倾斜实景三维辅助BIM+GIS技术在城市轨道交通建设中的应用
摘要：基于深圳地铁 8 号线某标段，对无人机倾斜摄影辅助BIM+GIS技术在全线 6 站 6 区间施工中的应用进行探索研究。其中应用平台选取上海鲁班 BE 计算机端和BV手机端作为基准平台，无人机倾斜摄影建模采用 Bentley公司的 Smart3D软件，BIM 建模采用 Autodesk 公司相关软件，最终在管线改迁、场地规划布置、梳理图纸问题、三维可视化交底、施工进度管理、安全质量协同管理等方面取得了应用成果。
关键词：城市轨道交通; 建筑信息模型; 地理信息系统; 无人机; 管理
1) 项目简介
深圳地铁 8 号线一期工程 8132 标段( 见图1) 线路途经深圳市罗湖区、盐田区，全长12. 367km，包含 6 站 6 区间及莲塘主变电所、盐田站8号线二期工程部分正线、8 号线二期盐田站折 返线隧道工程部分，全线采用地下敷设方式，中标金额30.5亿元，总工期1312d。
图1 项目整体路线
2) 工程特点和难点
项目涵盖了地铁施工大部分工法，车站有明挖法、暗挖法、盖挖逆作法、半盖挖法等，区间隧道采用 TBM、盾构、矿山、明挖等施工方法，管理技术难度大; 地质复杂多变，深圳地区属于沿海丘陵地貌，地下水位较高，沿线地层多 变，隧道穿越填土层、黏土层、淤泥质土体、花岗岩风化带、断层等高风险地层，容易发生地质灾害; 市政项目周边建筑物多，全线多处下穿、侧穿现有建筑物、大型箱涵、重要管线、人行天桥及高架桥，对已有建( 构) 筑物的保护至关重要; 前期工程影响较大，地铁隧道和车站位于城市主干道及城市中心区，交通疏解、管线迁改、绿化迁移、征地拆迁等前期工程受到外界干扰及影响较大，难以控制，对工期影响较大; 文明施工要求高，工程位于深圳市罗湖区、盐田区城市主干道、城市中心区，地铁施工过程中易产生交通堵塞、噪声、振动及粉尘，易影响周边居民生活及商户正常营业。
1) 应用目标
项目施工采用 BIM + GIS 管理技术，主要是消化、吸收和借鉴现有施工行业技术应用，从而探索、创新和建立一套符合地铁施工现场实际业务管控需要的 BIM+GIS标准体系、管控要求、业务流程和业务平台，为今后全面应用BIM+GIS系统奠定坚实的基础。以建立好的模型为工作载体，从项目施工管理，到技术管理、成本管理、质量管理、安全管理、竣工交付等项目建造阶段全过程进行跟踪，为工程项目前期规划、设计，过程中的施工建造，后期的运营、维护等提供数据管理载体，通过BIM+GIS信息平台系统实现地铁施工的信息化管理。
2) 团队组织构成
成立了公司BIM领导小组和实施小组，并由公司技术中心牵头，明确了各自职责，确保工作顺利推进。项目具体明确了不同层级的工作职能，将各项工作细化到部门及个人，以保证工作质量。
3) 系统部署
建立企业后台管理系统，为项目各岗位部门人员开通账号权限，岗位分明，认真落实到位; 建立企业数据库，做到工程数据共享、模型资料存储。
4) 软硬件环境
如表 1、2 所示。
表1 BIM + GIS 软件配置汇总
表2 BIM + GIS 硬件配置汇总
3. 1 BIM 技术特点
BIM 技术可以集成三维数据，可以将建筑数据 信息通过模型的方式呈现出来，同时数据可以实现 联动。将传统的二维表达转换成三维表达，更容易实现信息的管控。BIM 的三维数据可以提供构件级 结构的工程信息，高精度的可算性使 BIM 模型为构 筑物的工程量直接高速运算提供可能。通过 BIM 技术建立的信息化三维模型，集成了大量的工程信 息，便于整个工程的规划、设计、施工、运维等全生 命期的建设。但是BIM信息化管理只是针对单一 特定的对象进行集成展示，实现个案的三维信息化管理，在地理位置精确、空间地理信息分析和构筑 物周边环境整体展示中，都有极大的缺陷，无法 实现工程整体的统筹和信息化管控。
3. 2 GIS技术特点
GIS 技术是对空间地理信息进行整合的系统。 通过软硬件系统的结合，对空间地理信息化数据进行集成与分析，同时将地理分布数据进行数字化统计分类与管理。GIS技术已经达到了较高程度 的标准化和数字化，可以进行图形数据的输入和输出。因此，GIS可以辅助BIM 模型搭建周边地理环境的大场景，提高 BIM 模型的建筑性能信息完备性。但是GIS技术对构筑物本身的模型精细度不够，无法实现构筑物单体内部的构件级精细化管理。
3. 3 BIM + GIS 融合的影响因素及技术方案
3. 3. 1 BIM + GIS 数据融合的影响因素
1) 模型的多分辨率处理及轻量化
BIM模型具备设计构件精细、对象种类繁多、数据量大的特点; 无人机倾斜摄影技术辅助建立的GIS模型具有模型内存占有量大的特点。同时搭载BIM和GIS模型在同一空间进行三维综合表达，便对数据的承载力提出了高要求。所以模型多分辨率层次的自动生成，利用轻量化的手段达到不同级别细节的按需表达，是解决2种模型有效融合的关键因素。
2) 地形修改与套合
工程建模不仅要建立构 筑物主体模型，还要对地表形态模型进行修改。修 改后的地形模型要与主体构筑物相结合，这对模型处理提出较高精度要求，比如需要做挖空处理的地方，如地铁车站明挖段。GIS对于大范围地形模型 一般采用连续规则格网数据结构，因此需要研究 GIS与BIM结构的混合表达方法，将带有孔洞的 GIS 地形模型按照坐标信息精准地融入到 BIM 模 型中。
3) 数据信息的交互
BIM与GIS模型不仅有三维几何模型，还有其附带的数据信息。所以在将 BIM 模型与GIS模型进行融合时，不仅要将几何模型进行三维可视化表达，还要将模型附带的数据信 息进行交互融合。IFC 是国际通用的数据交换标 准，也是工程数据模型交互的通用文件格式。IFC 对 BIM 系统信息数据有较为全面的集成，但是 GIS 系统的 IFC 文件不支持提取数据信息。因此如何达 成 BIM 系统与 GIS 系统的数据交互与融合，是 BIM 与 GIS 结合的重要因素之一。
4) 在应用点上的结合模式
目前BIM技术应用相对独立，厂商的软件产品对 GIS 系统的对接非常有限。而GIS系统已经走向了服务化和规范化， 国际标准的 WFS、WMS 地理信息服务接口已经广泛应用。BIM软件需要完成对GIS软件服务标准的支持，才能与GIS系统无缝对接。
3. 3. 2 实施的技术路线
1) BIM 模型和GIS模型的搭建
BIM 模型的搭建主要通过 Autodesk 公司的 Ｒevit 软件建立土建模型、Civil3D 建立地形地质模型、Luban 钢筋建立钢筋模型、Ｒevit MEP 建立地下管网模型，具体如图 2 所示。无人机倾斜摄影技术辅助搭建 GIS 模型主要是通过大疆精灵 4pro 多旋翼无人机采集 DOM 和 DEM 影像，同时在采集影像前为确保 GIS 数据的精度，进行地面像控点的布设，再利用 Bentley 公司的 Smart3D 软件生产GIS 模型，最终利用中海达 V30ＲTK 测量仪在预先设置的像控点进行打点校核，确保GIS模型数据的精度。
图2 BIM 模型的建立
2) BIM模型与GIS模型的融合
利用3DMax融合处理模型，最终实现模型的轻量化操作。先将 Ｒevit 建立的 BIM 模型导出Fbx格式文件，再将GIS模型重新生产为Obj格式文件，最终在3DMax中通 过固定点的坐标进行整合，重新编辑整体模型的构建，最终实现BIM + GIS模型的融合。范登科在研究中发现，由于在3DMax中对构成Fbx三维模型的三角面片Mesh采用了合并处理，减少了冗余的几何信息，极大地降低了最终集成到平台的文件数据量。李元龙在 BIM 与 GIS 融合技术中，在进行铁路信息化建设的应用研究时发现， 将BIM模型导入GIS平台后进行操作时，利用3DMax进行入驻处理，可以实现模型的轻量化、贴图编辑以及要素坐标系的三不处理操作。该试验研究证明3DMax 中可以实现 BIM + GIS 模型的轻量化融合。
3) 采购上海鲁班信息化管理系统搭建项目管理平台，选定工程技术管理、成本进度管理、安全质量管理、人机材管理和资料库管理5个方面为具体实施对象。定期对管理人员和现场应用人员进行分类培训，确保信息化数据录入完备和准确。
4) 工程完工后，利用无人机倾斜摄影技术和三维扫描技术对整体工程进行竣工数据采集和录入， 按竣工状态修正各子项目的属性，最终建立与实际工程一致的竣工模型。其路线如图 3 所示。
图3 BIM + GIS 信息化管理技术路线
4. 1 管线改迁
施工场地及周边地下管线错综复杂，管线迁改 是整个项目施工进度的关键，利用无人机倾斜摄影 技术配合地面 ＲTK 打点，采集现场真实的地理测绘信息，测绘精度可以控制在 5cm 左右。在 GIS 模型的基础上利用BIM 技术模拟管线迁改位置及顺序， 清晰直观地展示管线迁改方案，辅助论证方案的可行性。项目通过建立地下管线模型进行可视化施工，提高与各个专业的沟通效率，节约协调时间，实际工期比计划工期提前了12d，如图4所示。
图 4 车站管线改迁规划模型
4. 2 场地规划布置
为了现场合理布局，增强绿色施工、节能减排的理念，项目首先采用无人机倾斜摄影技术建立具有测绘功能的GIS模型; 在地形模型的基础上结合 电子版场地布置图建立对应的场布 BIM模型，通过综合场布的可视化模拟，直观地反映施工现场情况，合理规划施工用地、保证现场运输道路畅通、方 便施工人员作业，有效避免二次搬运，大大提高了施工效率; 项目采用BIM + GIS 技术进行梧桐山南站场地布置规划，节省工期10d。
4. 3 地质条件分析及施工围岩等级变化预警
深圳地质条件复杂、围岩等级变化大，施工中难以预知，为解决此问题，项目采用 Civil3D 建立地质模型，将钻孔数据处理成各个地质面层对应的点 编组，通过各地质层的三维要素线和对应的点编组文件创建该地质模型，三维模型通过 Luban 信息平台进行地质变化超前预报。根据工期进度规划将 每个围岩等级变化节点预报信息录入到 BE 计算机端，系统会根据 BE上传围岩变化节点的时间将预警信息推送到现场技术人员手机端，做到地质情况 超前预警，提高施工安全。
4. 4 梳理图纸问题
模型是 BIM + GIS 技术应用的前提和基础，一个精准的模型需要各个部门配合完成，项目制定了BIM 图纸问题梳理流程，同时也是建模流程; 因把二维图纸转化成三维可视化的模型，及早发现并解决了影响施工的图纸问题，避免因图纸问题影响施工进度。BIM模型建立过程是图纸问题反查过程，运用 Luban 建模软件可知设计图纸尺寸是否正确、各构 件间碰撞等问题，Luban 云模型检查内置常用规范， 可以检查BIM模型存在的问题，通过项目筛选结合地铁施工规范，最终确定是否是设计图纸问题，云检查共查出海山站29个主体结构问题，经审核18个为存在问题，梳理归档后进行图纸会审及变更。
4. 5 三维可视化交底
先结合施工方案与BIM+GIS 技术，通过三维模型优化方案，再让施工管理人员掌握各项施工方案是否达到施工要求，并及时发现问题做出调整， 进一步明确施工要求及施工标准，进行现场技术交底，保证施工质量; 然后再进行现场三维可视化指导施工，通过模型可以进行综合剖面分割与分析， 由三维生成该断面二维图纸，避免设计图纸缺少断面图带来施工的不便，通过结合三维和二维图纸， 有效指导现场施工。海山站通过鲁班节点功能，准确对构件进行空间操作编辑及空间校验。同时地铁车站钢筋节点处排布密集、相互交错，造成钢筋之间的碰撞，无法正常进行钢筋绑扎工作，利用钢筋节点模型进行钢筋碰撞检查，能够对钢筋之间的关系有更直观的了解，确定最合理的排布方案，减少因碰撞导致工期后滞。通过现场应用比施工工期预计提前5d。
1) 进度可视化管理
项目通过关联 BIM + GIS 模型与施工进度计划，将空间信息与时间信息整合成一个可视的 5D( 三维模型+时间维度+ 成本控制) 模型，直观、精确地反映整个施工过程，对施工 进度正在进行、已经完成、进度提前和滞后的地方用不同颜色标注显示，可以及时直观地掌握项目计划进展、工期情况，协助项目管理层进行相应的工作协调。
2) 成本管控
传统的成本控制方式无法精准 地核算工程量信息、资金支付审核效率也相对较低，难免会有疏漏; 消耗量分析也比较单一，无法实现多算对比; 资金计划也无法和时间维度有效地相 结合; 海量的数据协同也较难实现，采用BIM+GIS技术能很好地解决这些难题。该BIM 模型在系统平台应用反查功能进行工程量提取，快速生成 Excel 工程量报表，与现场工程量进行核算对比，通过对比，分析2种算法误差较大的部位，修改错误部分，并形成报告，为以后利用 BIM 模型快速算量取代传统的手工算量提供依据。
将现场质检员及安全员检查的质量安全问题 通过手机 BV 端上传，关联相关构件，为模型再增加一项安全质量信息维度。相关人员及班组收到 整改令等数据链，最终形成闭合。将整改不及时的 问题实时分享给相关负责人，督促整改，大大减少了安全质量消耗，提高了整体施工效率和质量。管理人员可以通过手机 BV 端和计算机 BE 端 的安全质量协作浏览界面，查看近期安全质量管理状况，从而明确下一步管控的重点和方向。本项目目前共建立 191个与构件关联的安全问题协作，占总体比例的 75. 2% ，63个质量问题协作，占总体比 例的 24. 8% ; 75 个与构件未关联的安全问题协作， 占总体比例的 60. 48% ，49 个质量问题协作，占总体比例的 39. 52% 。
7. 1 结论
1) BIM + GIS 技术的融合应用，可以有效地缩 短前期管线迁改工作 12d; 结合无人机建模和人工 建模技术进行场地的规划建设，提高了沟通效率， 节省工期 10d; 通过建立地质模型+地质雷达，采用 Luban 信息平台进行地质变化预报，做到了地质情 况预警，提高了施工安全; 根据地铁施工工艺，创建了基坑开挖动画模拟，可视化地指导现场施工，大大提高了交底效率和作业人员的整体水平，保证了施工质量; 合理高效地完成了多专业的图纸审核; 利用 Luban 云检查功能共查出 29 个海山站主体结 构问题，经审核 18 个为存在问题。
2) 在成本进度管理方面，通过对比 BIM + GIS 沙盘计划进度与实际进度，可以随时随地监控三维可视化进度进展，对施工进度正在进行、已经完成、 进度提前和滞后的地方用不同颜色高亮显示，做到及时预警。
3) 在安全质量管理方面，管理人员可以通过手机 BV 端和计算机 BE 端的安全质量协作浏览界面， 查看近期安全质量管理状况，从而明确下一步管控的重点和方向，有效地减少了施工过程中的安全质 量消耗。
7. 2 建议
1) 在项目实施前，应该由项目各参与单位根据项目的类型、规模、专业实际特点进行协商，确定 BIM+GIS 的实施深度目标、模型的时间节点; 同时 根据 BIM+GIS 整体团队具体情况，制定出合理、详细的 BIM+GIS 实施计划。
2) 将BIM+GIS应用作为项目的一项指标进行考核，根据项目的实际特点，制定系统化、行之有效的BIM+GIS标准，包括数据交换标准、BIM+GIS应用能力评估准则、规范 BIM+GIS项目实施流程等。
3) 在BIM+GIS 项目实施过程中，正确对待BIM+GIS的态度是在计划实施 BIM+GIS项目中取得成功的必要条件。项目部为BIM+GIS应用设置专门的例会制度或者合并其他例会制度，各部门应该对项目部在应用过程中提出的意见进行详细 分析后再妥善回复。
4) 在BIM+GIS技术应用实施过程中，施工单位可以通过 BIM+GIS建模进行不同效果的对比， 以达到辅助决策的作用。通过三维模拟生长过程 进行施工方案的模拟，提供施工方案的辅助深化设计，整理出符合实际施工要求的可行性施工方案， 从而达到少变更、计划精细度提升等效果。
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