BIM+GIS框架下的交通基础设施施工管理系统设计

  本文以交通基础设施发展现状为研究背景，对公路、桥梁、隧道的施工内容进行探讨，结合 BIM 和 GIS 技术，开发了交通基础设施施工管理系统。本文结合公路、桥梁、隧道的实际建设需求设计系统功能并对所有功能开发进行介绍，通过将 BIM 三维模型与 GIS 技术数据相结合，将基础设施以可视化的形式展现，并对其进行管控，完全体现了智慧型交通基础设施建设这一研究方向
第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

  交通运输是国家经济发展的“先行官”，为我国国民经济的发展做出了重大贡献。随着我国对外开放，政府大力支持交通网的建设，交通基础设施项目更是投入了大量的人力、物力和财力。应时代要求，公路、桥梁和隧道的发展越来越快速，管理方式也越来越智能化。根据统计结果显示[1]，我国公路里程在逐年增加，到 2018 年末，已经将近500 万公里。2014 年—2018 年中国公路总里程如图 1-1 所示。相对的，几年间中国对公路建设的投资也逐渐增长，如图 1-2 所示。近十余年来，我国公路隧道数量和总里程的相关数据如图 1-3 所示。在这其中最具代表性的工程主要有港珠澳大桥隧道工程、川藏第一隧—新二郎山隧道工程等。而且我国桥梁总数已达100 万座，其中包含公路桥梁 85.25 万座[2]

交通基础设施施工工程普遍存在周期长、投资大、难管理的特点，所以随着建设势头的迅猛发展，“智慧施工”越来越被人们所看重。传统的交通基础设施建设中，施工信息分散，施工管理十分被动，没有办法使既有施工信息和在施工过程中产生的动态信息完美的结合，出现施工问题后不能及时分析和反馈，导致施工作业停滞或降低施工质量[3]。“智慧施工”则摒弃传统的管理模式，去除静态、单一的管理方法，将 BIM 和 GIS 技术与施工管理相结合，有效整合施工中的有效信息，使施工信息共享化、动态化，提高了施工管理效率，对于交通基础设施的施工质量和施工进度控制具有重大意义1.2 国内外研究现状

1.2.1 BIM 的国内外研究现状
  BIM 是建筑信息模型，英文 Building Information Modeling，是通过软件绘制出的建筑信息模型，也是整个建筑寿命周期的数据集合[8]。它的诞生使工程项目的生产效率得到质的飞跃，在施工各个阶段的信息收集、存储和传递发挥着重要作用。BIM 技术不再是单一的图纸设计，它强大的数据处理和可视化功能在项目建设中起到了积极的作用，大大提高了施工管理效率。1975 年，BIM 理念由美国的查克伊士曼率先发表[9]，后经不断地研究和完善，构建建筑信息模型的理念渐入人心。2002 年，Autodesk 公司[10]提出将 BIM用于实际施工项目中，将数字化管理贯穿整个施工寿命周期。Vrics Baukc 等人[11]在 2007 年提出攻克 3D 模型和施工进度计划相链接这一问题，建立 4D 模型，以 3D 模型为基础，从中读取单个模型的空间位置关系并进行活动排序，从而生成进度计划。Ospina-Alvarado 和 Gastro-Lacouturc[12]在 2010 年在 BIM 技术编制进度计划的基础上，构建 AEC+FM 集成框架，提出应用 BIM 技术集成进度计划安排的方法。Sebastian Tuttas 等人[13]提出将 4D 建筑模型与施工现场的摄影监测相结合，使监控自动化记录，实现进度控制。Chang,J.R 等人[14]提出将 BIM 技术应用到道路工程中，道路模型的出现对公路的管理具有重大作用。KcvinK.Han 等人[15]优化了数据材料的采样和识别方法，通过 BIM 辅助 SFM（运动恢复结构）流程得到更为完整的点云数据，生成更加准确地 BIM 模型对进度偏差控制进行辅助。M.C.Garrido 等人[16]提出将 BIM 技术与决策系统 LPS（最后计划者系统）相结合，进行短期和中期计划设置和控制的决策辅助，实现施工进度的 4D 可视化。

第二章 系统分析

2.1 概述

  基于 BIM+GIS 的交通基础设施施工管理系统的开发是本文的主要研究内容，本章主要是为了介绍系统的功能设计和实现。不同的项目工程有不同的施工工序，按照项目特定的施工工艺确定其施工流程。但不同的项目工程在管理上也有相同的方面，其中贯穿其整个施工寿命周期的不外乎是三方面：进度管理、质量管理、成本管理。本系统就是从这三方面出发，首先通过 BIM 软件制作的交通基础设施模型，进行数据类型转变并导入 GIS 可以识别的数据源，其次发挥 GIS 自有的特点实现对 BIM 基础设施模型的有效管控，最后动态读取数据库里对应的有效数据，从而实现对整个施工过程的高效管控，形成智慧化的交通基础设施动态管理系统。实际施工的需求决定了系统的功能，系统的功能实现体现了系统的价值。结合施工经验并且考虑施工作业的要求，得出本系统的功能需求：

(1)交通基础设施施工信息化

  系统的主要目的是使交通基础设施建设智能化，信息化。所以本系统结合BIM+GIS 技术，实现了交通基础设施模型及其施工地形的三维展示，使在传统方式下的施工项目数据化，并且能够实时动态的显示交通基础设施建设的完整步骤，当然还能微观检查某个交通基础设施的子项目的进度、状态和相应信息等。

(2)施工数据的管理

  施工数据管理分为两部分，包括基础数据的管理和施工动态数据的管理。基础数据是所建设的交通基础设施本身的属性数据，例如交通基础设施所处位置、设计图纸、工艺流程、工序变更等。建设过程中的实时动态数据包括施工过程中的进程、质量、耗费等数据。系统可随时查看这些信息数据，也可以对数据进行修改。

2.2 系统环境搭建

(1)C#语言

  C#语言是本系统所用的开发语言，它是在 C 语言和 C++语言的基础上逐渐衍生出的一种面向对象的编程语言，但相较于两者更加的简单和安全，更加的高效。除此之外，C#语言还具有更多的操作性，具有 C 语言和 C++语言没有的可视化操作，所以本系统选择它作为编程语言。C#语言往往作为.NET 开发的第一选择。在进行.NET 开发时，C#综合了 C++和 VB 的特点，既能提高系统开发效率，又能确保操作简单快捷，开发环境更加的安全、稳定。C#作为系统平台，由于它面向对象的特点，结合编译中间语言和对于.NET 公用语言规范的实行，从一定程度上增强了 C#的保密效果。而且 C#对于 Pascal、Java、VB 等语言的兼容性，使得开发环境更加的灵活方便，功能的开发不会受到制约，系统运行和调试更加的稳定，后期的系统维护更加的方便。

(2)SuperMap Objects

  本系统的二维空间数据是通过将 BIM 模型转化数据源得到 GIS 数据，然后在 GIS 平台进行二次开发。主要目的是将空间信息和属性信息相结合，进行集成数据处理。SuperMap Objects 是开发的关键性组件，它所包含的.NET 组件起到了联系 GIS 和其它控件的作用，使得系统的空间管理功能更加多样性，系统的可视化管理更加的完善

第三章 数据分析及数据库设计 

3.1 概述

3.2 空间数据设计

3.3 属性数据设计 

3.4 数据管理 

3.5 本章小结

第四章 交通基础设施施工进度管理及预测模型 

4.1 施工阶段进度管理 

4.2 基于 BIM+GIS 的施工进度管理系统设计 

4.3 基于 BIM+GIS 的进度预测模型 

4.4 本章小结

第五章 交通基础设施施工管理系统

5.1 工程项目概况 

5.2 基础数据

5.3 系统功能实现 

5.4 实例分析 

5.5 本章小结

第五章 交通基础设施施工管理系统

5.1 工程项目概况

  本系统的开发以邯郸市某实际工程项目为依托。项目包括的交通基础设施有公路、桥梁和隧道。项目总里程 65.76km。其中公路长 40.42km，双车道设计，公路等级为一级，设计速度为 80km/h；桥梁长 23.1km，共有桥梁 12 座，桥类型包括大桥、中桥和小桥。桥梁公路等级为一级，设计速度为 80km/h。隧道长 2.24km，属于中长隧道。隧道洞口处于半径为 1100 米的平曲线上，洞纵陂为 0.3%。隧道全长采用双车道复合路面。隧道路面设计荷载为公路Ⅰ级，设计速度为 80km/h。本系统验证实例以隧道为主。

5.2 基础数据

  本文所需基础数据来自于实际的隧道、公路、桥梁工程项目，数据分为空间数据和属性数据。空间数据是指交通基础设施三维模型及其地形模型。属性数据是指在交通基础设施建设中所产生的数据，如进度数据、成本信息等。下面选择性展示一些本系统所需要的数据信息。根据实例项目路线设计图得到二维 GIS 路线图，如图 5-1 所示；根据设计图纸得到三维模型，公路模型如图 5-2 所示、桥梁模型如图 5-3 所示、隧道模型如图 5-4 所示。公路、桥梁、隧道属性表分别如表 5-1、表 5-2、表 5-3 所示。

第六章 结论与展望

  本文以交通基础设施发展现状为研究背景，对公路、桥梁、隧道的施工内容进行探讨，结合 BIM 和 GIS 技术，开发了交通基础设施施工管理系统。本文结合公路、桥梁、隧道的实际建设需求设计系统功能并对所有功能开发进行介绍，通过将 BIM 三维模型与 GIS 技术数据相结合，将基础设施以可视化的形式展现，并对其进行管控，完全体现了智慧型交通基础设施建设这一研究方向。本论文有下列几项成果：

(1)收集数据，通过 BIM 软件和 GIS 平台建立公路、桥梁、隧道的三维模型和空间数据，根据数据类型建立数据表，完成了多元化数据库设计，并且通过 GIS平台对其进行管理。

(2)本文对公路施工、桥梁施工、隧道施工进行研究，完成了对施工进度、施工质量、施工成本三方面的动态管理，并引入进度预测模型对隧道施工进度进行分析和预测。

(3)完成了基于 BIM+GIS 的交通基础设施施工管理系统的开发，实现了对施工全过程的可视化管理，并且以实际工程数据为依托，对系统进行验证。为以后的交通基础设施建设管理探清了道路