王德鋒

河南省交通規(guī)劃設(shè)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(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但特大橋的建設(shè)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(shè)管理平臺的研發(fā)和應(yīng)用對于提高特大橋建設(shè)管理效率具有重要意義。為實現(xiàn)建設(shè)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(shè)管理平臺，通過優(yōu)化地理信息數(shù)據(jù)和模型構(gòu)件信息，搭建輕量級應(yīng)用模型。在橋梁建設(shè)過程中，將各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行線上記錄并與模型構(gòu)件進行關(guān)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(shè)管理平臺在黃河特大橋建設(shè)中得以應(yīng)用，實現(xiàn)了該特大橋建設(shè)管理數(shù)字化，應(yīng)用結(jié)果驗證了輕量級建設(shè)管理平臺的有效性和可操作性。

關(guān)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(shè)周期長、技術(shù)含量高、涉及人員復(fù)雜等特點，建設(shè)管理效率相對低下。為提高特大橋建設(shè)管理的效率和質(zhì)量，同時，提升管理水平和服務(wù)能力，一些新技術(shù)和新工藝不斷引入，進一步加大了特大橋建設(shè)管理的難度。

特大橋的建設(shè)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(chǎn)；另一方面是建設(shè)全過程數(shù)字化協(xié)同管理。BIM技術(shù)對工程建設(shè)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(shè)期數(shù)字資產(chǎn)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(shè)BIM 模型提供經(jīng)緯度坐標(biāo)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(shè)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(wǎng)技術(shù)進行智能化數(shù)據(jù)采集，將建設(shè)過程中設(shè)計資料、工程進度、工程報驗、工程巡檢、電子檔案等內(nèi)容進行數(shù)字化和在線化，并與BIM模型的構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)。BIM技術(shù)能將建設(shè)項目全壽命期內(nèi)各個階段所有信息進行電子化集成應(yīng)用與管理[3],在公路工程建設(shè)階段基于BIM技術(shù)的應(yīng)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(shù)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(shè)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(shè)備攜帶和轉(zhuǎn)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(shè)管理平臺，采用數(shù)字模型和地理信息模型相結(jié)合的技術(shù)，對特大橋梁設(shè)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(shè)管理平臺搭建

1.1模型輕量化處理

當(dāng)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(shù)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(wǎng)簡化，刪除重復(fù)點重復(fù)面、實例化等。模型中含有大量的三角面構(gòu)件，模型越精細三角面片數(shù)越多，三角網(wǎng)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(nèi)存占有，滿足大體量數(shù)據(jù)的性能需求；通過移除重復(fù)點和重復(fù)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(gòu)件，例如模型中有相同的樁基構(gòu)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(dǎo)致卡頓甚至奔潰，通過緩存技術(shù)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(shè)置瓦片邊長，當(dāng)瓦片所在位置出現(xiàn)在視圖內(nèi)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(wǎng)絡(luò)請求數(shù)量的基礎(chǔ)上計算最優(yōu)瓦片邊長，減少模型加載時間；通過設(shè)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(dāng)擴大模型時，才需顯示細節(jié)部分；通過設(shè)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(jié)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(gòu)模式進行系統(tǒng)開發(fā)，搭建如圖1所示輕量級的建設(shè)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(gòu)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(shù)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(shù)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(jīng)過校核轉(zhuǎn)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(jié)合，為可視化建設(shè)管理奠定基礎(chǔ)。

圖1 平臺搭建方法示意

步驟二，橋梁構(gòu)件信息數(shù)字化。特大橋梁建設(shè)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(gòu)件及其屬性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，并對構(gòu)件進行唯一編碼。這樣既能避免在建設(shè)過程中因構(gòu)件信息數(shù)據(jù)雜亂引起的混亂，又能通過構(gòu)件唯一的編碼與三維數(shù)字模型進行關(guān)聯(lián)。

步驟三，建造過程在線化。在完成前兩步的基礎(chǔ)上，施工過程中針對每一個構(gòu)件的建造過程所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和流程數(shù)據(jù)與具體構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)，通過對建造過程中的構(gòu)件屬性和過程數(shù)據(jù)的整合，形成各項業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)流程，實現(xiàn)各項業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化。

步驟四，系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用。采用現(xiàn)有主流技術(shù)和工具完成特大橋梁輕量級建設(shè)管理平臺的開發(fā)，并在實際工程建設(shè)中應(yīng)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(yīng)用反饋情況，對屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進行更新和完善、對建設(shè)流程進行修正。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

特大橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括橋梁構(gòu)件數(shù)據(jù)和GIS地理信息數(shù)據(jù)，其中橋梁構(gòu)件數(shù)據(jù)主要來源于三維模型的構(gòu)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(shù)所采集的信息。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理就是將這兩種數(shù)據(jù)經(jīng)過融合、轉(zhuǎn)化和部署，然后將部署后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)庫特性進行歸納總結(jié)，形成層次結(jié)構(gòu)分明的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。

2.1數(shù)據(jù)融合與部署

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的融合與部署是特大橋梁可視化建設(shè)管理的基礎(chǔ)，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(gòu)件模型信息和編碼信息、GIS地理信息按照圖形服務(wù)技術(shù)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(zhǔn)確性。

步驟二，源數(shù)據(jù)導(dǎo)入。根據(jù)建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)庫，如鋼筋數(shù)據(jù)、混凝土數(shù)據(jù)、建安設(shè)施數(shù)據(jù)等；也可按照業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分來提取不同層次的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?？梢暬嬷С指鞣N數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)格式往往并不統(tǒng)一，需要對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進行二次校核，校核內(nèi)容主要包括去重、毛刺處理、邊角閉合等內(nèi)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(gòu)件顏色、填充圖樣等內(nèi)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(shè)置；三是針對不同的比例尺圖形展示設(shè)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(gòu)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(gòu)造，而不顯示交安信息；放大顯示橋面信息時，橋上構(gòu)造物均需顯示。

步驟四，調(diào)用圖形服務(wù)。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(wù)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(shè)過程中的參建各方均基于該圖形服務(wù)進行線上管理。

2.2屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫

完成特大橋梁地圖服務(wù)調(diào)用是可視化建設(shè)管理的基礎(chǔ)，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(guān)聯(lián)，用豐富、全面的屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對三維可視化的橋梁建設(shè)管理進行支撐。屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括特大橋梁建造過程中涉及的各種業(yè)務(wù)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(biāo)段多、管理業(yè)務(wù)復(fù)雜，往往造成日常建設(shè)管理中出現(xiàn)多個業(yè)務(wù)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(shè)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(chǎn)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(wù)數(shù)據(jù)進行分門別類的整理，形成業(yè)務(wù)屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，即將日常建設(shè)管理中涉及的各種業(yè)務(wù)屬性標(biāo)準(zhǔn)化，并建立起層級關(guān)系，通過信息提取自動形成各種業(yè)務(wù)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(wù)，其中工序報驗處于項目的質(zhì)量、安全管理的核心地位，特大橋工序報驗業(yè)務(wù)涉及的數(shù)據(jù)屬性如圖2所示。

圖2 工序報驗業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)屬性示例

3 施工業(yè)務(wù)流程處理

完成特大橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)庫建設(shè)后，就可以開展特大橋施工管理業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，同時依靠流程中相關(guān)數(shù)據(jù)生成各類業(yè)務(wù)報表和日志，從而達到精細化施工管理。

3.1建設(shè)管理標(biāo)準(zhǔn)化流程

特大橋梁建設(shè)過程包含多種業(yè)務(wù)，并具有各自的工作流程。由于各自流程存在不嚴(yán)謹、不嚴(yán)格等問題，會出現(xiàn)以下主要問題：一是相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)；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(shè)的數(shù)字化管理。

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

建設(shè)管理標(biāo)準(zhǔn)化流程具備工程建設(shè)管理的實際意義：管理流程的標(biāo)準(zhǔn)化生成的各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均具有明確的屬性數(shù)據(jù)，而且是高度結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，在建設(shè)過程中可以使管理逐步走向科學(xué)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(wù)流程

3.2建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程

特大橋梁建設(shè)過程中，伴隨著各項施工業(yè)務(wù)的推進，會產(chǎn)生大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。新產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、屬性標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成工程建造過程中的建設(shè)管理。

以孟州黃河橋建設(shè)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(wù)數(shù)據(jù)與可視化模型的分部分項編碼信息相關(guān)聯(lián)，擁有唯一的標(biāo)識碼。通過這種相關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽方式，可以使工程建設(shè)的屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫隨工程建設(shè)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(zhǔn)確性和可靠性。

圖4 黃河橋報驗流程

4 平臺研發(fā)及應(yīng)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(shè)規(guī)模較大，參建人員日常建設(shè)工作任務(wù)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(shè)了一套基于BIM GIS的黃河特大橋輕量級建設(shè)管理平臺。根據(jù)工程建設(shè)管理實際需求，將建設(shè)管理平臺劃分為進度模塊、計量模塊、報驗?zāi)K、安全巡檢模塊、屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊，如圖5所示。前4個模塊為相應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，后2個模塊為系統(tǒng)支撐模塊，用于保障業(yè)務(wù)模塊的正常使用。

圖5 建設(shè)管理平臺功能模塊構(gòu)成

從該項目的業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊組成可以看出，該建設(shè)管理平臺覆蓋了工程管理重點關(guān)注的質(zhì)量、安全、投資和進度等4大方面，也是公路工程建設(shè)期重點需要關(guān)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(gòu)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(gòu)，后臺應(yīng)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(shè)管理。

4.2應(yīng)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(zhì)線下操作方式到三維可視化線上模式的轉(zhuǎn)變，可進行直觀管理。同時，在工程建設(shè)過程中引入屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)化流程，可以對實時收集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)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(shè)管理平臺集成了前期勘察設(shè)計信息、記錄了施工全過程相關(guān)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(zhì)檢材料、施工過程信息等內(nèi)容的關(guān)聯(lián)特征。

圖6 橋梁構(gòu)件特征示意

4.2.2報表統(tǒng)計分析

特大橋的建設(shè)管理平臺在完成建造過程各類業(yè)務(wù)在線化的同時也完成了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收集，把業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照屬性標(biāo)準(zhǔn)進行分門別類，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高度結(jié)構(gòu)化，可完成各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作，且結(jié)果準(zhǔn)確可靠。如以工序報驗信息來提取工程建設(shè)的施工進度，以工序報驗駁回率進行多個標(biāo)段報驗質(zhì)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(jié)語

本文立足于公路工程建設(shè)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(shè)管理平臺的研發(fā)與應(yīng)用。

利用成熟的GIS和BIM技術(shù)，將公路工程建設(shè)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(gòu)件信息編碼，實現(xiàn)工程部件全生命周期的唯一標(biāo)識符。利用地圖引擎技術(shù)將輕量化的三維可視化數(shù)字模型發(fā)布成為地圖服務(wù)并部署在項目管理系統(tǒng)中，為特大橋梁的建設(shè)管理提供可視化管理奠定基礎(chǔ)。通過將屬性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、建設(shè)過程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與構(gòu)件編碼信息相關(guān)聯(lián)，形成了標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)管理流程和數(shù)據(jù)流程，可以有效進行業(yè)務(wù)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(yīng)用，實現(xiàn)了項目管理的在線化和道路資產(chǎn)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(shè)管理提供參考。

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