BIM技術(shù)在路面精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用研究

江亞 JIANG Ya

（新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司重慶分公司，重慶 400000）

0 引言

BIM（Building Information Modeling建筑信息模型）技術(shù)是土木工程信息化管理的新技術(shù)，由美國Autodesk公司所創(chuàng)，并得到業(yè)界的高度認(rèn)可，以實(shí)現(xiàn)工程建筑的信息化管理，實(shí)現(xiàn)建筑工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)營管理的全壽命周期科學(xué)化管理，為工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、施工單位、設(shè)施運(yùn)營部門和業(yè)主等參與方提供協(xié)同工作和交流的平臺和工具。

BIM技術(shù)由于在工程建設(shè)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢和技術(shù)特點(diǎn)，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建建筑工程項(xiàng)目數(shù)字信息的三位數(shù)據(jù)模型，其能夠?yàn)楣窋?shù)字化管理提供了一種科學(xué)的有效方法。交通運(yùn)輸部在《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》中要求BIM技術(shù)應(yīng)加快在工程設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)用，滿足公路工程建設(shè)全壽命周期的數(shù)字信息化管理技術(shù)要求。

1 BIM技術(shù)在公路工程的應(yīng)用研究

1.1 公路路基工程的應(yīng)用

公路路基的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)信息化管理是工程行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展技術(shù)要求，基于BIM技術(shù)的工程協(xié)同管理云平臺能夠提供項(xiàng)目干系人的信息溝通和工程信息化管理能力。對參與人員協(xié)同性差、工作調(diào)度效率低下、資料管理混亂、質(zhì)量與成本不統(tǒng)一問題實(shí)現(xiàn)有效的解決。信息化的工程管理，離不開信息模型的分類基編碼標(biāo)準(zhǔn)，利用BIM模型實(shí)現(xiàn)EBS（Engineering Breakdown Structure）工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解編碼，基于《ISO 12006-2 2015分類框架》可以鎖定最小的管理單元，保障信息傳輸準(zhǔn)確性和可靠性。以路基BIM模型建立工程樹，便于實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維可階段的信息化管理。

1.2 公路路面工程的應(yīng)用

GIS（Geographic Information System）地理信息系統(tǒng)是一門綜合性科學(xué)。在計(jì)算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)的支持下，基于測繪技術(shù)衛(wèi)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的收集、存儲，編輯、查詢、處理、分析、輸出和使用，對道路網(wǎng)級可視化管理具有獨(dú)特的優(yōu)勢，將BIM技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合用于公路路面工程的數(shù)字化管理，為工程管理提供便利的條件，如圖1所示。

圖1 BIM+GIS技術(shù)在路面工程管理的應(yīng)用

1.3 公路橋梁工程的應(yīng)用

BIM技術(shù)在公路橋梁工程中主要是設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的應(yīng)用為主，建立數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)和三維可視化模型為基礎(chǔ)的信息化系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合和業(yè)務(wù)可視化管理，提升橋梁管理效率和信息化技術(shù)。BIM技術(shù)與橋梁大型結(jié)構(gòu)物健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行融合實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和評估，對監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型信息進(jìn)行交互傳輸，為管理人員提供精確的位置、構(gòu)件屬性和監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)。BIM數(shù)據(jù)模型與橋梁信息化管理養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)融合，進(jìn)行橋梁可視化養(yǎng)護(hù)，為管理單位提供養(yǎng)護(hù)決策基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并與橋梁構(gòu)件二維碼識別技術(shù)、無人機(jī)巡檢技術(shù)、AR虛擬技術(shù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、機(jī)器上監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。

1.4 公路隧道工程的應(yīng)用

公路隧道由于所處巖土環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)狀況容易變化、使用條件要求高，使用性能在多因素長期作用下變化劇烈，養(yǎng)護(hù)成本較高，并且與地質(zhì)災(zāi)害緊密相連。通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)的全周期服役監(jiān)測，為隧道的科學(xué)化管理提供了數(shù)據(jù)支撐和可視化監(jiān)測能力。BIM技術(shù)可有效的運(yùn)用在隧道的運(yùn)維管理，并以此為基礎(chǔ)建立WEB技術(shù)的管理平臺，融合日常監(jiān)測數(shù)據(jù)，為業(yè)主提供精準(zhǔn)的“建管養(yǎng)”數(shù)據(jù)。基于BIM技術(shù)可以獲取隧道的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、使用性能監(jiān)測、結(jié)構(gòu)力學(xué)狀況監(jiān)測、全方位的安全評估預(yù)測等。融合云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖據(jù)技術(shù)，對隧道基礎(chǔ)設(shè)施的服役壽命周期、構(gòu)件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)歷史信息、運(yùn)營模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)智能化分析和精準(zhǔn)預(yù)測，降低養(yǎng)護(hù)成本。

2 路面健康狀況精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究

公路和城鎮(zhèn)道路的路面檢測主要通過數(shù)字圖像、激光測量和“3S”定位技術(shù)對路面損壞、平整度、車轍、構(gòu)造深度、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等路面技術(shù)狀況進(jìn)行精準(zhǔn)測量。目前，國內(nèi)外科研結(jié)構(gòu)和科技型企業(yè)均在道路路面智能化檢測領(lǐng)域取得重要的研究成果。

2.1 國外檢測技術(shù)

美 國ASTM（American Society for Testing and Materials）組織機(jī)構(gòu)提出并制定了PCI（Pavement Condition Index路面損壞狀況指數(shù)）、IRI（International Roughness Index國際平整度指數(shù)）、MTD（Mean Texture Depth路面紋理構(gòu)造深度）用于評價(jià)路面技術(shù)狀況測量方法。美國AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）組織機(jī)構(gòu)提出并制定了PSI（present serviceability index）用于測量路面性能指標(biāo)，是繼路面損壞狀況指數(shù)（PCI）和國際平整度指數(shù)（IRI）之后使用最廣泛的路面性能指標(biāo)之一，該性能指標(biāo)介于0和5之間，0代表性能為差的路面，5代表性能為優(yōu)的路面。

參考ASTM和AASHTO路面檢測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，美國IIC（International Cybernetics Co.）公司研制了IRISGO道路檢測車，加拿大Fugro Roadware公司研制了ARAN道路檢測車，可對路面損壞狀況指數(shù)PCI、國際平整度指數(shù)IRI、路面紋理構(gòu)造深度MTD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 國內(nèi)檢測技術(shù)

中國交通部在2018年發(fā)布《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)JTG 5210-2018》技術(shù)規(guī)范，根據(jù)規(guī)范技術(shù)要求對公路路面技術(shù)狀況的路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI、路面跳車指數(shù)PBI、路面磨耗指數(shù)PWI、路面抗滑性能指數(shù)SRI、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI進(jìn)行檢測評價(jià)，以對公路路面技術(shù)狀況進(jìn)行綜合評價(jià)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2016年發(fā)布了《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范CJJ36-2016》，根據(jù)規(guī)范技術(shù)要求在進(jìn)行城鎮(zhèn)道路路面養(yǎng)護(hù)的定期檢測評價(jià)中對道路路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI進(jìn)行檢測評價(jià)。

依據(jù)公路和城鎮(zhèn)道路檢測評價(jià)方法，中公高科養(yǎng)護(hù)科技股份有限公司依靠交通公路科學(xué)研究所的道路檢測先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)，研發(fā)了多功能路況快速檢測車（CiCS II）。武大卓越科技有限責(zé)任公司依靠武漢大學(xué)的國際領(lǐng)先的激光測量理論研究，研發(fā)了智能道路檢測系統(tǒng)RTM，可自動化同步采集地理位置信息、路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面車轍深度指數(shù)RDI、路面跳車指數(shù)PBI、路面磨耗指數(shù)PWI路面技術(shù)狀況數(shù)據(jù)。

2.3 新一代技術(shù)發(fā)展趨勢

為了解決當(dāng)前路面質(zhì)量檢測方法成本高、效率低下和設(shè)備昂貴問題，國內(nèi)外高校和科研機(jī)構(gòu)在新一代的路面質(zhì)量檢測方法上進(jìn)行積極探索。

芬蘭vaisala公司研發(fā)RoadAI道路路面技術(shù)狀況識別技術(shù)，利用智能手機(jī)安裝在車輛前方通過視頻采集技術(shù)進(jìn)行道路數(shù)據(jù)采集，并使用AI算法進(jìn)行路面病害數(shù)據(jù)提取和分析。

美國馬薩諸塞大學(xué)Walaa Mogawer博士開發(fā)無人機(jī)道路巡檢技術(shù)通過無人機(jī)搭載高精度工業(yè)相機(jī)對路面技術(shù)狀況進(jìn)行自動化數(shù)據(jù)采集，并使用深度學(xué)習(xí)算法對路面病害進(jìn)行自動化分析。

深圳市騰訊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司研發(fā)道路智能巡檢技術(shù)，在巡檢車輛配備了常規(guī)視角相機(jī)、魚眼相機(jī)、慣性導(dǎo)航、GPS等傳感器。通過多傳感器的融合算法，能夠自動分析、識別出路面病害的位置、類別、嚴(yán)重程度和物理尺寸等信息，并實(shí)時(shí)發(fā)送檢測結(jié)果到車載人機(jī)交互程序。

3 基于BIM+IOT融合技術(shù)在路面養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)用研究

3.1 IOT技術(shù)

IOT（The Internet of Things）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過各種信號傳感器、射頻感知技術(shù)、全球空間定位系統(tǒng)、紅外線器件、激光測量器等技術(shù)。對需要監(jiān)控測量、信息連接、互動操作的物體和過程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過先進(jìn)傳感技術(shù)采集物理世界的聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等狀態(tài)信息，通過物理網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)物物和物人的數(shù)據(jù)連接。IOT物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

感知層：主要功能就是通過傳感器技術(shù)采集物理世界的數(shù)字化信息，是人類世界跟物理世界進(jìn)行信息交互的重要橋梁。感知層的數(shù)據(jù)來源主要有兩種：一種就是主動采集生成信息，比如視覺相機(jī)、環(huán)境測量傳感器、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等，另一種是接受外部指令被動保存信息，比如RFID射頻識別技術(shù)、IC智能卡識別技術(shù)、二維碼標(biāo)識技術(shù)等；

網(wǎng)絡(luò)層：主要功能就是網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，將感知層采集的數(shù)據(jù)傳送到目的地。是將物連接入網(wǎng)的技術(shù)，其為設(shè)備接入網(wǎng)，通過這一網(wǎng)絡(luò)可以將物與互聯(lián)網(wǎng)打通，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的數(shù)據(jù)交互，大大增加了數(shù)據(jù)互通的邊界，更有利于通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用來增加物理和人類世界的豐富度，主要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有5G移動通信網(wǎng)絡(luò)、WIFI無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)；

應(yīng)用層：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的最終目的，其主要是將感知層收集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用層架構(gòu)主要組成部分：數(shù)據(jù)庫，業(yè)務(wù)處理和客戶端。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)處理較為復(fù)雜，其會涉及到海量數(shù)據(jù)的整合和交互，處理技術(shù)主要包括：數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、云計(jì)算、信息融合等。

3.2 BIM+IOT融合技術(shù)應(yīng)用于路面養(yǎng)護(hù)管理

通過BIM-IOT數(shù)據(jù)融合技術(shù)對公路網(wǎng)及路面進(jìn)行數(shù)字化管理，利用BIM技術(shù)建立多維化的道路數(shù)字基礎(chǔ)模型，通過IOT技術(shù)實(shí)時(shí)感知道路路面的性能狀況和環(huán)境情況。并以BIM技術(shù)為依托建立公路路面養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫，建立道路基礎(chǔ)實(shí)施編碼標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和交互的標(biāo)準(zhǔn)化，如圖2所示。

圖2 BIM+IOT應(yīng)用

4 總結(jié)

BIM技術(shù)在建筑信息化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得巨大的成就，為建筑的信息化設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營提供了可靠的技術(shù)支撐。其在公路工程的應(yīng)用已經(jīng)有許多的高等院校、研究架構(gòu)和高新技術(shù)企業(yè)進(jìn)行了積極探索，特別是在橋梁和隧道工程中取得了成功的應(yīng)用效果。本文基于BIM技術(shù)，闡述了在公路路面精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用，其將有助于提升路面養(yǎng)護(hù)效率、降低養(yǎng)護(hù)成本、延長使用壽命周期。融入GIS技術(shù)、IOT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算技術(shù)提升路面健康狀況科學(xué)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、預(yù)測和可視化。