公路建管養(yǎng)可視化信息平臺的創(chuàng)建與實現(xiàn)

王 偉，馬健中，寧 超

（1.祁縣至離石高速公路建設有限公司，山西 呂梁 033000；2.山西交通路翔科技咨詢有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

高等級公路工程建設的基本特點是戰(zhàn)線長、工作面廣、投資高、工程量大、變化快、構筑物形式各異，實時把控施工進度、質(zhì)量，控制是確保施工工作有序開展的關鍵。從實用、簡單、科學、提高工作效率角度考慮，在施工過程中通過現(xiàn)場采集的實際工程量即可完成立體、全方位的施工效果顯示，用直觀的場景反映階段性公路施工進度，多方位地核實工程數(shù)量，為計量提供準確的審核依據(jù)，實現(xiàn)可視化動態(tài)施工、養(yǎng)護、運營一體化管理，是管理者所希望和迫切要求的，也是公路建設信息技術的延伸和發(fā)展必須解決的。采用怎樣的技術才能實現(xiàn)上述目標，筆者經(jīng)過調(diào)研和檢索得知，國外相關人員采用BIM技術進行探索和實踐，取得可喜的成果[1-4]，國內(nèi)BIM技術應用在大型復雜建筑的碰撞檢測中也發(fā)揮了非常重要的作用，但在常規(guī)設計中通常只用BIM繪圖部分做建模，服務于設計審查。BIM不是一個純粹的技術、模型、產(chǎn)品，而是帶有比重相當高的管理成分，即對信息全生命周期管理。全生命周期管理BIM軟件開發(fā)需要大型建設項目的應用環(huán)境、資金支持，需要有相對應領域?qū)I(yè)知識的軟件開發(fā)人員。由于缺乏大型項目的應用環(huán)境，BIM信息管理功能應用方面的發(fā)展緩慢，極少數(shù)能夠做到自成體系、具有管理內(nèi)容的BIM軟件，由于受第三方圖形引擎版權制約，存在軟肋。

呂梁祁縣至離石高速公路建設有限公司承擔著祁離建設和運營期間管理，具備提供BIM全生命周期應用環(huán)境和資金支持。提出建設項目與科研相結(jié)合，新技術研究與應用相結(jié)合，聯(lián)合山西省交通規(guī)劃勘察設計院路翔科技公司、中國石油大學（華東），依托祁縣至離石高速公路建設，用BIM、VR、GIS、5D技術，自主研發(fā)構建《基于BIM技術創(chuàng)建互聯(lián)網(wǎng)+公路建管養(yǎng)可視化信息系統(tǒng)》，用現(xiàn)代化技術手段全面監(jiān)管施工過程、項目管理和后期運營養(yǎng)護管理，實現(xiàn)施工、運營養(yǎng)護一體化的信息全生命周期管理，真正達到全方位模擬施工、運營、養(yǎng)護全過程的可視化管理。

整個系統(tǒng)的創(chuàng)建圍繞施工、項目管理、運營養(yǎng)護全過程開展，并為之服務。

國內(nèi)常規(guī)的施工進程展現(xiàn)模式：施工單位根據(jù)上報進度數(shù)據(jù)，繪制進度圖，以平面二維圖表形式反映工程進度，質(zhì)量控制采用人工現(xiàn)場監(jiān)控加文字記載；現(xiàn)有的公路建設管理軟件采用在結(jié)構模型某一部位標注線條來表示進度形象，或采用無人機定期拍攝施工進度。構件之間的互動性和反饋性缺失，不含屬性信息的3D模型未做到BIM全生命周期應用。

經(jīng)過調(diào)研結(jié)合多年相關領域建設及開發(fā)經(jīng)驗，反復討論、方案比選，確定綜合借助RV、GIS、BIM技術，以變化的5D（3D+時間+工序）方式創(chuàng)建符合施工工序流程，并與后期3D方式管理的運營、養(yǎng)護無縫隙銜接，形成一體化的動態(tài)信息管理平臺，見圖1。

圖1 公路建管養(yǎng)可視化信息平臺構架

1 可視化動態(tài)施工管理系統(tǒng)

可視化動態(tài)施工管理系統(tǒng)是公路建管養(yǎng)可視化信息平臺核心子系統(tǒng)，也是整個平臺最具特色之處，以可視方式反映公路施工管理全過程，其基本思路為：

a）動態(tài)性 構筑物隨著施工進程發(fā)生變化，對周圍環(huán)境帶來的影響也在改變，整個過程是一個動態(tài)變化過程。

b）融合性 自然環(huán)境與建設工程關聯(lián)性極強，必須融為一體；建立的參數(shù)化公路構件模型與原有自然景觀——地形、地貌、地物邊界彼此相互嵌套，相互傳遞信息。

基礎工作的完善也需要融合，地面數(shù)據(jù)三角網(wǎng)TIN+高程模型DEM在設計階段從測繪部門獲得，實地航飛影像是后期做的。需要將實地航飛影像疊加到地面模型上，這是兩類不同的數(shù)據(jù)結(jié)構，提取航飛影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過自創(chuàng)軟件處理匹配，與地面模型三角網(wǎng)位置、高程模型點對點地結(jié)合在一起，地形表面完全吻合，保證沿線自然風貌真實。

融合性實現(xiàn)最為重要，直接影響B(tài)IM技術在施工景觀設計中作用的發(fā)揮，需要地面景觀與BIM模型結(jié)合出現(xiàn)碰撞的處理，海量數(shù)據(jù)在施工景觀設計中表達處理，BIM單體之間關聯(lián)、多元數(shù)據(jù)匹配等問題的處理。

c）可視性 通過操作鏡頭360°旋轉(zhuǎn)、推拉、移動，環(huán)視構件到整個施工場景，觀看公路施工過程與沿線景觀相互影響、變化的構造物對環(huán)境的影響、環(huán)境對施工過程的影響。

d）交互性 對自然環(huán)境融為一體的構件3D模型交互操作，才能真實觀察到變化著的構造物對環(huán)境的影響、環(huán)境對構筑物建設過程的影響。

e）協(xié)同性 修改或變更一結(jié)構（路基變通道、涵洞變小橋……）簡單地調(diào)用圖元，改變模型中的參數(shù)值就能建立新的屬性模型和相對應的拓撲關系，對應立體視圖快速自動更新。

f）延伸性 與后期運營、養(yǎng)護管理無縫隙銜接，是保證相關信息在施工、運營維護全過程中共享、傳遞，貫穿祁離項目施工、運營、養(yǎng)護周期信息一體化管理應用的必要條件。

g）參數(shù)化 利用BIM技術所創(chuàng)建的動態(tài)施工管理系統(tǒng)中專業(yè)構件（路線、橋梁、隧道、互通……）3D模型均具有參數(shù)屬性和完備的幾何信息、規(guī)則信息、拓撲關系以及完整的工程信息，通過對信息插入、提取、更新和修改，改變其形狀、傳遞途徑，形成與自然環(huán)境之間的互動和反饋，并將信息延續(xù)到后期運營、養(yǎng)護管理階段，實現(xiàn)信息全生命周期管理，成為名副其實的公路建設、運營、養(yǎng)護領域BIM全體系軟件（包括自帶圖形引擎）。

祁離高速所建模型涵蓋整體式路基、分離式路基，防護、排水、橋梁、鐵路跨線橋，隧道，涵洞通道，互通式立交，服務區(qū)，停車區(qū)等種類繁多，3處樞紐均與已建成的祁榆高速（S60）、京昆高速（G5）、呂梁繞城高速（G2003）相連接，城趙樞紐、開柵樞紐在原互通基礎上擴建改建而成，擴建改建部分新舊模型交叉，變化頻繁。圖形引擎自動建模以及與系統(tǒng)功能的完美配合在施工景觀設計中得到驗證。

信息模型參數(shù)設計必須考慮周到全面，否則直接影響信息傳遞方向和距離。施工過程是一個動態(tài)變化過程，工序流程的劃分取舍決定3D模型細化程度和信息提取，取決于應用需求，必須與項目管理部門溝通、確定。

BIM技術模擬構件狀態(tài)，協(xié)助施工管理。互通橋梁異型設計多有出現(xiàn)，通常是施工難度比較大和施工問題比較多的地方，單靠圖紙上的線條繪制施工，難免產(chǎn)生爭議。例如祁離項目一標段城趙樞紐主線橋異性墩，墩頭是一個三方向向外擴的異型構件，造型以曲線為主，設計鋼筋密度大，布設變化多，施工難度增大，設計與施工出現(xiàn)一些爭議，見圖2。系統(tǒng)平臺根據(jù)有限的坐標點，推出不同鋼筋布設軌跡，對異性橋墩鋼筋位置進行模擬，用不同色彩和層次再現(xiàn)橋墩鋼筋狀態(tài)，加上360°旋轉(zhuǎn)功能，不同鋼筋相互位置以及可能造成的影響點直觀地展示給設計、施工方，一目了然，是設計調(diào)整，還是現(xiàn)場鋼筋布設，施工精度提高有據(jù)可依，設計圖紙與施工過程出現(xiàn)的問題迎刃而解。

圖2 城趙樞紐主線橋雙柱式花瓶墩鋼筋圖

1.1 VR技術應用+信息模型可視與交互

以圖形方式觀察和認識客觀事物，是人類最便捷的認知方式，人們所感受的外界信息80%以上來自于視覺，圖形技術的重要影響由此可見一斑。前面提到交互、可視基本功能通過鏡頭360°旋轉(zhuǎn)、推拉、移動，將項目建設整體和細部面貌全部展現(xiàn)出來，再通過VR技術構建出虛擬的施工環(huán)境，以此檢驗施工過程中變化著的構件對環(huán)境的影響，與沿途空間景觀環(huán)境協(xié)調(diào)，以及環(huán)境對施工過程的影響。

1.2 5D（3D實體+時間+工序）關系數(shù)據(jù)庫

平臺所涉及的路線、橋梁、互通、隧道、涵洞、通道、綠化、地形地貌等多個專業(yè)3D模型形式多樣、類型各異，形狀還隨著時間和施工進度發(fā)生變化。三維可視化加上時間維度，配合工序過程的體現(xiàn)，形成完整的施工景觀，直觀快速地將施工計劃與實際進展進行對比，見圖3。

圖3 3標曲里大橋橋墩施工變化過程

關系數(shù)據(jù)庫在整個施工景觀設計平臺中發(fā)揮著巨大作用，數(shù)據(jù)庫設計需要在平臺搭建前期，對BIM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、存儲、添加、提取、驗證做出切實可行的要素設計，避免影響延伸后功能的實現(xiàn)。

整個動態(tài)變化過程和相互影響體現(xiàn)、處理，與自然環(huán)境融為一體的參數(shù)化立體模型建立（專業(yè)圖形引擎支撐）、實時交互、構建虛擬的施工環(huán)境是該平臺關鍵技術所在。專業(yè)圖形引擎完全自主研發(fā)，整個平臺創(chuàng)建未借助任何第三方軟件。

1.3 多種技術聯(lián)合應用

技術在發(fā)展，需求也在提高，任何一個系統(tǒng)單一技術的采用遠遠滿足不了專業(yè)需求，多種技術協(xié)同應用是軟件發(fā)展方向和提高的必經(jīng)之路。選用BIM+VR+GIS+5D關系數(shù)據(jù)庫技術協(xié)同工作是課題組經(jīng)過多年相關項目經(jīng)驗積累、針對祁離項目特點反復討論確定的。

自動生成的3D信息模型在整個施工過程是可視的，后期養(yǎng)護、運營管理過程均在可視化狀態(tài)下進行。

2 運營、養(yǎng)護系統(tǒng)

運營、養(yǎng)護子系統(tǒng)由異常路況信息采集App、卡口交通量采集、發(fā)布+養(yǎng)護記錄+運營狀態(tài)3部分組成，建立在1∶25萬帶狀平面電子地圖和3D影像圖上。應用目標為祁離公司提供一個運營階段直觀、便利的管理工具。

a）采用GIS技術在帶狀電子地圖內(nèi)加載不同的圖層：路線、橋梁、互通、涵洞、通道、隧道、服務區(qū)、收費站、機電。成為祁離高速專題地圖（見圖4），具有地圖上縮放、平移、地圖上要素確認等功能。

圖4 祁離專用電子地圖

關聯(lián)后實現(xiàn)帶狀平面電子地圖與3D影像圖（見圖5）相互切換，全方位查看路線及構筑物所在位置及相關信息。

圖5 3D影像圖

在3D影像圖下提供5種查詢功能：范圍查詢、定位查詢、關鍵字查詢、條件查詢、類型查詢。

b）路線運營狀態(tài)+旅游景點介紹+服務區(qū)、收費站。

平面圖反映祁縣-離石高速公路路況，全線路線狀況是否存在隱患，顏色上加以區(qū)別：綠色正常運行；黃色待檢修路段，存在隱患重點監(jiān)控路段；橘色限行路段；紅色封閉路段（養(yǎng)護施工、事故）。

c）養(yǎng)護狀態(tài)+歷史養(yǎng)護記錄。

依托互聯(lián)網(wǎng)、移動技術圍繞該高速公路路線圖開展養(yǎng)護管理工作，將App上報的原始數(shù)據(jù)、卡口采集交通量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成視覺結(jié)構（包括形狀、位置、尺寸、色彩等），通過視覺的方式把它表現(xiàn)出來。

App采集一異常路段信息，巡檢實地發(fā)現(xiàn)病害路段位置，巡檢人員判斷缺損原因，初步確定維修范圍及方法，通過App與系統(tǒng)平臺連接，路況反映到路線運營狀態(tài)中以紅、黃、綠表示。

3 檔案管理

便于質(zhì)量歷史追溯，每項質(zhì)量檢測信息隨著施工過程自動存檔，后期逐次添加歷年各項養(yǎng)護作業(yè)、質(zhì)檢記錄、年度病害構件、病害類型等按損壞率排序一一存檔。采用電子化、多媒體技術相結(jié)合，方便快速查找。

4 結(jié)語

公路建管養(yǎng)可視化信息平臺在祁離公路建設中的開發(fā)應用，是多個新技術綜合應用的具體體現(xiàn)，也是高速公路建設、運營、養(yǎng)護全周期的信息化建設應用過程，研發(fā)與實際工程建設緊密結(jié)合，給公路施工企業(yè)帶來的不僅是一個高效的信息管理工具，更多的是提供一種施工全新理念。從應用情況及成果看，已成為項目管理強有力的工具，在管理方面發(fā)揮著無可比擬的作用。新技術的成功應用必須與公路建設特點相結(jié)合，滿足其特色需求，才能得以發(fā)展，隨著對新技術不斷深入研發(fā)應用，將更加凸顯其作用和實用性。