基于BIM技術(shù)的公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

鄭 鳳

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007）

現(xiàn)階段我國公路建設(shè)經(jīng)過一段快速發(fā)展時期后，全國公路網(wǎng)已形成。截至2021年末，我國公路總里程達到528萬公里，其中公路養(yǎng)護里程達525.19萬公里，占公路總里程99.4%。公路建成通車后即進入養(yǎng)護階段，隨著使用年限的增加和逐年加大的交通量以及人為環(huán)境等因素的綜合作用，公路出現(xiàn)不同程度的損壞和病害，路用性能逐漸衰減，相關(guān)養(yǎng)護部門的管養(yǎng)工作量也隨之與日俱增。如何改變傳統(tǒng)管養(yǎng)模式，提高公路管養(yǎng)工作效率，全面提升公路養(yǎng)護信息化管理水平已成為亟待解決的問題。

1 當(dāng)前公路養(yǎng)護管理現(xiàn)狀

目前公路養(yǎng)護管理中主要存在以下幾個突出問題：（1）我國公路養(yǎng)護總量大，養(yǎng)護費用呈逐年遞增的趨勢，如何科學(xué)化決策和管理，提高決策體系的準(zhǔn)確性和高效性，減少不必要人力、物力和資源浪費已迫在眉睫。（2）當(dāng)前公路養(yǎng)護工作還處于被動管理模式，日常工作主要是修補道路病害、更換更新道路設(shè)施等，本質(zhì)上還屬于消極防御型養(yǎng)護。對公路病害狀況進行評估時，還大多依賴工程師個人經(jīng)驗判斷，“傳統(tǒng)經(jīng)驗法”做出決策，無法解決效率、成本等方面的問題。（3）傳統(tǒng)的養(yǎng)護管理模式中，設(shè)計、施工、建設(shè)、運維各階段不同主體收集不同信息，無法實時共享，相互間信息傳遞也只停留在二維圖紙、施工記錄等紙面資料上，因此造成“信息孤島”情況[1]。這使得養(yǎng)護管理成為單獨運作部分，在可靠性和時效性方面存在很大不足。

2 國內(nèi)公路養(yǎng)護中BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM（Building Information Modeling）不僅是一種技術(shù)、工具和方法，更是一種管理理念。BIM技術(shù)是貫穿在項目全壽命周期內(nèi)，可以將壽命周期各個階段產(chǎn)生和收集的信息進行整合、傳遞和共享的一個過程，即實現(xiàn)信息構(gòu)建、傳遞和應(yīng)用過程的一種技術(shù)。BIM應(yīng)用在公路行業(yè)中，就是可以將公路及沿線設(shè)施的地理信息、幾何線形、功能狀態(tài)等實現(xiàn)三維可視化呈現(xiàn)。項目在勘測、設(shè)計、施工、運營和養(yǎng)護的每個階段都可以建立各自的信息模型，并且不同參與者都可以在模型中進行數(shù)據(jù)添加、補充、提取、修改和更新，從而達到數(shù)據(jù)共享、協(xié)同作業(yè)的效果。

BIM技術(shù)在國內(nèi)建筑行業(yè)應(yīng)用較多，在公路行業(yè)應(yīng)用目前主要集中在設(shè)計和施工階段，且效果較好。但BIM在公路養(yǎng)護管理中應(yīng)用仍處于試點和應(yīng)用推廣階段。北京、上海、浙江、江蘇等地區(qū)先后對一些重點的養(yǎng)護工程項目開展了BIM技術(shù)示范性應(yīng)用，但總體上缺少對基于BIM技術(shù)的公路養(yǎng)護的系統(tǒng)性研究；日常道路基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護、運維、管理中較少應(yīng)用到BIM技術(shù)；BIM在道路養(yǎng)護中應(yīng)用價值的認(rèn)識還有待提高。團隊對福建省公路養(yǎng)護管理中BIM應(yīng)用情況進行市場調(diào)研統(tǒng)計后顯示，50%左右的養(yǎng)護單位對BIM在養(yǎng)護中的應(yīng)用開展了不同程度的探索，但主要都集中在BIM模型構(gòu)建、三維可視化應(yīng)用和道路檢測等方面[2]。搭建BIM信息化管理平臺占8%；在養(yǎng)護大中修工程中采用BIM技術(shù)進行模型構(gòu)建占10%；BIM在養(yǎng)護決策、效果評價和應(yīng)急處置等方面的應(yīng)用幾乎為零；目前BIM在道路養(yǎng)護中的應(yīng)用深度和廣度還遠遠不夠。

BIM技術(shù)未來在公路養(yǎng)護管理中應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊?，F(xiàn)階段，養(yǎng)護管理中的日常巡查、大中小修與保養(yǎng)工程、養(yǎng)護施工組織模擬、道路狀態(tài)評定、制定養(yǎng)護對策、養(yǎng)護工程后評價、道路病害檢測、信息數(shù)據(jù)采集等方面都體現(xiàn)了對BIM的應(yīng)用需求，但大多都屬于應(yīng)用探索和技術(shù)攻堅階段。

3 基于BIM技術(shù)的養(yǎng)護管理系統(tǒng)的創(chuàng)新優(yōu)化

基于上述公路養(yǎng)護管理現(xiàn)狀及公路養(yǎng)護管理中對BIM的需求分析，文章試從BIM技術(shù)在公路養(yǎng)護的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)化建模、日常巡檢監(jiān)測、建立決策系統(tǒng)、應(yīng)急模擬、安全監(jiān)控、信息化管理等模塊展開應(yīng)用研究，擬構(gòu)建公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)。通過養(yǎng)護管理模式的創(chuàng)新優(yōu)化達到提升管理決策水平，節(jié)省養(yǎng)護費用和提高養(yǎng)護效率的目的。

3.1 GIS+BIM的養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

GIS（地理信息系統(tǒng)）是將構(gòu)造物之外的環(huán)境數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一化管理的系統(tǒng)。GIS技術(shù)的外形測量和尺寸測量能夠獲取三維空間下的外殼，BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)管理功能可以填補空缺的內(nèi)部信息資料。GIS+BIM技術(shù)，就是利用數(shù)據(jù)采集移動終端設(shè)備采集并上傳各類檢測和養(yǎng)護數(shù)據(jù)，再結(jié)合系統(tǒng)中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立一套完整的公路養(yǎng)護管理模型。除了可以完成三維可視化以外，還可以輔助建立養(yǎng)護決策模型，為公路養(yǎng)護管理提供決策依據(jù)。

公路管養(yǎng)機構(gòu)想要及時、準(zhǔn)確地把握公路的實時路況信息，獲取立體三維全景實時影像資料，首先要利用“高清數(shù)字?jǐn)z影攝像+陀螺儀+GPS技術(shù)”構(gòu)建養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)移動采集終端，對公路實景進行信息采集。其次選用全景影像采集設(shè)備、車載Li-DAR設(shè)備、GPS及慣導(dǎo)設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲及處理設(shè)備等，建立移動的檢測采集終端。采集完成后交由后臺計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理加工。后臺將提取采集的檢測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行比對分析后，自動準(zhǔn)確識別出各類病害。最后將所有已經(jīng)處理完畢的數(shù)據(jù)與當(dāng)下路面的正射影像相結(jié)合，平臺自動識別路面所存在的病害問題，并根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)構(gòu)建完成的三維立體圖像。

3.2 BIM參數(shù)化建模

參數(shù)化建模可以使公路養(yǎng)護管理工作更具直觀性。依據(jù)項目設(shè)計和施工階段的相關(guān)資料通過建模軟件可以完成道路結(jié)構(gòu)的劃分，同時BIM模型中還包含該公路項目的平面、縱橫面、橋涵構(gòu)造物、各類交通附屬設(shè)施的設(shè)計和建設(shè)參數(shù)。用戶使用過程中可以通過調(diào)整BIM模型中的各類參數(shù)來實現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的同步更新。通過點擊模型，也可實時對模型中的屬性信息進行可視化查詢。

模型的使用管理也是非常重要工作。工程項目的各個階段存在許多格式不相同的數(shù)據(jù)，為保證將各階段不同類型的數(shù)據(jù)成功導(dǎo)入到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，要設(shè)置成可定義的數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，形成相互關(guān)聯(lián)的文件系統(tǒng)，建立完整的BIM模型數(shù)據(jù)庫。另外，模型中應(yīng)具備添加功能。養(yǎng)護管理人員在日常巡查中一旦發(fā)現(xiàn)病害，都可以通過移動終端將相關(guān)的信息上傳到系統(tǒng)中，并快速形成可視化三維全景模型[3]。養(yǎng)護人員可以在模型中尋找病害位置，判別病害的等級并制定相應(yīng)的養(yǎng)護維修方案。BIM技術(shù)還可以應(yīng)用在病害建模中，將病害數(shù)據(jù)錄入后通過軟件操作形成基于病害參數(shù)化模型，如圖1所示。通過對破損的參數(shù)更改實現(xiàn)模型的變化或生成新的模型，利用檢測數(shù)據(jù)快速生成路面病害模型。

圖1 病害參數(shù)化建模示例圖

3.3 GIS+BIM+IOT日常巡檢監(jiān)測系統(tǒng)

基于BIM+GIS技術(shù)的日常移動巡查系統(tǒng)主要是外業(yè)養(yǎng)護人員利用移動終端來完成日常巡查工作。養(yǎng)護人員不僅可以用移動終端直接查看道路橋梁的BIM模型，查詢道路橋梁構(gòu)件信息、養(yǎng)護維修信息等；而且還可以通過移動終端對現(xiàn)場采集的信息進行上傳、對比、推送和向相關(guān)責(zé)任人進行任務(wù)發(fā)布等，做到快速查看歷史數(shù)據(jù)和信息的及時上報。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)病害后，可用移動終端編輯上傳病害位置、類別、病害描述、照片、視頻等至管理系統(tǒng)相應(yīng)模塊中。系統(tǒng)接收到信息后，就會形成病害的三維可視化模型。這種直觀的方式可以更快捷更準(zhǔn)確地定位病害位置、病害的數(shù)量、嚴(yán)重程度等，幫助養(yǎng)護人員及時準(zhǔn)確制訂相應(yīng)的養(yǎng)護方案，有效降低養(yǎng)護的成本、大大提高了工作效率。

BIM模型結(jié)合道路、橋隧上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將海量的高清視頻與BIM模型在三維空間上進行標(biāo)注和融合；再結(jié)合道路橋隧上安裝的傳感器模塊獲取的數(shù)據(jù)，就可實現(xiàn)可視化、數(shù)據(jù)化、實景融合的一體化監(jiān)測系統(tǒng)。在傳感器布置密集的橋梁上，傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)無法定位傳感器的準(zhǔn)確位置。針對這個問題引入了GIS+BIM技術(shù)，橋梁構(gòu)件和傳感器位置之間實現(xiàn)了綁定關(guān)聯(lián)，意味著監(jiān)測數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)、橋梁構(gòu)件養(yǎng)護歷史等關(guān)鍵信息之間的關(guān)聯(lián)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的閾值或者出現(xiàn)異常狀況時，立即啟動預(yù)警系統(tǒng)，向平臺或者相關(guān)責(zé)任人推送報警信息。通過GIS+BIM+IOT技術(shù)拓展了監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為橋梁全生命周期的養(yǎng)護維修提供可靠的數(shù)據(jù)載體[4]。

3.4 BIM構(gòu)建道路養(yǎng)護決策分析系統(tǒng)

道路養(yǎng)護決策系統(tǒng)設(shè)立了不同評價單元的損壞狀況批量導(dǎo)入的功能，通過這個功能采集病害的數(shù)據(jù)信息。再依據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGH20－2007），系統(tǒng)自動計算出公路的技術(shù)狀況分值。系統(tǒng)還設(shè)置了技術(shù)狀況修正、審核、公路路況查詢以及病害調(diào)查、評定等功能。

該決策系統(tǒng)依據(jù)經(jīng)濟效益最大化原則，根據(jù)各單位年度的養(yǎng)護資金預(yù)算，制定養(yǎng)護資金的分配方案，可將養(yǎng)護資金分配到最需要的路段上。對養(yǎng)護時機、養(yǎng)護方案的選擇提出可靠性意見；系統(tǒng)基于線性規(guī)劃法，凈現(xiàn)值、收益率等經(jīng)濟分析方法對多方案進行優(yōu)化比選[5]。系統(tǒng)根據(jù)需求分析或優(yōu)化決策結(jié)果，自動生成養(yǎng)護工程計劃。用戶可以在系統(tǒng)生成的養(yǎng)護計劃上進行適當(dāng)?shù)娜斯ふ{(diào)整，使養(yǎng)護計劃更具實際可行性。該系統(tǒng)還可以編制公路橋梁的大修、中修、日常小修保養(yǎng)的預(yù)算計劃，為養(yǎng)護部門制訂養(yǎng)護計劃提供科學(xué)合理地依據(jù)。

3.5 基于BIM的應(yīng)急預(yù)案模擬

通過參數(shù)化方式建立起的三維可視化模型，能夠更直觀地呈現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境。包括周邊環(huán)境、起火點、樓梯及安全通道的位置、管道設(shè)備的位置等，猶如在真實的環(huán)境中進行模擬演練。相關(guān)單位可以根據(jù)制訂的應(yīng)急預(yù)案與處置要求，利用該模型開展各類的應(yīng)急事件的模擬與分析。在發(fā)生突發(fā)事件時，通過現(xiàn)場設(shè)置的監(jiān)控攝像頭、監(jiān)測傳感裝置、人工報警系統(tǒng)等傳輸回的位置信息，在BIM模型中即可展示事件發(fā)生的具體位置、附近的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、設(shè)備信息等，并啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。通過應(yīng)急預(yù)案的模擬，可以更好地規(guī)劃逃生路徑、優(yōu)化應(yīng)急通道、推演應(yīng)急處置等。除此之外，對已發(fā)生的應(yīng)急事件和處置過程用模型進行復(fù)盤分析后，可以改進處置措施中存在的遺漏或不足、優(yōu)化應(yīng)急方案，提高應(yīng)急救援能力，更科學(xué)的制定應(yīng)急處置方案。

3.6 BIM+實景視頻的安全監(jiān)控系統(tǒng)

BIM+實景視頻的安全監(jiān)控系統(tǒng)是通過虛實結(jié)合技術(shù)來還原真實路況。將道路、橋隧上布設(shè)的監(jiān)控攝像頭傳輸來的海量高清視頻與BIM模型在三維空間中進行融合和標(biāo)注，再結(jié)合傳感器獲取的數(shù)據(jù)，就可實現(xiàn)可視化、數(shù)據(jù)化、實景融合的一體化監(jiān)控系統(tǒng)。這一安全監(jiān)控系統(tǒng)可以更加精準(zhǔn)地定位，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控中視頻碎片化、空間關(guān)聯(lián)差等問題；實現(xiàn)了全景視頻巡邏，可以同時提供多個區(qū)域連續(xù)、直觀的監(jiān)控，方便概覽全局；提高了應(yīng)急響應(yīng)的能力，監(jiān)控系統(tǒng)和運營管理數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)聯(lián)動，為監(jiān)管人員快速處理突發(fā)事故提供了強有力的技術(shù)支持。

3.7 BIM技術(shù)的養(yǎng)護信息化管理

構(gòu)建養(yǎng)護綜合管理BIM協(xié)同管理平臺，就是將設(shè)計、施工、監(jiān)理、運營、養(yǎng)護各階段的信息在一個平臺上共享，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度融合，全面推進基于BIM的養(yǎng)護信息化管理。通過BIM協(xié)同管理平臺，接入物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，養(yǎng)護人員巡查中移動終端采集信息通過指定窗口錄入系統(tǒng)，與此同時，將養(yǎng)護中使用的機械設(shè)備進場信息、設(shè)備操作規(guī)程、特種設(shè)備證書、維修保養(yǎng)細(xì)則等導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)庫[6]。養(yǎng)護管理人員、班組作業(yè)人員等勞務(wù)管理方面也納入信息化平臺管理中。通過構(gòu)建一體化集成管理平臺，實現(xiàn)信息跟蹤反饋、集成決策、綜合管控、信息發(fā)布、養(yǎng)護方案優(yōu)化決策，應(yīng)急救援等。

4 結(jié)語

綜上所述，文章在調(diào)研和分析了國內(nèi)公路養(yǎng)護中BIM技術(shù)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)養(yǎng)護管理模式中存在的“被動管理”“個人經(jīng)驗”“信息孤島”等問題，研究構(gòu)建基于BIM技術(shù)的養(yǎng)護管理平臺。通過平臺整合現(xiàn)有檢查、檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時開發(fā)移動端信息采集系統(tǒng)，直接上傳日常巡視檢查數(shù)據(jù)，打破“信息孤島”的壁壘。利用管理平臺數(shù)據(jù)整合功能和BIM可視化功能實現(xiàn)養(yǎng)護管理中的病害分析和建模、日常巡檢監(jiān)測、養(yǎng)護決策和應(yīng)急模擬，實現(xiàn)公路養(yǎng)護管理現(xiàn)代化、科學(xué)化和智能化[7]。構(gòu)建基于BIM技術(shù)的公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)，為進一步探索與推動BIM在養(yǎng)護中的應(yīng)用提供借鑒。