王德锋

河南省交通规划设计研究院股份有限公司

摘 要：BIM模型和施工管理信息化已在桥梁建设中得到广泛应用，但特大桥的建设管理平台的轻量化，尤其是携带建筑信息模型和地理信息的特大桥梁轻量级建设管理平台的研发和应用对于提高特大桥建设管理效率具有重要意义。为实现建设管理平台的轻量化，提出了基于BIM GIS的特大桥梁轻量级建设管理平台，通过优化地理信息数据和模型构件信息，搭建轻量级应用模型。在桥梁建设过程中，将各类业务数据进行线上记录并与模型构件进行关联，实现特大桥梁建造的数字孪生。研究开发的轻量级建设管理平台在黄河特大桥建设中得以应用，实现了该特大桥建设管理数字化，应用结果验证了轻量级建设管理平台的有效性和可操作性。

关键词：BIM GIS;数字建造;特大桥梁;

基金：河南省交通运输厅科技项目，项目编号2019J-2-1;河南省交通运输厅科技项目，项目编号2020G9;

特大桥是指多孔跨径总长大于1 000 m或单孔大于150 m的公路桥梁，或桥长大于500 m以上的铁路桥梁[1]。特大桥具备投资规模大、建设周期长、技术含量高、涉及人员复杂等特点，建设管理效率相对低下。为提高特大桥建设管理的效率和质量，同时，提升管理水平和服务能力，一些新技术和新工艺不断引入，进一步加大了特大桥建设管理的难度。

特大桥的建设期数字化管理可以分为两个方面，一个方面是基于建筑信息模型(BIM)和地理信息(GIS)的可视化数字特大桥资产；另一方面是建设全过程数字化协同管理。BIM技术对工程建设的支撑作用越来越明显，而BIM作为特大桥的虚拟承载体，包含了桥梁所有物理特性、功能特性，可作为建设期数字资产交付的完整信息来源。GIS地理信息有强大的三维空间查询和分析能力，能为工程建设BIM 模型提供经纬度坐标信息，而BIM 海量的信息又是GIS地理信息的重要数据源，BIM 和GIS 的融合实现了工程模型信息和地理信息的一体化管理[2]。GIS信息与BIM的融合，使得特大桥的模型与实际地理信息完美融合，为工程建设的数字孪生提供了实现途径。

全过程数字化管理基于物联网技术进行智能化数据采集，将建设过程中设计资料、工程进度、工程报验、工程巡检、电子档案等内容进行数字化和在线化，并与BIM模型的构件进行关联。BIM技术能将建设项目全寿命期内各个阶段所有信息进行电子化集成应用与管理[3],在公路工程建设阶段基于BIM技术的应用可以提高高速公路信息化和数字化水平[4]。桥梁工程施工进度的可视管理充分利用了BIM技术的可视化、模拟性和真实性，实现进度统计、查询、维护等功能[5]。基于BIM的桥梁信息管理系统可实现项目管理信息的共享，对项目实施远程、动态、可视化管理[6],实现桥梁施工中材料成本控制和精细化管理[7]。

但BIM模型和GIS系统拥有海量数据，对设备和计算机性能要求极高，数据处理与分析的效率低下，设备携带和转移不便，进行轻量化处理具有重要现实需求。研发基于BIM GIS的特大桥梁轻量级建设管理平台，采用数字模型和地理信息模型相结合的技术，对特大桥梁设计、施工过程中海量数据进行分析，可轻易实现特大桥梁可视化管理。

1 轻量级建设管理平台搭建

1.1模型轻量化处理

当大体量模型在PC端展示时，海量数据会造成计算机运行缓慢、卡顿、可操性差等问题，轻量化模型数据可较好地解决上述问题。通过数据处理、缓存处理技术对模型进行轻量化，最大程度地减少计算机资源占用率，实现模型的快速渲染。

模型主要由几何信息和属性信息组成，属性信息主要存储为DB文件或者JSON文件，几何信息的数据处理主要包含三角网简化，删除重复点重复面、实例化等。模型中含有大量的三角面构件，模型越精细三角面片数越多，三角网简化为过滤三角面片数的一个过程，在不改变模型完整性的前提下减少三角面片数，降低内存占有，满足大体量数据的性能需求；通过移除重复点和重复面简化模型的三角面片数，提高加载效率；模型中含有很多除位置信息外其他信息相同的构件，例如模型中有相同的桩基构件，除空间位置信息外，其他模型数据都相同，只需保存一个桩基数据，在不同位置渲染，减少不必要的资源占用。

缓存处理主要包含缓存切片、多重LOD、过滤阈值等，浏览器直接加载大体量数据很容易导致卡顿甚至奔溃，通过缓存技术对模型生成缓存，提高模型的渲染速度和流畅性。在生成缓存时设置瓦片边长，当瓦片所在位置出现在视图内时才对其进行加载，瓦片边长越长，单个瓦片的加载时间越长，但总瓦片数量减少，在兼容加载速度和网络请求数量的基础上计算最优瓦片边长，减少模型加载时间；通过设置LOD层级和简化率，使用不同精细度级别的几何体来展示模型，在缩小模型时，只需展示三维模型的轮廓，不需显示细节部分，当扩大模型时，才需显示细节部分；通过设置过滤阈值，在渲染模型时剔除不可见的物体、像素小于阈值的物体，降低负载加速渲染。

1.2平台搭建

本文结合特大桥梁施工的实际需求和条件，对特大桥模型和地理信息模型进行轻量化，利用BS架构模式进行系统开发，搭建如图1所示轻量级的建设管理平台，共分为4步。

步骤一，BIM与GIS信息融合。首先对特大桥三维数字模型的轻量化处理，通过Bentley软件构建特大桥梁的三维可视化模型，并通过优化三角面片数和定点数、遮挡优化、不可见优化、透明度控制、抗锯齿控制和曲线段控制等技术手段实现桥梁模型的轻量化。其次是对通过倾斜摄影或者激光点云技术采集到的地理信息化模型的轻量化处理，将采集的各种矢量和格栅格式的图形数据经过校核转换为GIS图形数据。三是将特大桥模型和地理信息模型相结合，为可视化建设管理奠定基础。

图1 平台搭建方法示意

步骤二，桥梁构件信息数字化。特大桥梁建设过程中涉及的数据量大、面广、格式多样、多来源，需将桥梁本身各种构件及其属性数据标准化，建立属性标准数据库，并对构件进行唯一编码。这样既能避免在建设过程中因构件信息数据杂乱引起的混乱，又能通过构件唯一的编码与三维数字模型进行关联。

步骤三，建造过程在线化。在完成前两步的基础上，施工过程中针对每一个构件的建造过程所产生的业务数据和流程数据与具体构件进行关联，通过对建造过程中的构件属性和过程数据的整合，形成各项业务的标准化数据流程，实现各项业务流程的标准化和信息化。

步骤四，系统开发和应用。采用现有主流技术和工具完成特大桥梁轻量级建设管理平台的开发，并在实际工程建设中应用，实现特大桥梁建造全过程的信息化和数字化的管理。并在此过程中，根据工程实际应用反馈情况，对属性标准数据库进行更新和完善、对建设流程进行修正。

2 基础数据处理

特大桥梁的基础数据主要包括桥梁构件数据和GIS地理信息数据，其中桥梁构件数据主要来源于三维模型的构件编码信息，GIS地理信息数据主要来源于航测、激光点云等测绘技术所采集的信息。基础数据处理就是将这两种数据经过融合、转化和部署，然后将部署后的基础数据按照数据库特性进行归纳总结，形成层次结构分明的标准数据库。

2.1数据融合与部署

基础数据的融合与部署是特大桥梁可视化建设管理的基础，数据融合和部署主要有以下4个步骤。

步骤一，源数据整理。将三维可视化的特大桥梁构件模型信息和编码信息、GIS地理信息按照图形服务技术要求的格式进行整理，保证数据源的真实性、一致性和准确性。

步骤二，源数据导入。根据建设管理实际需要，可分别提取不同类型、功能的数据，形成既相互独立又密切联系的数据标准库，如钢筋数据、混凝土数据、建安设施数据等；也可按照业务应用划分来提取不同层次的业务数据。可视化引擎支持各种数据，但由于数据格式往往并不统一，需要对导入的数据进行二次校核，校核内容主要包括去重、毛刺处理、边角闭合等内容。

步骤三，图形数据渲染与编码信息匹配。对三维可视化的数据信息进行二次校核之后，一是需要对数据模型的构件颜色、填充图样等内容进行渲染；二是要对地理信息的原图进行可见、渐变、隐藏等功能的设置；三是针对不同的比例尺图形展示设置具有选择性显示和隐藏；四是将渲染后的可视化模型与之前的构件信息编码进行匹配。例如，在浏览整个特大桥模型的时候，只显示主线构造，而不显示交安信息；放大显示桥面信息时，桥上构造物均需显示。

步骤四，调用图形服务。将整合后的图形数据通过超图软件提供的可视化引擎进行地图服务发布，并根据工程实际进展情况及时更新图形数据，建设过程中的参建各方均基于该图形服务进行线上管理。

2.2属性标准数据库

完成特大桥梁地图服务调用是可视化建设管理的基础，但要实现建造过程全数字化管理，还需要将可视化的三维信息与施工过程中的各种属性数据进行关联，用丰富、全面的属性标准数据对三维可视化的桥梁建设管理进行支撑。属性标准数据包括特大桥梁建造过程中涉及的各种业务数据，如管理、施工、监理等。

特大桥梁由于施工工地分散、标段多、管理业务复杂，往往造成日常建设管理中出现多个业务面交叉、施工作业面冲突等情况，尤其是施工过程中数据记录存在不及时，影响后期资料归档。同时在建设过程中的监理日志、施工日志、周报、月报等各种统计报表种类繁杂，极易产生疏漏和错误。针对上述存在的问题，简单可行的解决方案就是将这些业务数据进行分门别类的整理，形成业务属性标准数据库，即将日常建设管理中涉及的各种业务属性标准化，并建立起层级关系，通过信息提取自动形成各种业务报表。

特大桥梁施工管理过程中涉及到工序报验、支付计量、安全巡检、统计报表等多项业务，其中工序报验处于项目的质量、安全管理的核心地位，特大桥工序报验业务涉及的数据属性如图2所示。

图2 工序报验业务数据属性示例

3 施工业务流程处理

完成特大桥梁的基础数据标准库建设后，就可以开展特大桥施工管理业务流程的标准化建设，同时依靠流程中相关数据生成各类业务报表和日志，从而达到精细化施工管理。

3.1建设管理标准化流程

特大桥梁建设过程包含多种业务，并具有各自的工作流程。由于各自流程存在不严谨、不严格等问题，会出现以下主要问题：一是相关步骤或者数据填报存在重叠；二是步骤流程简便化，存在流程不标准；三是不同步骤之间数据缺乏互通与共享。这些问题的存在，不利于工程建设的数字化管理。

在属性标准数据库的基础上，完成各项建设管理流程的标准化，使得各项管理均基于一个标准流程和一个平台操作，既有利于建设管理的开展，也有利于实现工程建设项目的数字化，同时为后期运维管理提供数字化资产。以孟州黄河特大桥的工序报验为例，其标准的工作流程如图3所示。

建设管理标准化流程具备工程建设管理的实际意义：管理流程的标准化生成的各项业务数据均具有明确的属性数据，而且是高度结构化的数据，在建设过程中可以使管理逐步走向科学化和精细化，并且可以利用积累的数据进行二次开发(生成各种日志、投资进度),为管理者的决策提供数据支持。

图3 工序报验业务流程

3.2建设业务数据流程

特大桥梁建设过程中，伴随着各项施工业务的推进，会产生大量的业务数据。新产生的业务数据、属性标准数据库和运维管理流程是相辅相成的有机整体，共同构成工程建造过程中的建设管理。

以孟州黄河桥建设管理中的工序报验流程为例，该数据流程以工序报验单为核心，分步骤、分批次地进行报验，如图4所示。

业务数据与可视化模型的分部分项编码信息相关联，拥有唯一的标识码。通过这种相关联的标签方式，可以使工程建设的属性标准数据库随工程建设进度不断地完善，具备高度的连续性，从而保证系统所生成各种数据和报表的准确性和可靠性。

图4 黄河桥报验流程

4 平台研发及应用案例

国道207孟州黄河特大桥项目连是接孟州和偃师之间的重要通道，路线全长约18.4 km, 总投资约23.6亿元。由于项目建设规模较大，参建人员日常建设工作任务量大，为减轻人员工作量，提升工作效率，打造数字黄河桥，采用了本文提出的方法，建设了一套基于BIM GIS的黄河特大桥轻量级建设管理平台。根据工程建设管理实际需求，将建设管理平台划分为进度模块、计量模块、报验模块、安全巡检模块、属性标准数据库模块和系统设置模块，如图5所示。前4个模块为相应业务应用模块，后2个模块为系统支撑模块，用于保障业务模块的正常使用。

图5 建设管理平台功能模块构成

从该项目的业务应用模块组成可以看出，该建设管理平台覆盖了工程管理重点关注的质量、安全、投资和进度等4大方面，也是公路工程建设期重点需要关注的方向，具有代表性。

4.1部署软硬件环境

三维可视化的桥梁构件信息通过bentley建模软件 自主开发小插件的方式实现，三维数字地形图通过地图引擎的方式来实现。系统平台采用BS架构，后台应用程序和数据集中部署在云端，客户通过浏览器或者APP进行访问，十分适用于特大桥梁现场建设管理。

4.2应用效果分析

前面所述现场管理4大模块均实现了从手动纸质线下操作方式到三维可视化线上模式的转变，可进行直观管理。同时，在工程建设过程中引入属性标准数据库和标准化流程，可以对实时收集的业务数据进行准确统计和分析，为管理者的决策提供数据支撑。

4.2.1三维可视化的综合管理

基于BIM GIS的特大桥建设管理平台集成了前期勘察设计信息、记录了施工全过程相关的文字材料和音视频资料，实现了特大桥梁建造过程中的数字化和信息化。图6所示为某一桥墩上部的工程图纸、质检材料、施工过程信息等内容的关联特征。

图6 桥梁构件特征示意

4.2.2报表统计分析

特大桥的建设管理平台在完成建造过程各类业务在线化的同时也完成了业务数据的收集，把业务数据按照属性标准进行分门别类，实现了业务数据的高度结构化，可完成各种数据统计分析工作，且结果准确可靠。如以工序报验信息来提取工程建设的施工进度，以工序报验驳回率进行多个标段报验质量对比，以巡查问题出现次数和处理闭合次数判断是否存在没有解决的问题等。如图7。

图7 投资完成进度对比示意

5 结语

本文立足于公路工程建设过程管理的实际条件，提出了基于GIS BIM的特大桥梁轻量级建设管理平台的研发与应用。

利用成熟的GIS和BIM技术，将公路工程建设中的地理信息与工程BIM模型信息无缝对接，并对融合后的数据模型进行轻量化处理，通过对分部分项构件信息编码，实现工程部件全生命周期的唯一标识符。利用地图引擎技术将轻量化的三维可视化数字模型发布成为地图服务并部署在项目管理系统中，为特大桥梁的建设管理提供可视化管理奠定基础。通过将属性标准数据库、建设过程业务数据与构件编码信息相关联，形成了标准的建设管理流程和数据流程，可以有效进行业务数据统计和分析。

轻量化管理平台在跨黄河特大桥项目中获得成功的应用，实现了项目管理的在线化和道路资产的数字化，验证了本文提出方法的有效性和可行性，可为特大桥梁的建设管理提供参考。

参考文献

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