BIM+GIS技術在高鐵無砟軌道斜拉橋中的應用研究

摘要：傳統的鐵路橋梁工程施工管理模式較為粗糙，可視化和信息化程度不高。文章針對該問題，融合建筑信息模型（BIM）和地理信息系統（GIS）技術，建立了三維可視化的大跨度鐵路無砟軌道斜拉橋BIM+GIS模型，實現了圖紙審查、工程量精確分析、鋼筋自動化加工以及三維技術交底等信息化功能，并應用于斜拉橋施工管理中，為鐵路斜拉橋的建設管理提供了新的思路。

關鍵詞：BIM+GIS；鐵路橋梁；斜拉橋；可視化；施工管理

中圖分類號：U448.27 A 30 107 2

0 引言

現階段鐵路橋梁施工管理主要通過傳統的文字、表格、圖紙等二維模式，以這種慢速、獨立的方式進行信息的儲存與傳遞不能實時掌握施工信息［1］。BIM技術是一項推動建筑信息向更高層次發展的新技術，具有三維可視化、信息全面、協同性好等優點，將其應用于工程項目的設計、施工、管理，能夠顯著提高施工管理的效率并減小風險［2］。BIM技術的飛速發展為橋梁工程項目的信息化管理開拓了新的思路與方法。郭偉平將BIM技術運用于大跨度疊合梁斜拉橋的施工集成管理應用中，實現了人力、工作時間及施工成本等的節省，同時保障了施工安全，也為斜拉橋的后期運營、維護等提供保障［3］；邱志軍等采用BIM技術對禹門口黃河公路斜拉橋的主橋進行了結構建模，從三維交底、碰撞檢查、限額領料、安全質量管理、施工資料等方面，采用BIM技術解決斜拉橋的施工過程當中遇到的技術及管理問題［4］。GIS技術集成了各種空間信息，并能夠綜合分析和處理所有與空間相關的信息，能夠快速高效地建立三維場景模型［5］。“BIM+GIS”是一項將工程施工微觀信息與宏觀信息相結合的技術，兩者的深度融合為鐵路斜拉橋的建設管理提供了新的思路，推動了鐵路橋梁工程管理的信息化和智能化。

1 BIM與GIS技術的特點

1.1 BIM技術的特點

基于BIM的三維信息數據模型，具有可視化、協調性、模擬性等優點［6］。BIM可通過數字信息化方式將工程的真實情況進行模擬，所見即所得，從而為后續項目的決策及工程的建設打下良好的基礎。在BIM數據模型建立之初，需要按照交付要求建立相互關聯的數據信息模型，之后根據交付需求建立對應的數據集合，據此可知BIM技術具有一定的連續性特點。

1.2 GIS技術的特點

GIS是在數據庫管理系統和計算機輔助設計（CAD）兩大軟件的技術基礎上發展而來的，增加了對空間數據進行管理和分析的特殊功能［7］。其基本技術是可視化技術、數據化技術和空間分析技術，是能夠對空間地理的信息化數據進行收集、存儲、管理、計算分析及展示的技術系統［8］。然而GIS存在一定的缺點，即將GIS運用于實體模型時，其對模型內部的細節處理效果不盡如人意，模型整體的精度不夠高。

1.3 BIM與GIS技術的融合

斜拉橋建設項目是一個系統工程，工期短，管理難度大，并具有很高的技術要求。BIM技術的核心在于解決斜拉橋施工管理過程中數據管理及共享問題，并減小資源浪費、節約投資等［9］。BIM模型作為一種3D智能化模型，使工程參與者可直觀快速地獲取模型所表達的可視化信息，同時傳遞了結構全壽命周期的數據資料，能夠準確清晰地描述斜拉橋施工管理全過程［10］。GIS技術則可高效迅捷地捕獲較大范圍的時空信息，從而建立三維場景模型［11］。將BIM的3D智能化模型與GIS的三維場景模型相結合能夠起到優勢互補的作用，各方工作人員可借此掌握斜拉橋建設項目的宏觀及微觀信息。

2 斜拉橋BIM+GIS模型的構建

2.1 工程概況

南玉鐵路百合郁江特大橋于線路DGK107+700 km處，跨越百合郁江，橋址處常水位標高為43.8 m，最大水深約為14 m，常水位江面寬約300 m，河道為Ⅱ級航道（規劃為Ⅰ級航道）。橋型設計為（37+40+64+330+64+40+37）m鋼-混混合梁斜拉橋，全橋長612 m，如圖1所示。主塔采用雙塔雙索面等高塔結構形式，高度為146 m。主墩基礎采用202.8 m灌注樁基礎，樁長為11～31 m，承臺尺寸為30.6 m×23.2 m×6 m。該橋是目前世界上跨度最大的雙線無砟軌道斜拉橋，也是全線的控制性工程和重難點工程。

2.2 模型的構建

百合郁江特大橋結構特殊，施工難度大，施工工藝要求高、工期緊，任務重，地質條件復雜，鉆孔樁施工難度大，是南玉鐵路關鍵線路上的重點、難點及形象工程。在施工過程中要“高標準、嚴要求、重管理”，運用綠色施工及新技術應用的管理理念，又好又快完成南玉鐵路工程建設。通過引入BIM+GIS技術，建立一套在項目管理中的規范流程及應用模式，積極探索和積累精細化施工管控的新方法，逐步改善傳統粗放型的管理模式，為其他項目推廣運用BIM技術奠定基礎。

嚴格按照設計圖紙對進行模型創建，做到準確、細致、真實地反映橋梁結構。構建主塔、斜拉索、鋼錨箱、鋼混結合梁、鋼箱梁、混凝土梁、預應力管道、鋼筋、支架、鋼支撐、地質構造等三維信息BIM模型，為后續項目信息化管理提供數據保障。百合郁江特大橋BIM+GIS模型如圖2所示。

3 工程效益分析

3.1 圖紙審查

根據斜拉橋相關圖紙進行精細化建模，發現圖紙問題，如對主墩圍堰節點板尺寸、主橋鋼錨箱橫隔板尺寸等問題提出意見，提供處理方案，方便溝通，加快施工進度。例如，內襯節點構造圖與建模尺寸有些許出入，建議按照建模尺寸進行加工。如圖3、圖4所示。

通過BIM模型分析，共發現圖紙重要結構錯誤或誤差15處，提前與設計單位進行溝通，避免了因圖紙錯誤或誤差而導致的施工質量問題。

3.2 工程量精確分析

工程量經濟管理是項目建設的一項重要任務，而工程量經濟管理的首要工作是精準快速地統計工程量。百合郁江特大橋項目鋼箱梁及混凝土梁構造復雜，主塔分節混凝土方量計算難度大，對于主墩承臺位置處的刷山挖方方量難以確定。為此，通過三維掃描，建立精細化BIM模型，精確算量，快速提取工程量，核對設計用量，有利于加快預算進度，減輕預算人員工作量，提高預算質量，對增強項目的審核功效有重大意義。

利用無人機航空攝影技術采集地面影像數據，對影像數據進行空中三角測量，進而生成高精度實景三維模型，并通過地理信息工作站獲取測區地形地貌數據，將地形地貌數據與設計開挖線進行套合，測算工程土方量，規劃大型臨時結構布置以及進出場道路，如圖5所示。

利用GIS技術快速計算項目土石方，進行土方平衡調配，為項目決策提供依據。該項目共需挖方量為79 380.9 m3，共需填方量為758.4 m3。

3.3 鋼筋自動化加工

由于項目鋼筋規格數量多，為節省成本，可建立相應的數控模型，在輸入相關設計參數后，快速生成鋼筋模型并出具下料單，精準控制下料長度，實現鋼筋數控加工。利用ProStructure軟件對鋼筋快速建模，并用鋼筋模型生成鋼筋大樣表單和智能鋼筋加工設備識別的下料單，自動對鋼筋原材進行切割、彎折和焊接。

3.4 三維技術交底

傳統的平面施工圖技術交底不夠直觀形象，而BIM技術具有可視化優點，采用BIM技術對施工方案進行三維技術交底，可將各施工步驟、施工工序之間的邏輯關系直觀地進行展示，增強現場施工人員的理解能力，以提高施工的安全可靠性與可實施性。

根據方案內容編制三維技術交底動畫及布序圖，形成圍堰、承臺等施工三維技術交底書及視頻，現場技術負責人以視頻、交底書、二維碼的形式進行動態三維交底，最大限度地幫助施工人員理解施工工序和施工注意事項，高效地完成各項施工任務。

4 結語

（1）通過精細化的BIM建模分析，提前發現了原始圖紙中的若干問題，避免了因圖紙錯誤或誤差而導致的施工質量問題。

（2）利用GIS技術快速計算項目土石方，進行土方平衡調配，為項目決策提供科學依據。

（3）針對傳統施工圖技術交底不夠直觀形象的問題，采用BIM技術對施工方案進行三維技術交底，增強了現場施工人員的理解能力，提高了施工安全可靠性與可實施性。

參考文獻

［1］毛遠遠.張吉懷鐵路古陽河特大橋施工BIM技術研究與應用［D］.石家莊：石家莊鐵道大學，2021.

［2］徐 照，徐春社，袁競峰，等.BIM技術與現代化建筑運維管理［M］.南京：南京東南大學出版社，2018.

［3］郭偉平. BIM技術在大跨度疊合梁斜拉橋施工中的集成管理應用［J］.中國公路，2021（11）：119.

［4］邱志軍，鞠興華. BIM技術在禹門口黃河公路斜拉橋施工中的應用研究［J］.公路交通科技（應用技術版），2018，14（4）：160-164.

［5］宋關福，陳 勇，羅 強，等. GIS基礎軟件技術體系發展及展望［J］.地球信息科學學報，2021，23（1）：2-15.

［6］劉 建.基于BIM的鋼管混凝土拱橋可視化施工技術研究［D］.重慶：重慶交通大學，2018.

［7］曹 靜，魏家紅.GIS技術的特點及其在環境保護中的應用［J］.黃河水利職業技術學院學報，2005（2）：47-49.

［8］林曉東，李曉軍，林 浩.集成GIS/BIM的盾構隧道全壽命管理系統研究［J］.隧道建設（中英文），2018，38（6）：963-970.

［9］孫 輝，李雍友，王偉寧，等.BIM技術在鋼結構橋梁中的應用［J］.西部交通科技，2019（3）：67-69.

［10］王同軍.基于BIM技術的鐵路工程建設管理創新與實踐［J］.鐵道學報，2019，41（1）：1-9.

［11］曹 杰.基于GIS技術的無錫近代園林空間信息數據庫設計與實現［D］.無錫：江南大學，2018.

收稿日期：2022-11-20