王德鋒

河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司

摘 要：BIM模型和施工管理信息化已在橋梁建設中得到廣泛應用，但特大橋的建設管理平臺的輕量化，尤其是攜帶建筑信息模型和地理信息的特大橋梁輕量級建設管理平臺的研發(fā)和應用對于提高特大橋建設管理效率具有重要意義。為實現(xiàn)建設管理平臺的輕量化，提出了基于BIM GIS的特大橋梁輕量級建設管理平臺，通過優(yōu)化地理信息數(shù)據(jù)和模型構件信息，搭建輕量級應用模型。在橋梁建設過程中，將各類業(yè)務數(shù)據(jù)進行線上記錄并與模型構件進行關聯(lián)，實現(xiàn)特大橋梁建造的數(shù)字孿生。研究開發(fā)的輕量級建設管理平臺在黃河特大橋建設中得以應用，實現(xiàn)了該特大橋建設管理數(shù)字化，應用結果驗證了輕量級建設管理平臺的有效性和可操作性。

關鍵詞：BIM GIS;數(shù)字建造;特大橋梁;

基金：河南省交通運輸廳科技項目，項目編號2019J-2-1;河南省交通運輸廳科技項目，項目編號2020G9;

特大橋是指多孔跨徑總長大于1 000 m或單孔大于150 m的公路橋梁，或橋長大于500 m以上的鐵路橋梁[1]。特大橋具備投資規(guī)模大、建設周期長、技術含量高、涉及人員復雜等特點，建設管理效率相對低下。為提高特大橋建設管理的效率和質量，同時，提升管理水平和服務能力，一些新技術和新工藝不斷引入，進一步加大了特大橋建設管理的難度。

特大橋的建設期數(shù)字化管理可以分為兩個方面，一個方面是基于建筑信息模型(BIM)和地理信息(GIS)的可視化數(shù)字特大橋資產；另一方面是建設全過程數(shù)字化協(xié)同管理。BIM技術對工程建設的支撐作用越來越明顯，而BIM作為特大橋的虛擬承載體，包含了橋梁所有物理特性、功能特性，可作為建設期數(shù)字資產交付的完整信息來源。GIS地理信息有強大的三維空間查詢和分析能力，能為工程建設BIM 模型提供經緯度坐標信息，而BIM 海量的信息又是GIS地理信息的重要數(shù)據(jù)源，BIM 和GIS 的融合實現(xiàn)了工程模型信息和地理信息的一體化管理[2]。GIS信息與BIM的融合，使得特大橋的模型與實際地理信息完美融合，為工程建設的數(shù)字孿生提供了實現(xiàn)途徑。

全過程數(shù)字化管理基于物聯(lián)網技術進行智能化數(shù)據(jù)采集，將建設過程中設計資料、工程進度、工程報驗、工程巡檢、電子檔案等內容進行數(shù)字化和在線化，并與BIM模型的構件進行關聯(lián)。BIM技術能將建設項目全壽命期內各個階段所有信息進行電子化集成應用與管理[3],在公路工程建設階段基于BIM技術的應用可以提高高速公路信息化和數(shù)字化水平[4]。橋梁工程施工進度的可視管理充分利用了BIM技術的可視化、模擬性和真實性，實現(xiàn)進度統(tǒng)計、查詢、維護等功能[5]?；贐IM的橋梁信息管理系統(tǒng)可實現(xiàn)項目管理信息的共享，對項目實施遠程、動態(tài)、可視化管理[6],實現(xiàn)橋梁施工中材料成本控制和精細化管理[7]。

但BIM模型和GIS系統(tǒng)擁有海量數(shù)據(jù)，對設備和計算機性能要求極高，數(shù)據(jù)處理與分析的效率低下，設備攜帶和轉移不便，進行輕量化處理具有重要現(xiàn)實需求。研發(fā)基于BIM GIS的特大橋梁輕量級建設管理平臺，采用數(shù)字模型和地理信息模型相結合的技術，對特大橋梁設計、施工過程中海量數(shù)據(jù)進行分析，可輕易實現(xiàn)特大橋梁可視化管理。

1 輕量級建設管理平臺搭建

1.1模型輕量化處理

當大體量模型在PC端展示時，海量數(shù)據(jù)會造成計算機運行緩慢、卡頓、可操性差等問題，輕量化模型數(shù)據(jù)可較好地解決上述問題。通過數(shù)據(jù)處理、緩存處理技術對模型進行輕量化，最大程度地減少計算機資源占用率，實現(xiàn)模型的快速渲染。

模型主要由幾何信息和屬性信息組成，屬性信息主要存儲為DB文件或者JSON文件，幾何信息的數(shù)據(jù)處理主要包含三角網簡化，刪除重復點重復面、實例化等。模型中含有大量的三角面構件，模型越精細三角面片數(shù)越多，三角網簡化為過濾三角面片數(shù)的一個過程，在不改變模型完整性的前提下減少三角面片數(shù)，降低內存占有，滿足大體量數(shù)據(jù)的性能需求；通過移除重復點和重復面簡化模型的三角面片數(shù)，提高加載效率；模型中含有很多除位置信息外其他信息相同的構件，例如模型中有相同的樁基構件，除空間位置信息外，其他模型數(shù)據(jù)都相同，只需保存一個樁基數(shù)據(jù)，在不同位置渲染，減少不必要的資源占用。

緩存處理主要包含緩存切片、多重LOD、過濾閾值等，瀏覽器直接加載大體量數(shù)據(jù)很容易導致卡頓甚至奔潰，通過緩存技術對模型生成緩存，提高模型的渲染速度和流暢性。在生成緩存時設置瓦片邊長，當瓦片所在位置出現(xiàn)在視圖內時才對其進行加載，瓦片邊長越長，單個瓦片的加載時間越長，但總瓦片數(shù)量減少，在兼容加載速度和網絡請求數(shù)量的基礎上計算最優(yōu)瓦片邊長，減少模型加載時間；通過設置LOD層級和簡化率，使用不同精細度級別的幾何體來展示模型，在縮小模型時，只需展示三維模型的輪廓，不需顯示細節(jié)部分，當擴大模型時，才需顯示細節(jié)部分；通過設置過濾閾值，在渲染模型時剔除不可見的物體、像素小于閾值的物體，降低負載加速渲染。

1.2平臺搭建

本文結合特大橋梁施工的實際需求和條件，對特大橋模型和地理信息模型進行輕量化，利用BS架構模式進行系統(tǒng)開發(fā)，搭建如圖1所示輕量級的建設管理平臺，共分為4步。

步驟一，BIM與GIS信息融合。首先對特大橋三維數(shù)字模型的輕量化處理，通過Bentley軟件構建特大橋梁的三維可視化模型，并通過優(yōu)化三角面片數(shù)和定點數(shù)、遮擋優(yōu)化、不可見優(yōu)化、透明度控制、抗鋸齒控制和曲線段控制等技術手段實現(xiàn)橋梁模型的輕量化。其次是對通過傾斜攝影或者激光點云技術采集到的地理信息化模型的輕量化處理，將采集的各種矢量和格柵格式的圖形數(shù)據(jù)經過校核轉換為GIS圖形數(shù)據(jù)。三是將特大橋模型和地理信息模型相結合，為可視化建設管理奠定基礎。

圖1 平臺搭建方法示意

步驟二，橋梁構件信息數(shù)字化。特大橋梁建設過程中涉及的數(shù)據(jù)量大、面廣、格式多樣、多來源，需將橋梁本身各種構件及其屬性數(shù)據(jù)標準化，建立屬性標準數(shù)據(jù)庫，并對構件進行唯一編碼。這樣既能避免在建設過程中因構件信息數(shù)據(jù)雜亂引起的混亂，又能通過構件唯一的編碼與三維數(shù)字模型進行關聯(lián)。

步驟三，建造過程在線化。在完成前兩步的基礎上，施工過程中針對每一個構件的建造過程所產生的業(yè)務數(shù)據(jù)和流程數(shù)據(jù)與具體構件進行關聯(lián)，通過對建造過程中的構件屬性和過程數(shù)據(jù)的整合，形成各項業(yè)務的標準化數(shù)據(jù)流程，實現(xiàn)各項業(yè)務流程的標準化和信息化。

步驟四，系統(tǒng)開發(fā)和應用。采用現(xiàn)有主流技術和工具完成特大橋梁輕量級建設管理平臺的開發(fā)，并在實際工程建設中應用，實現(xiàn)特大橋梁建造全過程的信息化和數(shù)字化的管理。并在此過程中，根據(jù)工程實際應用反饋情況，對屬性標準數(shù)據(jù)庫進行更新和完善、對建設流程進行修正。

2 基礎數(shù)據(jù)處理

特大橋梁的基礎數(shù)據(jù)主要包括橋梁構件數(shù)據(jù)和GIS地理信息數(shù)據(jù)，其中橋梁構件數(shù)據(jù)主要來源于三維模型的構件編碼信息，GIS地理信息數(shù)據(jù)主要來源于航測、激光點云等測繪技術所采集的信息?；A數(shù)據(jù)處理就是將這兩種數(shù)據(jù)經過融合、轉化和部署，然后將部署后的基礎數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)庫特性進行歸納總結，形成層次結構分明的標準數(shù)據(jù)庫。

2.1數(shù)據(jù)融合與部署

基礎數(shù)據(jù)的融合與部署是特大橋梁可視化建設管理的基礎，數(shù)據(jù)融合和部署主要有以下4個步驟。

步驟一，源數(shù)據(jù)整理。將三維可視化的特大橋梁構件模型信息和編碼信息、GIS地理信息按照圖形服務技術要求的格式進行整理，保證數(shù)據(jù)源的真實性、一致性和準確性。

步驟二，源數(shù)據(jù)導入。根據(jù)建設管理實際需要，可分別提取不同類型、功能的數(shù)據(jù)，形成既相互獨立又密切聯(lián)系的數(shù)據(jù)標準庫，如鋼筋數(shù)據(jù)、混凝土數(shù)據(jù)、建安設施數(shù)據(jù)等；也可按照業(yè)務應用劃分來提取不同層次的業(yè)務數(shù)據(jù)。可視化引擎支持各種數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)格式往往并不統(tǒng)一，需要對導入的數(shù)據(jù)進行二次校核，校核內容主要包括去重、毛刺處理、邊角閉合等內容。

步驟三，圖形數(shù)據(jù)渲染與編碼信息匹配。對三維可視化的數(shù)據(jù)信息進行二次校核之后，一是需要對數(shù)據(jù)模型的構件顏色、填充圖樣等內容進行渲染；二是要對地理信息的原圖進行可見、漸變、隱藏等功能的設置；三是針對不同的比例尺圖形展示設置具有選擇性顯示和隱藏；四是將渲染后的可視化模型與之前的構件信息編碼進行匹配。例如，在瀏覽整個特大橋模型的時候，只顯示主線構造，而不顯示交安信息；放大顯示橋面信息時，橋上構造物均需顯示。

步驟四，調用圖形服務。將整合后的圖形數(shù)據(jù)通過超圖軟件提供的可視化引擎進行地圖服務發(fā)布，并根據(jù)工程實際進展情況及時更新圖形數(shù)據(jù)，建設過程中的參建各方均基于該圖形服務進行線上管理。

2.2屬性標準數(shù)據(jù)庫

完成特大橋梁地圖服務調用是可視化建設管理的基礎，但要實現(xiàn)建造過程全數(shù)字化管理，還需要將可視化的三維信息與施工過程中的各種屬性數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，用豐富、全面的屬性標準數(shù)據(jù)對三維可視化的橋梁建設管理進行支撐。屬性標準數(shù)據(jù)包括特大橋梁建造過程中涉及的各種業(yè)務數(shù)據(jù)，如管理、施工、監(jiān)理等。

特大橋梁由于施工工地分散、標段多、管理業(yè)務復雜，往往造成日常建設管理中出現(xiàn)多個業(yè)務面交叉、施工作業(yè)面沖突等情況，尤其是施工過程中數(shù)據(jù)記錄存在不及時，影響后期資料歸檔。同時在建設過程中的監(jiān)理日志、施工日志、周報、月報等各種統(tǒng)計報表種類繁雜，極易產生疏漏和錯誤。針對上述存在的問題，簡單可行的解決方案就是將這些業(yè)務數(shù)據(jù)進行分門別類的整理，形成業(yè)務屬性標準數(shù)據(jù)庫，即將日常建設管理中涉及的各種業(yè)務屬性標準化，并建立起層級關系，通過信息提取自動形成各種業(yè)務報表。

特大橋梁施工管理過程中涉及到工序報驗、支付計量、安全巡檢、統(tǒng)計報表等多項業(yè)務，其中工序報驗處于項目的質量、安全管理的核心地位，特大橋工序報驗業(yè)務涉及的數(shù)據(jù)屬性如圖2所示。

圖2 工序報驗業(yè)務數(shù)據(jù)屬性示例

3 施工業(yè)務流程處理

完成特大橋梁的基礎數(shù)據(jù)標準庫建設后，就可以開展特大橋施工管理業(yè)務流程的標準化建設，同時依靠流程中相關數(shù)據(jù)生成各類業(yè)務報表和日志，從而達到精細化施工管理。

3.1建設管理標準化流程

特大橋梁建設過程包含多種業(yè)務，并具有各自的工作流程。由于各自流程存在不嚴謹、不嚴格等問題，會出現(xiàn)以下主要問題：一是相關步驟或者數(shù)據(jù)填報存在重疊；二是步驟流程簡便化，存在流程不標準；三是不同步驟之間數(shù)據(jù)缺乏互通與共享。這些問題的存在，不利于工程建設的數(shù)字化管理。

在屬性標準數(shù)據(jù)庫的基礎上，完成各項建設管理流程的標準化，使得各項管理均基于一個標準流程和一個平臺操作，既有利于建設管理的開展，也有利于實現(xiàn)工程建設項目的數(shù)字化，同時為后期運維管理提供數(shù)字化資產。以孟州黃河特大橋的工序報驗為例，其標準的工作流程如圖3所示。

建設管理標準化流程具備工程建設管理的實際意義：管理流程的標準化生成的各項業(yè)務數(shù)據(jù)均具有明確的屬性數(shù)據(jù)，而且是高度結構化的數(shù)據(jù)，在建設過程中可以使管理逐步走向科學化和精細化，并且可以利用積累的數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)(生成各種日志、投資進度),為管理者的決策提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 工序報驗業(yè)務流程

3.2建設業(yè)務數(shù)據(jù)流程

特大橋梁建設過程中，伴隨著各項施工業(yè)務的推進，會產生大量的業(yè)務數(shù)據(jù)。新產生的業(yè)務數(shù)據(jù)、屬性標準數(shù)據(jù)庫和運維管理流程是相輔相成的有機整體，共同構成工程建造過程中的建設管理。

以孟州黃河橋建設管理中的工序報驗流程為例，該數(shù)據(jù)流程以工序報驗單為核心，分步驟、分批次地進行報驗，如圖4所示。

業(yè)務數(shù)據(jù)與可視化模型的分部分項編碼信息相關聯(lián)，擁有唯一的標識碼。通過這種相關聯(lián)的標簽方式，可以使工程建設的屬性標準數(shù)據(jù)庫隨工程建設進度不斷地完善，具備高度的連續(xù)性，從而保證系統(tǒng)所生成各種數(shù)據(jù)和報表的準確性和可靠性。

圖4 黃河橋報驗流程

4 平臺研發(fā)及應用案例

國道207孟州黃河特大橋項目連是接孟州和偃師之間的重要通道，路線全長約18.4 km, 總投資約23.6億元。由于項目建設規(guī)模較大，參建人員日常建設工作任務量大，為減輕人員工作量，提升工作效率，打造數(shù)字黃河橋，采用了本文提出的方法，建設了一套基于BIM GIS的黃河特大橋輕量級建設管理平臺。根據(jù)工程建設管理實際需求，將建設管理平臺劃分為進度模塊、計量模塊、報驗模塊、安全巡檢模塊、屬性標準數(shù)據(jù)庫模塊和系統(tǒng)設置模塊，如圖5所示。前4個模塊為相應業(yè)務應用模塊，后2個模塊為系統(tǒng)支撐模塊，用于保障業(yè)務模塊的正常使用。

圖5 建設管理平臺功能模塊構成

從該項目的業(yè)務應用模塊組成可以看出，該建設管理平臺覆蓋了工程管理重點關注的質量、安全、投資和進度等4大方面，也是公路工程建設期重點需要關注的方向，具有代表性。

4.1部署軟硬件環(huán)境

三維可視化的橋梁構件信息通過bentley建模軟件 自主開發(fā)小插件的方式實現(xiàn)，三維數(shù)字地形圖通過地圖引擎的方式來實現(xiàn)。系統(tǒng)平臺采用BS架構，后臺應用程序和數(shù)據(jù)集中部署在云端，客戶通過瀏覽器或者APP進行訪問，十分適用于特大橋梁現(xiàn)場建設管理。

4.2應用效果分析

前面所述現(xiàn)場管理4大模塊均實現(xiàn)了從手動紙質線下操作方式到三維可視化線上模式的轉變，可進行直觀管理。同時，在工程建設過程中引入屬性標準數(shù)據(jù)庫和標準化流程，可以對實時收集的業(yè)務數(shù)據(jù)進行準確統(tǒng)計和分析，為管理者的決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2.1三維可視化的綜合管理

基于BIM GIS的特大橋建設管理平臺集成了前期勘察設計信息、記錄了施工全過程相關的文字材料和音視頻資料，實現(xiàn)了特大橋梁建造過程中的數(shù)字化和信息化。圖6所示為某一橋墩上部的工程圖紙、質檢材料、施工過程信息等內容的關聯(lián)特征。

圖6 橋梁構件特征示意

4.2.2報表統(tǒng)計分析

特大橋的建設管理平臺在完成建造過程各類業(yè)務在線化的同時也完成了業(yè)務數(shù)據(jù)的收集，把業(yè)務數(shù)據(jù)按照屬性標準進行分門別類，實現(xiàn)了業(yè)務數(shù)據(jù)的高度結構化，可完成各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作，且結果準確可靠。如以工序報驗信息來提取工程建設的施工進度，以工序報驗駁回率進行多個標段報驗質量對比，以巡查問題出現(xiàn)次數(shù)和處理閉合次數(shù)判斷是否存在沒有解決的問題等。如圖7。

圖7 投資完成進度對比示意

5 結語

本文立足于公路工程建設過程管理的實際條件，提出了基于GIS BIM的特大橋梁輕量級建設管理平臺的研發(fā)與應用。

利用成熟的GIS和BIM技術，將公路工程建設中的地理信息與工程BIM模型信息無縫對接，并對融合后的數(shù)據(jù)模型進行輕量化處理，通過對分部分項構件信息編碼，實現(xiàn)工程部件全生命周期的唯一標識符。利用地圖引擎技術將輕量化的三維可視化數(shù)字模型發(fā)布成為地圖服務并部署在項目管理系統(tǒng)中，為特大橋梁的建設管理提供可視化管理奠定基礎。通過將屬性標準數(shù)據(jù)庫、建設過程業(yè)務數(shù)據(jù)與構件編碼信息相關聯(lián)，形成了標準的建設管理流程和數(shù)據(jù)流程，可以有效進行業(yè)務數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

輕量化管理平臺在跨黃河特大橋項目中獲得成功的應用，實現(xiàn)了項目管理的在線化和道路資產的數(shù)字化，驗證了本文提出方法的有效性和可行性，可為特大橋梁的建設管理提供參考。

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