BIM+GIS数据集成技术在铁路桥梁施工管理的应用

侯宇飞，杨斌，吴明杰，朱俊武

（1.中铁上海工程局集团有限公司，上海 200040；2.中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844；3.雄安高速铁路有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

建筑信息模型 （Building Information Modeling，BIM）与地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是2种相辅相成的技术，BIM技术可提供数据基础，GIS技术可提供空间参考。经过近几年的发展，BIM技术正由“建模为主”的BIM1.0时代，向“多维度数据应用为主”的BIM2.0时代跨越，而GIS技术提供的专业空间分析能力及宏观地理环境又深层次挖掘了BIM技术的应用价值。随着3D GIS技术日渐成熟，GIS为BIM技术提供了更丰富的地理空间信息，“BIM+GIS”成为BIM多维度应用的重要方向之一。针对京雄城际铁路固霸特大桥项目，将BIM技术与GIS数据集成大场景融合，构建工程建设三维场景，实现铁路桥梁施工信息化管理［1-3］。

1 BIM+GIS场景构建

1.1 BIM模型建立

为满足项目施工要求，在京雄城际铁路固霸特大桥的不同地段，设置不同的建模精度标准。桥梁普通地段建模精度为LOD3.0；特殊结构物（如连续梁、装配式桥梁）地段建模精度为LOD4.0；简支箱梁钢筋智能加工以及桥梁装配式承台、墩身、墩帽钢筋等，其建模精度达LOD 5.0。所有模型的信息、属性、代码等均参照铁路BIM联盟制定的标准建立［4-5］。

1.2 GIS信息建立

倾斜摄影技术通过把正射影像和倾斜影像相结合，经相关软件处理，实现对目标地物表面的三维建模，从而获取目标地物表面的真实纹理。该技术通过在同1架无人机上搭载多台传感器，分别从前、后、左、右、垂直5个不同角度采集影像，得到1幅正片和4幅斜片。在无人机飞行过程中，系统自动记录无人机的瞬时坐标、速度、高度、旁向重叠与航向重叠等数据，通过数据预处理、空中三角测量处理和加密点云等过程，对采集到的影像信息进行数据处理，建立贴近真实场景的三维模型［6-7］。GIS三维建模主要技术流程见图1。

图1 GIS三维建模主要技术流程

1.3 BIM+场景融合信息建立

搭建BIM+GIS施工管理平台，解决模型转换的阻碍。将IFC标准模型、三维倾斜摄影模型、主体工程模型、临建模型导入GIS平台［8-9］，形成3D电子沙盘，达到项目相关模型与GIS平台完美结合，精度与实景一致，可通过3D电子沙盘查看全线工程信息。

2 BIM设计优化

2.1 连续梁0#段结构优化

在二维钢筋图纸的基础上，通过建立京雄城际铁路固霸特大桥519#—540#墩（全长847.25 m）350 km/h全封闭声屏障连续梁全桥模型，应用BIM软件提供的三维可视化空间，优化连续梁钢筋设计，提前减少或避免钢筋与预应力管道、钢筋与支座螺栓等预埋件之间的干扰［10］。0#段结构优化统计见表1。

表1 0#段结构优化统计表

2.2 四桥六线并行段深化设计

雄安站咽喉区四桥六线并行段结构复杂。项目部BIM工作室建立相关BIM模型并进行碰撞检测，发现并行连续梁墩帽与模板之间存在的碰撞、重合问题，以及梁体之间的碰撞问题等，为优化设计、施工方案提供了有力的数据支撑。雄安站咽喉区四桥六线并行段碰撞检测示意见图2。

图2 雄安站咽喉区四桥六线并行段碰撞检测示意图

2.3 装配式墩身、墩帽深化设计

2.3.1 墩身、墩帽模板图纸深化设计

应用BIM技术对装配式桥梁墩身钢筋胎架模型与桥梁墩身、墩帽钢筋进行匹配，通过模板翻转受力云图，复核钢筋胎架定位精度，发现干扰及偏差问题并及时调整（见图3）。匹配复核无误后，采用激光切割方式加工定位板及胎架，确保墩柱钢筋和预埋连接套筒笼精度达到±2 mm。

图3 模板翻转受力云图

2.3.2 预制墩身安装

预制拼装墩身质量为71 t，墩帽质量为108 t，墩身和承台、墩身和墩帽采用φ32 mm螺纹钢筋和灌浆套筒连接，连接套筒与钢筋间隙为14 mm，拼装时将80根φ32 mm螺纹钢与80个套筒对位安装，拼装精准度要求极高。为保证工程顺利实施，中铁上海工程局集团有限公司成立了重大科研课题小组，应用BIM技术建立墩帽、墩柱连接结构模型，多次进行模拟和匹配性安装，对安装结构进行优化，确保装配式墩身安装精度。装配式墩身拼装施工模拟示意见图4。

图4 装配式墩身拼装施工模拟示意图

2.3.3 装配式桥面系图纸深化设计

整体预制拼装防护墙和电缆槽属于薄板结构，在预制时存在脱模困难、棱角易损坏现象，应用BIM技术将原设计的薄板结构腋角处优化为倒角结构，薄板采用小角度放坡以实现模板顺利脱模，将连接螺栓优化为沉头螺栓，提高了预制质量和连接可靠度。BIM技术辅助装配式桥面系图纸深化设计效果见图5。

图5 装配式桥面系图纸深化设计效果

3 大型临时设施工程辅助设计

对于预制梁场、钢筋加工场、拌合站等大型临时设施工程（简称大临工程），可应用BIM技术辅助其进行规划选址。通过无人机航测获取真实地理环境信息建立三维实景模型，应用BIM软件建立京雄城际铁路五标项目部全线BIM模型，集成至BIM+GIS施工管理平台，形成全线三维电子沙盘，实现高铁大临工程大场景展示。通过BIM+GIS数据集成技术，可直观展示大临工程的详细位置，并对大临工程规划建设方案进行多维分析和研究，大大提高选址的效率和科学性。大临工程GIS场景规划见图6。

图6 大临工程GIS场景规划

针对大临工程重难点拆迁区，同样应用无人机航测获取真实地理环境信息，建立三维实景模型，动态展示拆迁进度，为重难点拆迁区留下原始信息资料。

4 施工组织管理

4.1 指导大直径预应力管桩施工

京雄城际铁路首次应用大直径预应力管桩基础，当管桩穿越砂层地质时，易出现管桩无法打至设计标高和桩头破碎等问题。通过BIM+GIS技术建立桥梁地段地质模型［11］，与GIS空间场景融合，实现工程地质信息三维可视化，便于施工人员快速查询分析地质情况，为大直径预应力管桩施工及终锤标准提供真实可靠的地质信息依据，使施工期间地质信息校核与确认工作更加便利［12］。BIM+GIS场景地质分析见图7。

图7 BIM+GIS场景地质分析

4.2 施工进度可视化管理

以BIM模型为载体，GIS数据集成大场景为核心，搭建BIM+GIS施工管理平台，将BIM模型载入GIS平台实现全生命周期管理［13-14］。平台由综合管理、技术管理、进度管理、成本管理、安全质量管理、智能建造6个模块组成。通过扫描二维码的方式，将桥梁装配式预制构件施工过程信息自动集成至BIM+GIS施工管理平台，管理人员通过电脑、手机等终端随时随地了解预制构件的相关信息和施工状态（见图8），实现桥梁装配式预制构件从设计、预制、运输、安装及运营等全生命周期的跟踪追溯管理，对施工过程中出现的进度偏差快速作出反应，并制定相应的进度保障措施，保证项目进度目标的实现［15］。

图8 终端操作界面

4.3 施工成本管理

应用BIM技术辅助重点工程特殊构造物成本分析。以合同清单为基础，对装配式桥梁进行EBS工程实体分解，将分项工程BIM模型与合同单价、责任成本单价关联。现场下发任务单，通过移动端适时录入预制构件完成工程量，系统自动对工程量进行汇总，分析装配式桥梁段落合同收入、责任成本收入、实际成本、利润率等情况，并对相关成本因素进行对比，实现重点成本分析，大大提高了项目综合管理水平。

4.4 装配式桥梁大体积混凝土温控管理

为保障大体积混凝土施工质量，BIM+GIS施工管理平台集成基于BIM技术的大体积混凝土温控子系统，应用“BIM+物联网”技术，将现场测温采集系统、供水设备等进行关联，借助温度传感器等设备，实时反馈混凝土内外部温度数据，并在BIM模型中以色谱云图的形式同步展现，实现温度分部可视化。同时，系统还设置混凝土内外温差、进出水水温等阈值，根据温度变化情况实现通水量自动控制［16］。

图9 BIM技术的大体积混凝土温控系统

5 结束语

将BIM+GIS数据集成技术应用于京雄城际铁路四桥六线并行段、桥梁装配式一体化段，为优化结构设计、大临工程选址、施工进度成本管理及智能建造等方面提供了有力的技术支撑，在平台实现全过程可视化管理，提升铁路建设项目智能化建造水平，取得良好效果，为铁路工程建设信息化、可视化、数字化、智能化施工管理提供参考。未来，BIM技术还将与GIS技术、区域链、物联网等深度融合，在地理环境中有效支撑大范围BIM数据集成，应用数据库系统对其进行高效管理，与区域建设进行协同分析和共享应用，提升铁路行业的核心竞争力。