基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺構建研究*

溫郁斌 李建勛 陶鋒 王軍 賀來國 許貴青

(1.山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030000；2.山西路橋智慧交通信息科技有限公司，山西 太原 030000；3.山西昔榆高速公路有限公司，山西 晉中 030600)

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展和城市化進程的加速，交通基礎設施建設越來越受到重視[1]。高速公路作為交通基礎設施的重要組成部分，具有促進經濟發展、改善出行條件等重要作用[2-3]。然而，在高速公路建設過程中，存在諸多問題，如施工周期長、成本高、質量難以保證等，對高速公路建設進程和質量產生了不利影響，因此，加強高速公路智能化建造技術研究十分重要[4-6]。

近年來，建筑信息模型(BIM)和地理信息系統(GIS)等技術在工程建設領域得到廣泛應用，成為推進工程建設數字化、智能化的重要手段[7-9]。基于BIM和GIS技術的高速公路智慧建造平臺是指將BIM和GIS技術有機結合，為高速公路建設提供全方位的數字化管理支持，實現高速公路建設全過程的數字化、智能化、協同化[10]。

本文重點闡述基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺的技術架構、功能模塊和應用效果，并對未來平臺發展提出展望。相關研究成果對于推動高速公路建設數字化、智能化、協同化具有重要意義，可以提高高速公路建設效率和質量，降低建設成本，提升交通基礎設施建設水平。

1 BIM+GIS技術概述

1.1 技術架構

BIM技術具有全生命周期管理、數字化展現、可視化協作等特點，為工程建設過程中的設計、施工、運營、維護等環節提供了有力支持。GIS技術具有數據處理、空間分析、地圖制圖等功能，可以幫助工程管理人員對工程建設過程中的空間信息進行全面、準確、實時的監測和管理。BIM+GIS技術是指將建筑模型信息與原始地理空間信息相融合，并在三維可視化條件下進行模型信息化存儲、分析、管理，已廣泛應用于公路工程設計、建設、施工和運維等階段。BIM+GIS技術系統業務構架如圖1所示。

圖1 BIM+GIS技術系統業務構架

1.2 具體功能

基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺主要具有以下功能：

(1)建模與可視化。通過數字化建模實現對高速公路工程的可視化呈現，幫助設計師、施工人員、管理人員等更加直觀、準確地了解工程建設過程中的各個環節。

(2)協同設計。通過可視化協作功能，實現不同人員在不同地點對工程建設進行協同設計，提高工程建設效率。

(3)空間分析。通過GIS技術對工程建設過程中的空間信息進行分析和處理，提供實時監測和管理。

(4)信息集成。通過將BIM和GIS技術相結合，對工程建設過程中的各類數據進行集成和管理，為工程管理人員提供更加全面、準確、實時的信息支持。

(5)智能決策。通過智能決策系統對工程建設過程中的數據進行分析、挖掘和預測，為工程管理人員提供科學決策支持。

1.3 應用價值

基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺應用價值主要包括以下幾個方面：

(1)空間信息管理。傳統的工程建設管理主要依賴于二維平面圖樣，無法對三維空間信息進行全面、準確、實時的管理和監測。基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺，可以實現對空間信息全方位、實時、準確的管理和監測，從而提高施工效率和質量。

(2)多方數據協同。在工程建設過程中，往往需要多方協同合作，而各方數據往往無法有效共享和管理。基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺，可以實現對多方數據的集成和協同管理，從而提高協作效率，減少溝通成本。

(3)信息交流與共享。在工程建設過程中，各部門之間的信息交流和共享通常是一個難題。信息的流通往往受時間和空間的限制，導致工程管理效率低下。基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺，可以實現多方信息交流和共享，從而提高工程管理的效率和質量。

(4)實時監測和預警。在工程建設過程中，往往需要進行實時監測和預警，以保證工程的安全性和穩定性。基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺，可以對工程建設過程中的各項數據進行實時監測和預警，從而及時發現問題，減少事故發生概率，提高工程建設的安全性。

2 基于BIM+GIS技術的高速公路智慧建造平臺功能模塊與應用

2.1 項目概況

本文以某高速公路建設工程項目為例，運用BIM+GIS技術實現該項目智慧建造平臺構建，并成功實現各分部分項平臺業務數據相互關聯。在平臺的不同展示界面，以文字、圖片、視頻等多種方式展示項目建設全過程。項目概況示意圖如圖2所示。

2.2 構件檢索模塊

各構件可隨工程建設過程動態關聯相關施工數據，依據工程結構部位的劃分，結合項目信息化平臺管理系統的施工圖樣、技術資料、檢驗批、工序照片等資料，實現任意構件的實時檢索，并能夠跟蹤構件施工的完整信息，進行構件結合面信息查詢，包括從設計信息到實施過程的完整信息，真正實現了設計、建造過程的全流程數據鏈。檢索功能數據流架構如圖3所示。

圖3 檢索功能數據流架構

2.3 碰撞校驗模塊

通過運用智慧建造平臺碰撞校驗模塊進行虛擬排布，事先排除施工隱患，對設計圖樣進行三維審核，提高與設計方的交涉效率，規避空間沖突與碰撞，有效防止返工。碰撞校驗示例如圖4所示。

圖4 碰撞校驗示例(截圖)

2.4 工程算量模塊

通過定制該項目的工程量計算規則，能夠快速、準確地提取路基工程、路面工程、隧道工程、橋梁和涵洞工程、防水工程等單位工程量，并生成符合計算規則的工程量清單。在創建BIM模型的過程中，通過輸入各構件相應的工程屬性，實現數據分類與統計。利用工程量統計功能，在施工階段對材料消耗量進行統計，實現工程量的復核。工程算量界面示意圖如圖5所示。

2.5 進度管理模塊

根據合同段施工進度計劃，對各實體工程進行分解關聯，建立施工計劃管理；基于現場施工具體執行情況，通過與移動終端APP現場工序交驗進度數據對接共享，實時反映現場施工進度；將施工計劃與施工進度關聯至BIM模型，通過電子沙盤直觀展現整個工程計劃進度和施工進度對比結果，便于管理人員及時把控工程進度。

在該平臺中，以時間軸的形式動態展現各構件施工進度，并用不同顏色區分正常施工和延期施工狀態，便于管理人員直觀了解項目進展。進度管理界面示意圖如圖6所示。

圖6 進度管理界面示意圖(截圖)

2.6 安全巡查模塊

在智慧建造平臺中設置分類清晰、合理的安全問題，各參建單位和部門均可針對檢查出的安全問題發起處理任務，并指派至相關部門或人員。確保責任落實到人，過程可追溯，處理有結果，從而實現完整的閉環管理。例如，發起處理任務后，相關人員會收到信息提醒(手機任務提醒或短信提醒)，在問題為整改之前，模型會在具體工程部位以警示燈的方式進行提醒。相關人員通過手機端將現場問題的處理措施、影像資料等進行回復，發起人確認整改合格后，端會自動關閉警示燈。同時，平臺自動記錄整個安全處理過程，實現數據留痕。安全預警界面示意圖如圖7所示。

2.7 資料管理模塊

該模塊能夠實現圖樣管理和技術資料管理，通過在系統中將現有的圖樣和技術資料進行數字化存儲和管理，方便管理人員直接查看。結合工程部位將對應資料進行編碼關聯，通過工程結構樹查閱該部位的圖樣、技術方案、施工組織設計資料等技術文檔。技術資料管理界面示意圖如圖8所示。

圖8 技術資料管理界面示意圖(截圖)

2.8 物聯網數據集成

在該平臺中融合工程現場的各類設備信息，主要包括監控視頻、車輛GPS定位、人員定位等檢測設備，直觀掌握設備分部位置，實時掌握現場施工情況，進行施工現場物聯網設備數據集成。物聯網數據集成界面示意圖如圖9所示。

圖9 物聯網數據集成界面示意圖(截圖)a)環境監測集成 b)車輛GPS定位集成 c)人員定位集成 d)視頻監控集成

(1)環境監測集成。通過與工地現場環境監測系統對接，實時獲取溫度、濕度、PM2.5、風速等信息數據，在BIM模型中進行動態展示。此外，可以根據設置的預警條件進行狀態預警。

(2)車輛GPS定位集成。該平臺具有空間信息展示功能，通過將車輛定位的GPS信息傳輸至BIM模型平臺，動態展示當前車輛行駛位置和車輛油耗情況。

(3)人員定位集成。通過門禁系統或智能安全帽人員定位系統，可以直觀反映當前人員位置、數量、工種等信息，便于管理人員動態掌握施工現場情況。

(4)視頻監控集成。通過BIM模型實時查看施工現場監控視頻。

2.9 智能輔助決策

智能輔助決策系統以項目工程進度、質量、安全、成本等為重點，通過大數據模型對各管理要素的趨勢性、系統性問題進行分析、預警、決策和綜合管理。根據實際管理要求，通過報表形式直觀展示建設過程中的成本、質量、進度、安全各方面信息，結合大數據分析技術，實時掌握施工現場數據及實際情況。多層級智慧決策大屏界面示意圖如圖10所示。

圖10 多層級智慧決策大屏界面示意圖(截圖)

3 結語

本文針對高速公路建設過程施工周期長、成本高、質量難以保證等問題，基于BIM+GIS技術，構建高速公路智慧建造平臺，實現了高速公路建設過程中的構件檢索、碰撞校驗、工程算量、進度管理、安全巡查、資料管理、物聯網集成、智能輔助決策等功能，為工程建設提供了全方位的數字化管理支持，有效提高了工程建設效率和質量，減少了工程建設成本，實現了工程管理的智能化、數字化、協同化。