旅游公路BIM技術(shù)的應用與創(chuàng)新實踐

伍朝輝，呂子一，李賢統(tǒng)，符志強，王 亮，朱 琳

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

作為交通運輸領域的重要創(chuàng)新之一，旅游公路[1-3]的加速建設對基礎設施數(shù)字化管理與服務提出了更高的要求。建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）為旅游公路數(shù)字化提供了天然的數(shù)據(jù)基礎[4-5]，助力實現(xiàn)交通參與者“車在路上走、人在景中游”的出行體驗。2020 年8 月3 日，交通運輸部印發(fā)的《關(guān)于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》（交規(guī)劃發(fā)〔2020〕75號）[6]中明確提出“鼓勵在項目全生命周期協(xié)同應用建筑信息模型技術(shù)”。2021 年2 月25 日，中共中央、國務院印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》[7]中也要求“加快各領域建筑信息模型技術(shù)自主創(chuàng)新應用”。

不同于普通公路以“安全、快捷、通達”為建設目標，旅游公路的功能除了主要景區(qū)之間的安全通達外，更重要的是讓游客慢下來，產(chǎn)生更多的旅游活動，促進路域旅游經(jīng)濟發(fā)展。旅游公路BIM 應用區(qū)別于普通公路之處主要體現(xiàn)在以下4 個方面：①BIM 應用的目標不同：從全生命周期而言，BIM 技術(shù)應用目標是支持旅游公路“安全、慢游、通達”目標的實現(xiàn)；②BIM 建模對象不同：旅游公路工程中包含了自行車道、旅游步道、旅游服務區(qū)、旅游驛站、觀景臺、房車營地、露營地、旅游引導設施等，這些對象是普通道路上較少出現(xiàn)的；③更加注重以人為本的評價與優(yōu)化：旅游公路是以人的“賞心悅目”為目標的交通產(chǎn)品，它的沿途景觀、慢行系統(tǒng)、附屬設施的設計效果很難定量評價，需要開展以人為本的評價、反饋和優(yōu)化；④更加注重出行信息服務：結(jié)合BIM 的旅游前、中、后期出行信息服務在運營階段具有明確的應用需求和價值。

發(fā)達國家的旅游公路發(fā)展較早[8-9]，打造了“美洲至愛大道”——藍嶺公路、“美國最美麗的公路”——1 號公路、法國蔚藍海岸公路、挪威大西洋海濱公路、瑞士格里姆瑟爾山公路等世界聞名的旅游公路，這些公路因建設較早，較少采用BIM 技術(shù)，但均建設有活躍度較高的出行信息服務網(wǎng)站。國內(nèi)旅游公路在“交旅融合”“全域旅游”等政策推動下，已經(jīng)進入快速發(fā)展階段，打造了赤水河谷旅游公路、海南濱海旅游公路、溧陽1 號旅游公路等精品線路[10-11]。廣東省河惠莞（龍川—紫金段）高速公路工程[12]利用BIM 構(gòu)建道路三維環(huán)境，結(jié)合不同景觀分區(qū)的尺度、范圍、要素進行景觀設計，更好地體現(xiàn)了“客家文化”特點。重慶合川渠江景觀大橋[13]橋塔曲面造型復雜，利用BIM 開展了參數(shù)化建模、實時渲染、智能出圖、3D 打印及4D 施工模型等應用，提升了設計質(zhì)量與協(xié)同工作效率。山峽庫區(qū)旅游公路改造工程[14]開展了BIM+GIS 輔助選線、BIM橋梁景觀協(xié)同設計、BIM 輔助工程算量等設計應用，更好地體現(xiàn)了旅游公路安全、環(huán)保、舒適、和諧等理念。松滋洈水旅游快速通道工程[15]運用BIM+無人機航拍進行地形地貌測量，并利用BIM進行現(xiàn)場施工管理，助力提升“荊州最美旅游公路”的施工管理效率。西安市省道107 關(guān)中環(huán)線大中修工程[16]利用BIM+傾斜攝影進行全線高精度建模，結(jié)合運維階段需求，開發(fā)了BIM 智慧管養(yǎng)云服務平臺，打造了西安市“三河一山”綠道中的超級環(huán)線綠廊。作為廣西壯族自治區(qū)交旅融合示范工程，都安—巴馬高速公路[17]以BIM 作為技術(shù)創(chuàng)新手段，緊密結(jié)合自然風光和旅游資源，使公路與沿線自然景觀協(xié)調(diào)統(tǒng)一，完善了旅游公路服務功能。

國內(nèi)外對旅游公路BIM 應用進行的探索取得了較好的工程實效，但整體而言，仍處于散點應用狀態(tài)，專注于旅游公路BIM 應用的系統(tǒng)研究較少[18-20]，并存在兩大問題亟待解決：一是未在需求側(cè)區(qū)分旅游公路不同于普通公路的典型特征和需求；二是未在供給側(cè)形成適用于旅游公路的BIM應用框架與案例示范。

針對以上問題，本文從供需兩個角度對BIM技術(shù)在旅游公路中的應用方法展開系統(tǒng)研究。在分析我國旅游公路BIM 應用現(xiàn)狀的基礎上，結(jié)合旅游公路特點對BIM 的應用需求進行分析；基于旅游公路“安全、慢游、通達”這一定位，研究旅游公路全生命周期BIM 的應用策劃與實施方法，并提出不同階段BIM 的應用內(nèi)容；結(jié)合具體工程實踐與研究成果，介紹典型的旅游公路BIM創(chuàng)新應用案例，為旅游公路BIM 深化應用提供參考。

1 旅游公路BIM應用現(xiàn)狀與需求分析

旅游公路[21]是由公路主體及其附屬設施、服務設施、慢行設施、信息解說設施、景觀設施共同構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。普通公路目的是通達，中間只是過程，而旅游公路目的除了通達更是體驗，中間亦是終點。為系統(tǒng)分析旅游公路BIM 應用現(xiàn)狀，對國內(nèi)88位旅游公路相關(guān)從業(yè)人員作定向問卷調(diào)查，對旅游公路BIM 應用情況進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1 所示。受訪者參與的旅游公路工程中超過半數(shù)（64.78%）沒有開展過BIM 應用；23.86%的旅游公路開展過BIM 應用，但僅構(gòu)建了BIM 模型；開展了BIM 應用并建設有或未建設有集成平臺的比例均為5.68%。綜上可知，目前大多數(shù)旅游公路工程并未開展BIM 應用，已開展的BIM 應用中大多數(shù)仍停留在建模與可視化展示階段，BIM深化應用的市場前景廣闊。

圖1 旅游公路BIM應用現(xiàn)狀

進一步對已開展過BIM 應用的旅游公路應用階段進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，應用于可研階段的有51.61%，應用于設計階段的有80.65%，應用于施工階段的有45.16%，應用于管養(yǎng)階段的有32.26%。可見，設計仍是旅游公路BIM 應用最多的階段，而管養(yǎng)階段應用最少，這與整個公路工程BIM 應用的現(xiàn)狀基本一致，大多數(shù)的BIM 模型與數(shù)據(jù)還沒能很好地傳遞到運維階段，BIM 全生命周期應用的鏈條還沒有被完全打通。

旅游公路除考慮與周邊重要旅游資源的連通外，還對安全、景觀、生態(tài)和環(huán)保要求較高，并重視旅游出行者的需求與在途體驗。BIM 技術(shù)以其中心化模型、全生命周期數(shù)據(jù)集成、空間定位、三維圖形界面等優(yōu)勢，更有助于以上目標的實現(xiàn)。旅游公路工程可以分為可研、設計、施工、管養(yǎng)4 個階段，對不同階段的BIM 應用需求進行分析，如圖2所示。

圖2 旅游公路BIM應用需求

如圖2 所示，在可研階段，可行性研究的論證結(jié)果往往決定了項目是否實施以及如何實施，項目研究責任大、數(shù)據(jù)準確采集難、溝通匯報難度大、輔助決策要求高。通過BIM 方案比選、投資估算、標準符合性檢驗、空間分析等應用，輔助業(yè)主科學決策，遴選出性價比最優(yōu)的方案。在設計階段，通過BIM 景觀建模、設計方案可視化比選、道路安全性分析、工程量統(tǒng)計與成本估算、控制因素分析等應用，有助于更好地進行設計表達、溝通、匯報與決策。通過BIM 圖紙校核和碰撞檢測，可以提前發(fā)現(xiàn)設計中的問題，減少設計變更，提高工程質(zhì)量。在施工階段，通過BIM 施工過程模擬、施工組織保通、施工進度管理、安全風險管理等應用，有助于合理優(yōu)化工期，管控施工進度，提升施工效率，保障施工安全與工程質(zhì)量。在管養(yǎng)階段，通過BIM 與公路養(yǎng)護、運營管理、旅游營銷宣傳等業(yè)務需求的結(jié)合，支持旅游公路設施與狀態(tài)管理、養(yǎng)護工程管理、交通運行監(jiān)測、旅游公路出行信息服務、交通事件應急處置、旅游公路營銷推廣、高峰日游客管控引導等管理與服務。以上應用將有助于實現(xiàn)旅游公路建管養(yǎng)運的數(shù)據(jù)集成、輔助提升工程決策的科學性、提升旅游公路工程品質(zhì)及旅游公路營銷效果。

2 旅游公路BIM應用策劃與實施內(nèi)容

從全生命周期而言，BIM 技術(shù)應用的目的是實現(xiàn)旅游公路建設與運營的“安全、慢游、通達”，在具體項目中需要綜合考慮工程實際來策劃和實現(xiàn)BIM 的應用目標、內(nèi)容、建模要求和集成平臺功能。本節(jié)對旅游公路BIM 應用策劃與實施過程進行分析，并結(jié)合BIM 應用需求，給出旅游公路BIM的實施內(nèi)容。

應用策劃是旅游公路BIM 實施的前提，需要針對不同工程、不同階段、不同需求，確定不同的BIM 應用目標和實施內(nèi)容。旅游公路BIM 應用策劃過程如圖3 所示。工程特點和管理需求共同決定了BIM 應用的目標，BIM 應用目標決定了BIM 應用內(nèi)容的選擇，BIM 應用內(nèi)容決定了BIM建模方法與模型精度，而工程管理和數(shù)據(jù)集成需求共同決定了BIM 管理平臺的架構(gòu)與功能。這樣的策劃過程有利于聚焦BIM 應用目的，約束應用邊界，提高應用實效，使供需雙方針對BIM 實施的投入更具可控性。

圖3 旅游公路BIM應用策劃過程

BIM 實施是策劃的逆過程（如圖4 所示），包括構(gòu)建符合精度要求的BIM 模型，實施服務于不同階段、不同參與者的BIM 應用內(nèi)容，實現(xiàn)策劃提出的BIM 應用目標，結(jié)合旅游公路BIM 管理平臺的開發(fā)，支持旅游公路工程的科學管理。

圖4 旅游公路BIM應用實施過程

以上策劃與實施過程有助于優(yōu)先滿足旅游公路建設或運營中的核心訴求，提升旅游公路BIM 應用的科學性與工程實效?；诼糜喂稡IM 應用需求分析結(jié)果，對需求驅(qū)動的BIM 應用內(nèi)容與成果形式進行分析并給出建議，如表1所示。

表1 旅游公路BIM應用內(nèi)容與成果形式

表1 給出了針對旅游公路不同階段不同需求的BIM 應用內(nèi)容和成果形式參考，具體應用時還需要綜合考慮工程實際與業(yè)主要求來選定應用目標和內(nèi)容，而對于全生命周期的BIM 應用還需要考慮各階段之間的數(shù)據(jù)互通、模型交付和跨階段的管理與服務需求的響應。

3 旅游公路BIM應用創(chuàng)新實踐

3.1 旅游公路典型對象BIM構(gòu)建

旅游公路區(qū)別于普通公路的典型結(jié)構(gòu)對象包括：慢行系統(tǒng)（包括自行車道、行人步道等）、驛站、觀景臺、房車營地、旅游交通服務設施等。慢行系統(tǒng)為線性工程，其建模方法與公路建模類似，采用Civil 3D、Infraworks 等工具來實現(xiàn)BIM 建模，需要使用部件編輯器根據(jù)慢行系統(tǒng)的橫斷面參數(shù)定制相應的Civil 3D 部件（如圖5（a）所示）。旅游公路的驛站與房建結(jié)構(gòu)類似，可采用Revit 來構(gòu)建驛站BIM 模型（如圖5（b）所示）。旅游公路工程中還包括汽車營地、自行車租賃處、解說系統(tǒng)等旅游出行服務設施，可采用Revit、Inventor等工具來構(gòu)建BIM（如圖5（c）所示）。Inventor 在處理非標準結(jié)構(gòu)的高精度建模方面具有明顯優(yōu)勢。旅游公路標志牌與普通公路的標準和要求不完全相同，還需要對旅游公路的標志進行BIM參數(shù)化建模，可以采用Revit、Dynamo來快速構(gòu)建交通標志的參數(shù)化BIM 模型（如圖5（d）所示）。在結(jié)構(gòu)建模的基礎上還需要根據(jù)工程集成和管理要求，進行構(gòu)件級的屬性建模，模型中包括自行車最大限速、驛站最大客流量、停車場車位數(shù)等旅游出行相關(guān)的屬性信息。

圖5 旅游公路典型結(jié)構(gòu)對象BIM示例

3.2 基于BIM+GIS的區(qū)域旅游公路規(guī)劃輔助決策

相對于普通公路僅以連通為目標，旅游公路需要更多地考慮沿途地形、地貌、特色的保持，以及路域可見范圍內(nèi)景色的顯現(xiàn)與優(yōu)化，結(jié)合高清衛(wèi)圖、地面高程、傾斜攝影等數(shù)據(jù)快速構(gòu)建目標區(qū)域的三維模型，利用BIM 技術(shù)快速構(gòu)建不同高程、不同線形的旅游公路方案，在三維空間對不同方案進行快速呈現(xiàn)、概算和分析，輔助提升工程決策的科學性。以某市旅游公路規(guī)劃BIM 可視化應用為例，該市規(guī)劃了“一環(huán)、三縱、五聯(lián)”的旅游公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，“一環(huán)”為旅游公路大環(huán)線，“三縱”為3條縱向山水連接線，“五聯(lián)”為5 條特色主題體驗線。將BIM 與GIS 技術(shù)相結(jié)合，從宏觀和中觀兩個層面對規(guī)劃成果和特色進行可視化展示，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對象、重點區(qū)位效果進行微觀呈現(xiàn)，提高了規(guī)劃匯報的溝通效率。

3.3 慢行系統(tǒng)BIM三維快速選線

旅游公路往往依照地形地貌進行設計，特別是自行車道、步行道等慢行系統(tǒng)，其平縱線形基本按自然地形設計，盡量避免高路堤、深路塹、常直線、高邊坡和高擋墻等，以減少高填深挖，實現(xiàn)公路與景色的自然融合。圖6 所示為某旅游公路慢行系統(tǒng)三維可視化BIM 設計選線效果，包括了地形、河谷、主體公路、慢行系統(tǒng)等多類結(jié)構(gòu)對象，針對不同對象特點選用適用的工具進行BIM 構(gòu)建，并實現(xiàn)了多類對象建模結(jié)果的整合，結(jié)合工程設計階段的具體需求，對不同方案進行三維展示與對比，使設計意圖的表達和理解更加準確。

圖6 某河谷旅游公路慢行系統(tǒng)BIM選線效果示例

3.4 基于BIM的路域景觀分析與方案比選

旅游公路對路側(cè)的景觀設計要求較高，傳統(tǒng)景觀設計方法只能通過二維圖紙和效果圖來展示設計效果，而BIM 建模與渲染可以更加直觀、快速地呈現(xiàn)不同方案的景觀設計效果，實現(xiàn)路域景觀分析與不同設計方案的快速比選。某旅游公路改擴建工程景觀改造前后的路側(cè)景觀對比如圖7所示，改造前道路兩側(cè)種植了柏樹（見圖7（a）），給駕乘人員的感受較為莊重、肅穆，不符合旅游公路的景觀設計要求；圖7（b）為改擴建后的景觀效果，通過不同景觀樹種的穿插種植，使得路側(cè)景觀更加活潑、豐富，滿足旅游公路“車在路上走、人在景中游”的設計要求。

圖7 某旅游公路改擴建工程改造前后路側(cè)景觀BIM對比示例

3.5 基于BIM+VR的旅游公路設計評價與優(yōu)化

相比普通公路，旅游公路更加重視出行者的感知與體驗，VR 為旅游公路的人本感知與評價提供了技術(shù)與工具支持[22]。利用構(gòu)建得到的旅游公路BIM 模型，結(jié)合紋理貼圖、光照計算、PBR材質(zhì)等提升真實感，實現(xiàn)旅游公路真實感場景的構(gòu)建。進一步采用虛擬騎行、虛擬駕駛、虛擬步行、虛擬飛行等VR 技術(shù)，實現(xiàn)不同感知方式的旅游公路設計成果感知與評價，支持以駕駛員、騎行者、步行者等不同交通參與者視角對旅游公路設計成果進行評價與反饋。圖8（a）為某河谷旅游公路的虛擬駕駛感知視角，通過HTC Vive 的VR 頭盔和駕駛模擬器，可以實現(xiàn)駕駛第一視角的旅游公路感知與評價反饋；圖8（b）為某山區(qū)旅游公路的虛擬騎行示例場景，通過虛擬騎行系統(tǒng)可以實現(xiàn)騎行者視角的場景感知與設計評價方法，還可以通過騎行阻尼匹配，支持不同設計坡度的騎行阻力和騎行安全感實驗與評價反饋。

圖8 旅游公路的虛擬駕駛與騎行感知評價示例

3.6 基于BIM+交通仿真的旅游停車區(qū)布局與駐留時間分析

停車區(qū)是旅游公路的重要設施之一，科學的停車區(qū)布局有助于避免景區(qū)擁擠，提升旅游出行體驗。通過構(gòu)建停車區(qū)和車位布局的BIM 模型，將BIM導入VISSIM等交通仿真軟件，開展不同結(jié)構(gòu)布局的交通運行仿真與車位布局分析。在旅游公路線路上，停車位數(shù)量對于景區(qū)效益有較大影響。某旅游公路停車區(qū)不同車位數(shù)量的旅游交通仿真分析示例如圖9 所示。在圖9 中，分別設置了6 個和12 個車位的路側(cè)停車仿真情景，模擬在不同交通流量下停車位對旅游景點參觀人數(shù)的影響。仿真結(jié)果顯示，在相同的交通流量下，12 個停車位的布局能吸引更多的游客。除此之外，通過BIM 與交通仿真技術(shù)的結(jié)合，還可對路側(cè)停車對主線交通的影響、停車位限制下的景區(qū)人流、停車位設計優(yōu)化等問題進行分析。

圖9 某旅游公路路側(cè)停車區(qū)車位劃分方案仿真對比示例

3.7 在線氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動的旅游交通環(huán)境演化模擬

在集成的旅游公路BIM 數(shù)字沙盤三維場景中，可以在線導入實時氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的旅游公路環(huán)境動態(tài)演化，用于支持旅游公路運營中的能見度研判、通行能力分析、路燈調(diào)節(jié)、信號燈設置、交通誘導信號發(fā)布、旅游交通信息發(fā)布等管理與服務功能。圖10（a）為雷雨天氣的旅游公路場景實時渲染效果，圖10（b）為晴天光照條件下的實時渲染效果。采用Unity 3D 引擎實現(xiàn)旅游公路BIM 數(shù)字沙盤，并在沙盤場景中在線導入時間與氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同光照條件、不同時間段、不同天氣條件下的旅游公路環(huán)境實時渲染，進而支持旅游公路運營管理與服務應用。

圖10 在線氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動旅游公路場景環(huán)境變化示例

3.8 旅游公路BIM平臺開發(fā)與資產(chǎn)管理

BIM 為旅游公路基礎設施數(shù)字化提供了數(shù)據(jù)基礎，利用BIM 技術(shù)的全生命數(shù)據(jù)集成、空間信息可視化表達、空間定位和3D 圖形界面等優(yōu)勢，集成旅游公路規(guī)劃、設計、建設和管養(yǎng)階段的數(shù)據(jù)與需求，可以實現(xiàn)旅游公路、驛站、機電設施、交安設施、旅游導覽等基礎設施資產(chǎn)的數(shù)字化管理。某旅游公路數(shù)字資產(chǎn)管理平臺功能如圖11 所示。平臺集成了公路沿途重要驛站模型的基礎信息及建筑圖紙信息，支持屬性查看、圖紙操作、狀態(tài)監(jiān)測等功能，有效地解決了傳統(tǒng)管理系統(tǒng)中模型、模型屬性信息以及建筑圖紙信息分離的問題。

圖11 某旅游公路BIM數(shù)字化資產(chǎn)管理應用示例

以上旅游公路BIM 創(chuàng)新應用的案例，可以為推動旅游公路的數(shù)字化管理與智能化服務提供參考。

4 結(jié)語

BIM 為旅游公路數(shù)字化管理與服務帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，針對目前旅游公路BIM 應用中存在的需求分析不足、缺少適用框架與案例參考等問題，本文在分析旅游公路BIM 應用現(xiàn)狀的基礎上，系統(tǒng)梳理了旅游公路在可研、設計、施工、管養(yǎng)等階段及全生命周期的BIM 應用需求；對旅游公路BIM 策劃與實施過程進行了分析，明確了BIM 應用目標、內(nèi)容、模型要求和集成平臺功能之間的關(guān)系，并結(jié)合應用需求分析結(jié)果，給出了旅游公路BIM 的應用內(nèi)容與成果形式；最后，結(jié)合研究團隊前期的研究成果與實踐經(jīng)驗，對BIM技術(shù)在旅游公路的BIM 構(gòu)建、規(guī)劃可視化、慢行系統(tǒng)選線、景觀設計評價、人本感知、停車區(qū)仿真分析、環(huán)境動態(tài)演化模擬、數(shù)字資產(chǎn)管理等方面的創(chuàng)新應用案例進行分析，為旅游公路BIM 應用實踐與創(chuàng)新發(fā)展提供參考。下一步將從旅游公路數(shù)字孿生構(gòu)建、旅游公路BIM 綜合示范應用、基于Web BIM 的旅游出行信息服務等方面開展研究工作。