，形成3D電子沙盤，達到項目相關模型與GIS平臺完美結合，精度與實景一致，可通過3D電子沙盤查看全線工程信息。

2 BIM設計優化

2.1 連續梁0#段結構優化

在二維鋼筋圖紙的基礎上，通過建立京雄城際鐵路固霸特大橋519#—540#墩（全長847.25 m）350 km/h全封閉聲屏障連續梁全橋模型，應用BIM軟件提供的三維可視化空間，優化連續梁鋼筋設計，提前減少或避免鋼筋與預應力管道、鋼筋與支座螺栓等預埋件之間的干擾［10］。0#段結構優化統計見表1。

表1 0#段結構優化統計表

2.2 四橋六線并行段深化設計

雄安站咽喉區四橋六線并行段結構復雜。項目部BIM工作室建立相關BIM模型并進行碰撞檢測，發現并行連續梁墩帽與模板之間存在的碰撞、重合問題，以及梁體之間的碰撞問題等，為優化設計、施工方案提供了有力的數據支撐。雄安站咽喉區四橋六線并行段碰撞檢測示意見圖2。

圖2 雄安站咽喉區四橋六線并行段碰撞檢測示意圖

2.3 裝配式墩身、墩帽深化設計

2.3.1 墩身、墩帽模板圖紙深化設計

應用BIM技術對裝配式橋梁墩身鋼筋胎架模型與橋梁墩身、墩帽鋼筋進行匹配，通過模板翻轉受力云圖，復核鋼筋胎架定位精度，發現干擾及偏差問題并及時調整（見圖3）。匹配復核無誤后，采用激光切割方式加工定位板及胎架，確保墩柱鋼筋和預埋連接套筒籠精度達到±2 mm。

圖3 模板翻轉受力云圖

2.3.2 預制墩身安裝

預制拼裝墩身質量為71 t，墩帽質量為108 t，墩身和承臺、墩身和墩帽采用φ32 mm螺紋鋼筋和灌漿套筒連接，連接套筒與鋼筋間隙為14 mm，拼裝時將80根φ32 mm螺紋鋼與80個套筒對位安裝，拼裝精準度要求極高。為保證工程順利實施，中鐵上海工程局集團有限公司成立了重大科研課題小組，應用BIM技術建立墩帽、墩柱連接結構模型，多次進行模擬和匹配性安裝，對安裝結構進行優化，確保裝配式墩身安裝精度。裝配式墩身拼裝施工模擬示意見圖4。

圖4 裝配式墩身拼裝施工模擬示意圖

2.3.3 裝配式橋面系圖紙深化設計

整體預制拼裝防護墻和電纜槽屬于薄板結構，在預制時存在脫模困難、棱角易損壞現象，應用BIM技術將原設計的薄板結構腋角處優化為倒角結構，薄板采用小角度放坡以實現模板順利脫模，將連接螺栓優化為沉頭螺栓，提高了預制質量和連接可靠度。BIM技術輔助裝配式橋面系圖紙深化設計效果見圖5。

圖5 裝配式橋面系圖紙深化設計效果

3 大型臨時設施工程輔助設計

對于預制梁場、鋼筋加工場、拌合站等大型臨時設施工程（簡稱大臨工程），可應用BIM技術輔助其進行規劃選址。通過無人機航測獲取真實地理環境信息建立三維實景模型，應用BIM軟件建立京雄城際鐵路五標項目部全線BIM模型，集成至BIM+GIS施工管理平臺，形成全線三維電子沙盤，實現高鐵大臨工程大場景展示。通過BIM+GIS數據集成技術，可直觀展示大臨工程的詳細位置，并對大臨工程規劃建設方案進行多維分析和研究，大大提高選址的效率和科學性。大臨工程GIS場景規劃見圖6。

圖6 大臨工程GIS場景規劃

針對大臨工程重難點拆遷區，同樣應用無人機航測獲取真實地理環境信息，建立三維實景模型，動態展示拆遷進度，為重難點拆遷區留下原始信息資料。

4 施工組織管理

4.1 指導大直徑預應力管樁施工

京雄城際鐵路首次應用大直徑預應力管樁基礎，當管樁穿越砂層地質時，易出現管樁無法打至設計標高和樁頭破碎等問題。通過BIM+GIS技術建立橋梁地段地質模型［11］，與GIS空間場景融合，實現工程地質信息三維可視化，便于施工人員快速查詢分析地質情況，為大直徑預應力管樁施工及終錘標準提供真實可靠的地質信息依據，使施工期間地質信息校核與確認工作更加便利［12］。BIM+GIS場景地質分析見圖7。

圖7 BIM+GIS場景地質分析

4.2 施工進度可視化管理

以BIM模型為載體，GIS數據集成大場景為核心，搭建BIM+GIS施工管理平臺，將BIM模型載入GIS平臺實現全生命周期管理［13-14］。平臺由綜合管理、技術管理、進度管理、成本管理、安全質量管理、智能建造6個模塊組成。通過掃描二維碼的方式，將橋梁裝配式預制構件施工過程信息自動集成至BIM+GIS施工管理平臺，管理人員通過電腦、手機等終端隨時隨地了解預制構件的相關信息和施工狀態（見圖8），實現橋梁裝配式預制構件從設計、預制、運輸、安裝及運營等全生命周期的跟蹤追溯管理，對施工過程中出現的進度偏差快速作出反應，并制定相應的進度保障措施，保證項目進度目標的實現［15］。

圖8 終端操作界面

4.3 施工成本管理

應用BIM技術輔助重點工程特殊構造物成本分析。以合同清單為基礎，對裝配式橋梁進行EBS工程實體分解，將分項工程BIM模型與合同單價、責任成本單價關聯。現場下發任務單，通過移動端適時錄入預制構件完成工程量，系統自動對工程量進行匯總，分析裝配式橋梁段落合同收入、責任成本收入、實際成本、利潤率等情況，并對相關成本因素進行對比，實現重點成本分析，大大提高了項目綜合管理水平。

4.4 裝配式橋梁大體積混凝土溫控管理

為保障大體積混凝土施工質量，BIM+GIS施工管理平臺集成基于BIM技術的大體積混凝土溫控子系統，應用“BIM+物聯網”技術，將現場測溫采集系統、供水設備等進行關聯，借助溫度傳感器等設備，實時反饋混凝土內外部溫度數據，并在BIM模型中以色譜云圖的形式同步展現，實現溫度分部可視化。同時，系統還設置混凝土內外溫差、進出水水溫等閾值，根據溫度變化情況實現通水量自動控制［16］。

圖9 BIM技術的大體積混凝土溫控系統

5 結束語

將BIM+GIS數據集成技術應用于京雄城際鐵路四橋六線并行段、橋梁裝配式一體化段，為優化結構設計、大臨工程選址、施工進度成本管理及智能建造等方面提供了有力的技術支撐，在平臺實現全過程可視化管理，提升鐵路建設項目智能化建造水平，取得良好效果，為鐵路工程建設信息化、可視化、數字化、智能化施工管理提供參考。未來，BIM技術還將與GIS技術、區域鏈、物聯網等深度融合，在地理環境中有效支撐大范圍BIM數據集成，應用數據庫系統對其進行高效管理，與區域建設進行協同分析和共享應用，提升鐵路行業的核心競爭力。