基于BIM+GIS技术的桥梁数字孪生平台研究

　　摘要：面向桥梁施工现场环境复杂、多方协同管理难、进度失控风险高、资料收集整理工作量巨大、信息孤岛难以共享继承等问题，将传统桥梁施工与智能化、信息化技术结合，能减少桥梁施工人工投入，为施工管理等环节提供技术支持。本文以某特大桥项目为背景，研究了BIM+GIS技术在桥梁施工中的应用。以地理信息为基准，将BIM模型和地理场景相结合搭建数字沙盘;以信息技术为纽带，将宏观的地理环境与微观的构件信息相结合，实现对包括临建规划、绿色施工、材料信息、进度状态、监测数据等多维度数据的动态可视化管理。该研究结果已应用于多座特大桥项目中，为施工管理提供高效准确、可视化的技术支持，对积极推动桥梁施工数字化、智能化具有非常好的指导借鉴意义。

　　关键词：桥梁;BIM;GIS;系统开发;桥梁工程

　　随着社会经济快速发展，越来越多的大跨度桥梁、高海拔桥梁不断建造建成。日益复杂的建桥环境和持续提高的建造标准，也对桥梁施工中的各个环节提出了更高的要求，加速桥梁施工向信息化、智能化转型已成必然趋势[1-3]。郑云等将BIM+GIS技术应用于建筑供应链可视化的研究中，结果表明将BIM技术所提供的构件信息和物料清单与GIS技术分析得到的最优运输路线相结合，可以实现对供应链物料状态进行可视化监控，有效控制进度，合理化交付时间[4]。刘金岩等在水利工程建设中探究了BIM+GIS技术集成过程中的数据转换问题，其结果可为相关系统集成提供有利的参考建议[5]。

　　随着各领域研究的不断开展，BIM+GIS的可视化技术也为桥梁项目管理提供了新的思路[6,7]，利用直观准确的计算机图形化技术，实现高度精准的桥梁施工现场环境三维空间表达，还原项目环境地貌及桥梁建造结构，不仅可以实时反映桥梁施工进度状态，还可以指导现场的生态保护个和绿色施工;自动化归集各类施工资料可为桥梁设计、建造、养护、监测提供信息集成平台支撑。基于BIM+GIS技术的桥梁项目管理将成为来桥梁工程发展的新技术趋势。工程概况某特大桥是川藏铁路线的进藏第一桥，横跨大渡河峡谷，东接成都岸二郎山隧道出口，西连拉萨岸宝灵山隧道进口。大渡河峡谷为典型高原深切峡谷，桥面距谷底深度达到385m，两岸边坡最大坡度可达55°。

　　桥址处地质环境复杂，碎裂岩、糜棱岩、崩坡积体等不良地质分布范围广、稳定性差，属于近场强震区。桥位处属高原山地气候气候，昼夜温差可达20度，全年6级以上大风达101天，最大风力达14级。该特大桥正线全长1293m，设计为国铁I级双线铁路，客货共线，设计速度200km/h，是全线跨度最大、难度最高、技术最复杂的标志性桥梁工程。大桥于2020年11月8日开工，计划总工期74个月，建成后将成为世界上跨度最大的山区铁路悬索桥。

　　2BIM与GIS技术原理

　　2.1BIM桥梁施工应用

　　建筑信息模型(BuildingInformationModeling,BIM)是来源于建筑行业的一种信息化技术手段。而在桥梁施工管理的应用中，通过建立虚拟三维模型并为模型中的每个构件挂接具有唯一标识性的编码，以该编码为索引依据，将各构件的材料信息、几何属性、状态变化情况以属性的方式赋予各构件，达到精准记录和存储的目的;再配合三维模型以数字化和可视化的形式展示出来,可以科学高效查看和管理施工[8]。

　　2.2GIS空间信息技术

　　地理信息科学(GeographicInformationSystem,GIS)是一门在管理规划中被广泛应用的技术,它可以为复杂地理环境下桥梁施工的规划、管理、决策和营运提供科学有效的技术支持[9,10]。GIS空间信息技术是在传统二维地理系统基础上发展而来的新一代三维空间信息技术。通过该技术所构建的三维空间框架，可作为包括BIM模型、光学遥感影像、高程DEM数据、无人机倾斜摄影、地面传感器等在内的多源数据的载体，以地理坐标为基准搭建一套桥址处的高还原度虚拟环境，具有十分优异的可视化效果和地理空间分析基础。

　　3BIM与GIS集成可视化

　　3.1多源数据的组织管理

　　为了将BIM模型、摄影测量模型等多源数据集成到同一个三维GIS平台上，需要对数据的格式进行统一，本文中使用3DTiles数据集的形式来实现多源数据的组织管理。以BIM模型为例，结构复杂桥梁BIM模型往往具有复杂的空间结构和大量的构件。为了实现网络环境下的BIM数据加载，需要对原始BIM文件进行处理，构建合理的分层分块LOD结构[11,12]，再基于标准的3DTiles格式进行封装形成了tileset.json文件加载到三维GIS平台，以此为进行BIM与GIS集成可视化的基础，

　　3.2构建三维可视化场景

　　研究中获取了桥址处空间分辨率0.5m的遥感影像和全球30m分辨率的数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)，由于遥感影像的成像时间早于施工开工前6个月，影像部分细节不能真实放映施工现场的实际情况，因此引入了无人机实时拍摄得到的影像。将无人机拍摄的照片处理成摄影测量模型，再转换为GIS引擎所需的3DTiles格式，在相同的地理基准下，结合遥感影像和高程搭建出一个具有高还原度的地理场景。最后将坐标转换后的BIM模型定位于场景之中，形成了该特大桥最终的三维可视化场景。

　　三维可视化场景存在因摄影测量模型体量过大而导致的加载效率低的问题。面向该问题本研究根据不同业务下对场景精细度需求的差异性，将摄影测量模型的精细等级进行了区分。在展示全景的状态下，加载精度相对较低的正射影像模型，并限制加载等级;在查看局部结构时，加载局部高精度倾斜模型。

　　4桥梁施工数字孪生平台开发

　　桥梁信息管理系统的以B/S架构进行开发和网络发布，在服务器端实现BIM数据转换和存储管理，在浏览器端基于GIS引擎加载三维可视化场景，以数字孪生沙盘的形式进行三维数据的动态加载和可视化，浏览器端的请求都通过接口与服务器端程序进行数据交换[14,15]。系统集成了包括场地交互式规划、数字孪生平台、平安智慧工地等功能。

　　4.1基于三维虚拟场景的场地交互式规划和绿色施工桥址处的地理环境复杂，山高谷深，对于桥梁施工、临建设施建设以及施工道路布置都有提出了较高的要求。本研究中基于三维可视化场景可以准确直观的判断施工对象与周围自然环境要素之间空间关系，利用GIS中的路径分析可以得到临建的最佳选址以及施工道路的最优配置，如图6所示。利用GIS中的缓冲区分析可判断道路以及临建建设过程中的工程影响范围，尽可能的降低生态成本，保障绿色施工。

　　4.2基于BIM技术的桥梁数字孪生通过BIM模型构件编码的唯一性，可将施工计划、档案信息、构件属性及施工过程信息、材料信息等赋予各构件，使得BIM模型成为一个可以真实的反应桥梁本体多维信息的“孪生体”，将现实中的桥梁数字化。在系统中可以通过查看桥梁“孪生体”属性的方式准确快速的掌握桥梁施工多方面的实时信息。多维数据均可快捷直观的显示，有利于解决多方协同管理难的问题。

　　4.3基于智能监测的智慧工地

　　边坡监测通过空、天、地不同维度的监测手段对边坡当前状态以及滑坡趋势进行监测与分析[16,17]。通过天基InSAR卫星雷达和空基无人机载激光雷达对两岸边坡定期扫描，拟合得到的数据就可以界定滑移风险较大的区域作为边坡风险面，结合地基传感器，如北斗位移监测站、深部测斜仪等智能化监测设备，对风险面进行实时监控，从而实现风险实时监测与预警，并及时进行信息推送，保障施工现场安全。

　　便道管理是山区施工的共性难点，为了保障便道的运输安全及管理，在便道特定位置点安装了测速摄像头、智能化红绿灯、车辆识别闸机、动态称重系统，并将其集成到桥梁施工管理系统中，实现了车辆超重、超速抓拍禁行、便道车辆动态信息实时发布、驾驶人员安全行为监测、车辆通行状态自动控制等功能，全面管控便道行车通畅与安全。同时，系统集成了基于深度学习的智能视频监控，可对现场作业面人员未佩戴安全帽、吸烟等不安全行为进行智能识别;并通过智能化设备实现环境监测、风速风向监测、应力监测、有毒有害气体检测等等，有效保障施工现场安全。

　　5结论

　　本文研究了BIM+GIS技术在桥梁施工项目中的应用，基于三维GIS引擎和地理基准将BIM模型和三维场景相结合，打造桥梁数字孪生体，构建桥梁信息管理系统。系统融合移动互联网、物联网、空天地监测等新技术，形成了场地交互式规划、数字孪生平台、平安智慧工地等多种类、多层级的功能模块。在特大桥梁施工过程中的复杂环境科学规划、规避进度滞后风险、优化多方协同管理、严控施工安全、保障绿色施工等方面起到重要作用。本文所研究的桥梁信息管理系统以在川藏铁路某特大桥项目中得到应用并取得了较好的效果，对于其他同类型桥梁的管理系统开发具有一定的借鉴指导意义。

　　参考文献：

　　[1].吴巨峰石峻峰赵训刚江禹王鑫基于BIM技术的大型桥梁管养平台研究[J].土木建筑工程信息技术,2021,132):9296

　　[2].LatiffiAA,MohdS,KasimN,etal.BuildingInformationModeling(BIM)ApplicationinMalaysianConstructionIndustry[J].InternationalJournalofConstructionEngineering&Management,2013,2(A):16.

　　[3].KhosrowshahiF,GhodousP.ConstructionSustainabilityThroughVisualisationof BuildingOperation[M].SpringerInternationalPublishing,2016.

　　[4].郑云苏振民金少军.BIMGIS技术在建筑供应链可视化中的应用研究[J].施工技术,2015,446):5963+116.

　　[5].刘金岩刘云锋李浩赵萍尹笋基于BIM和GIS的数据集成在水利工程中的应用框架[J].工程管理学报,2016,304):9599.

　　[6].王欢基于BIM技术的三维数字化桥梁设计与管理[J].城市建设理论研究电子版),2018(19):126.

　　[7].秦利赵科李鹏云.BIM+GIS技术在桥梁工程施工中的应用研究[J].土木建筑工程信息技术,2017,95):5661.

　　[8].智鹏.基于BIM的铁路建设管理平台及关键技术研究[D].中国铁道科学研究院,2018.

　　作者：胡乃勋1,2，吴巨峰1,2，赵训刚1,2，王熊珏1,2，古洲扬1,2，赵佳宾1,2

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