基于BIM技術的高速公路養護管理模式探討

黃程遠 鄧艷 黃慶祥

[關鍵詞]高速公路;橋梁;BIM;養護管理

[中圖分類號]U418.2 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2019）04-0068-06

引言

目前，廣西區內大多數高速公路運營管理公司在接收新建高速公路以后采用的養護管理模式相似，如養護管理仍主要依靠養護人員日常人工巡查，各種養護資料仍主要以書面紙質存檔為主;雖然近年來采用電子文檔的比重在不斷增加，但仍不便于記錄、查詢、保存、追溯，尤其不利于數據資料的收集和共享。提升高速公路養護的信息化程度勢在必行，亟需更好的信息化工具為高速公路養護管理提供長久高效的支持。

近年來，建筑（工民建）領域的BIM概念及應用如火如荼，使建筑行業逐步擺脫傳統的二維、人工、經驗決策等低效工作方式和內容，形成由BIM集成各環節的有效數據，并根據這些數據進行分析判斷后做出科學決策，實施后續行動。因此，同屬土建工程的高速公路工程也可以逐步應用BIM技術解決建設和養護方面的有效管理問題。

一、高速公路（橋梁）養護管理應用BIM的適用性

（一）應用的必要性

《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》中強調：在項目的規劃、設計、施工和運維等各個階段，利用BIM技術可以幫助各參與方在統一的信息模型中實現數據共享，為建設項目信息管理平臺提供有利的技術保障。因此，BIM的核心就是通過建立建設工程項目的三維模型，在模型中賦予完善的工程資料，使之成為包含各種有序、可用數據的信息三維實體[1]。模型中的信息通過參數化關聯，某個參數變化，相關的其他參數或模塊都能實現自動更新。如項海帆院士特別強調：在橋梁的運營階段，將遠程自動化監測和信息化管理系統相結合，確保橋梁運行的安全和正常[2]。

高速公路的運營維護期是其全壽命周期中最長、最重要的階段，從最初的策劃到竣工所積累的各種工程資料，也為養護工作提供了不可或缺的信息支持。由于在傳統的建設管理方式中，不同階段不同參與方只關注己方所使用的信息資料情況，很多時候就造成各種資料的缺失，各方沒能很好做到對各種信息資料協調統一的完全共享[3]，導致高速公路養護與建設階段往往存在“信息孤島”現象。許多建設資料的缺失，是導致養護維修工程無法很好做出科學準確決策的重要原因之一，同時也加大了養護管理人員的工作難度及危險性。因此，基于BIM技術的高速公路（橋梁）由建設到養護管理，實際上是一個信息創建、傳遞、積累、完善及有效應用的過程，在建設階段通過BIM進行優化建設的同時，一路走來所建立的模型通過各種交互和集成可以得到養護工作所需的信息，有助于運維階段養護目標的實現。

高速公路運營管理公司在養護維修項目中是建設單位，在工程實施過程中其養護部門集管理和技術一體，并且更偏重管理一些。而BIM技術可以在建立的模型中實現虛擬結構物場景、空間可視化、資產管理等，這本身就是在管理方面的有效運用。從新建的設計、施工階段延續使用下來的BIM模型，高速公路運營管理公司接收后可以直接成為養護管理的基礎模型，并能繼續在該模型基礎上豐富養護數據和功能[4]。

（二）應用的可行性

任何新建工程項目在施工前的策劃、設計、招投標等其實都是信息的產生及處理應用，施工階段是實物建設，但卻是由各種信息（如施工圖、概預算等）指導而得來的，其運維階段也是一個信息處理過程。要對高速公路的各種結構物進行檢測評估，也要在已有的數據信息基礎上才能實現，因此，將BIM技術用于高速公路（橋梁）的養護管理，是發展的趨勢所在。

現代信息技術的飛速發展，高速公路（橋梁）檢測的手段也在不斷升級，獲取數據的各種便捷工具不斷出現。如已經出現了專門用于路面和橋梁檢測的車載掃描儀，無人機搭載檢測儀器巡檢大型橋梁開始得到廣泛應用。新出現的各種便捷檢測手段，既可以克服傳統人工檢測方式有些需檢測部位無法到達的弊端，也減少了往往需要攀爬而導致的人身危險;同時，這些檢測手段可以結合高清攝像頭，通過激光、超聲波等方式獲取比如橋梁構造部位的裂縫、外露的鋼筋、破損的螺栓等病害的具體情況數據，通過網絡上傳到基于BIM技術的養護管理系統，一一反映在BIM模型中構造物相應的位置并存儲好[5]。

基于BIM模型的可視化特點，養護管理人員可以直觀地通過模型顯示出來的病害位置、大小等，有針對性地制定養護維修計劃，甚至可以在模型中先行模擬維修的過程和結果，應用模型對維修后的結構物進行相應的結構受力分析等，以評估養護實施方案是否有效。這些都將大大提高養護管理人員的工作效率，增強檢測和養護工作的準確程度，降低勞動強度和危險性等。

二、高速公路（橋梁）養護管理應用BIM的探討

（一）高速公路（橋梁）養護管理現狀和模式

目前，廣西區內高速公路（橋梁）養護，主要是收集、保存日常維護數據，養護管理的核心是維修各種病害，也包括交通標志更新、修補橋面鋪裝，維修更換因交通事故而損壞的設施等，其實質是消極的防御型養護管理。而現有的高速公路（橋梁）病害評估方法，采用的是根據對高速公路（橋梁）狀況的定性了解和工程師的經驗判斷，即所謂的“傳統經驗法”。這種方法更多依靠的是高速公路（橋梁）檢查和評估人員的知識水平和經驗，在不同背景下，不同人員對同一問題的評估和判斷可能完全不同。美國有研究機構調查表明，公路病害采用人工檢查的評判結果甚至有高達56%是不恰當的。中國的一些地區還缺乏對高速公路（橋梁）病害的理論分析與實際研究，僅限于病害的表面探究，缺乏對病害發生、發展、變化程度的量化確定，這將使得養護資金分配缺乏科學的評判標準，養護維修方案缺乏科學的決策手段，養護維修的經濟分析還處于基礎探索和研究初期。

從經濟角度看，運營期為了維護良好路況，各運營管理機構每年的高速公路（橋梁）養護費用往往都是逐年遞增。在高速公路運營管理機構基本企業化的今天，如何開源節流，減本增效，是作為市場重要主體的企業需重點考慮的問題。從管理角度來說，一方面，僅由管理經驗做出的養護決策，無法進一步有效解決包括效率、實時性、養護成本等在內的諸多問題;另一方面，傳統的高速公路工程項目全壽命周期管理模式中，設計、建設、運維等各階段的信息交互、溝通幾乎就限制在設計圖紙、施工記錄，竣工報告等二維文字圖形資料的傳遞上，設計、建設期與運營期信息傳遞不暢，甚至可以說是完全割裂的，養護管理在其中更似單獨運作的部分，無論從連續性，易讀性，可靠性和時效性來說，存在著不足。

（二）基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理

1.結合GIS的養護BIM數據資料采集

近年來，國外的交通土建行業陸續將BIM技術、GIS技術及GPS技術引入公路領域的信息化管理。如新西蘭將GPS和Video集成，用GPS實現可視化公路管理;美國聯邦公路局（FHWA）在公路（橋梁）管理方面，應用GPS、GIS、多媒體視頻軟件和設備等現代信息技術，實現迅速定位查看被損壞的路段，以保證能及時提供修復，確保公路（橋梁）安全。國外的這些信息化技術應用于公路建設、路政執法和路產管理等方面已取得較好的效果，這對中國高速公路（橋梁）養護的信息化管理尤其是結合BIM技術的使用方面有很大的借鑒意義，下面對應用BIM的步驟和內容進行具體闡述。

地理信息系統（GIS）也稱為“地學信息系統”，通過采集、儲存地球表層（包括大氣層）空間中的空間分布數據，運用計算機開展分析、運算、管理，并能描述和顯示所需結果的技術系統。

傳統的GIS是將構造物以外的環境數據進行綜合管理的系統，單純的尺寸及外形測量得到的只是一個三維的外殼，內部沒有相應的信息資料。而BIM的數據管理功能則剛好彌補這一點，GIS技術未來也會更傾向于對數據信息進行查詢、分析、管理及信息交換。

將GIS整合到BIM，使用現有和后續研發的數據采集移動終端設備，收集、上傳高速公路（橋梁）檢測和養護數據，再采用統一的數據標準，實現地理數據和BIM相結合，以此為基礎建立應用BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理模型，實現三維可視化，并可進一步建立預防性養護決策子模型，為高速公路（橋梁）養護管理提供決策依據。該高速公路（橋梁）養護管理BIM模型的建立通過以下硬件設備實現。

（1）高速公路（橋梁）養護數據采集移動終端設備組合

高速公路養護部門的管理人員希望通過監控就能在計算機前取得高速公路（橋梁）平面線路圖的同時，也能獲取可視性好的三維全景實時影像資料，立體、及時、準確地掌握高速公路（橋梁）實時路況，以保障高速公路通暢。特別是可以通過三維立體影像資料能夠迅速確認高速公路（橋梁）病害的具體發生位置，以便第一時間制定養護維修措施，確保高速公路（橋梁）日常的完好。

目前，代表移動測量系統（Mobile Mapping System）最新發展趨勢和水平的，是高清數字攝影攝像+陀螺儀+GPS三種技術組成的移動式車載激光掃描公路（橋梁）實景信息采集技術。

該技術可以快速獲取高精細的激光點云數據和數碼照片，有效獲取高速公路養護現場信息并建立三維場景。采用實景三維GIS系統后，可以將所途經的每千米道路、立交、橋梁、隧道、邊坡、涵洞、收費站、服務區等沿線構造物、設備的相關數據都采集到GIS數據庫中，通過進一步分析可以得到高速公路的車轍、平整度、橫縱斷面等路況信息數據和參數指標[6]。該技術應用在高速公路（橋梁）病害數據采集的總體集成方案如圖1所示。

將全景影像采集設備、車載Li-DAR設備、GPS及慣導設備、數據存儲及處理設備集成為移動的檢測采集終端，完成采集后由后臺計算機系統處理數據。

（3）高速公路平整度、車轍等病害自動檢測和計算分析

在后臺提取采集到的檢測數據，比如車轍（RD）檢測結果，按國家相關規范計算車轍深度指數（RDI）;自動計算平整度（IRI），根據《公路技術狀況評定標準》對高速公路（橋梁）評定RQI值;根據Li-DAR設備的檢測結果，自動識別路面坑槽、凸起、擁包、推移和沉降等路面破損病害;通過全景影像采集到但識別度不夠高的攝影像，由計算機經過邏輯自動識別出路面裂縫、沉降、坑槽等病害信息，最終建立高速公路（橋梁）病害識別特征庫，實現系統自動準確識別病害種類。

（4）數據處理平臺

將處理好的數據結合路面正射影像、激光點云數據及精確經緯度坐標，根據高速公路（橋梁）病害特征識別庫的界定，平臺自動識別病害;根據平整度和車轍等的檢測標準，平臺自動識別路面平整度和車轍等病害;平臺自動提取并使用處理好的數據建立三維全景展示圖像。

2.基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理模式具體探討

（1）基于BIM的新建高速公路（橋梁）養護管理系統

在運營階段，BIM模型可以通過移動終端和監控設備實時采集、反饋和上傳數據，實現與高速公路工程建設階段集成的智能和可視化養護管理。基于BIM技術，養護管理系統能充分體現高速公路（橋梁）各結構物的三維空間顯示、定位及數據實時更新處理的優勢[7]。

養護管理基于BIM技術，通過建立設計、施工、監測和養護等數據統一的系統，使建設和養護管理成為一個延續的有機整體。主要包括以下管理內容：（1）不斷更新高速公路（橋梁）各結構物、構造物等在養護計劃、養護施工和養護評估等信息方面的管理;（2）BIM集成移動終端和監測系統，將結構物等尤其是橋梁的安全健康監測與養護管理相結合，實現結構物的日常基本數據、檢查監測信息等一體化，對高速公路（橋梁）運營維護過程中的養護數據信息進行可視、直觀、有效的監控與管理;（3）還可以將高速公路（橋梁）相關的車流量、養護資金、交通設施設備等常規信息統一整合[8]。

系統的構成主要分為三個層面：數據庫、模型及功能模塊[9]。

基于BIM的數據庫是在建設階段的模型數據基礎上擴充得來的。在數據庫中，可以根據養護管理的需要對信息資料進行合適的分類，如高速公路（橋梁）設計階段的設計方案、可視化模型、碰撞檢測信息、路橋結構信息、投資成本信息等;施工階段的工藝信息、施工流程信息、施工組織管理信息、工期信息等;運營階段開始后的設備管理信息、結構內力檢測信息、各收費站車流量信息、結構（構筑）物維護保養信息等，這些都便于養護管理人員后續的提取和使用。數據庫可以通過圖表、文本等各種形式在模型中補充、修改、提取和完善，這些參數的變化可以在一定權限范圍內，各方相關人員都能直觀而便捷地使用。

除了從建設階段得到的BIM竣工模型中的數據資料，養護的管理人員更關注模型數據的提取與補充完善，因此，養護管理系統還具備后續信息添加的功能。傳統的高速公路養護管理特別是橋梁結構的養護方面，主要是依靠人工定期巡檢，發現問題才進行養護維修，是被動化的管理方式。基于BIM的系統是在數據庫信息的基礎上建立起來的，是各種數據參數的三維可視化載體，特別是能夠結合遠程監測系統的應用，可以實時監控綜合判斷各種結構（構筑）物、設備等運行是否正常，這是一種主動型的養護管理模式，并且可以確保信息準確性，充分實現高速公路（橋梁）信息的持續化應用，提高運營階段的養護管理效率。

基于BIM的功能模塊建立是實現有效養護管理的基礎。根據不同管理需要而設置的功能模塊，可以直接將建設階段的相關信息資料導入或轉換到運營管理系統中。如交通設施養護模塊、橋梁設施養護模塊、公路路基養護模塊、公路路面養護模塊、高邊坡構造物養護模塊等。通過不同功能模塊的應用，一方面可以實現前面說的各種數據信息的分類與存儲，另一方面也便于養護管理人員在工作中將收集到的數據信息反饋、記錄和存儲到系統中。

（2）基于BIM的既有高速公路（橋梁）養護管理系統

高速公路（橋梁）養護管理BIM參數化建模，主要有以下幾個步驟。

①根據高速公路工程項目設計及建設階段的資料精確劃分道路結構;

②準確提取高速公路工程項目平面和縱斷面、橋涵構造物及其他交通附屬設施的設計和建設參數;

③采用三維建模軟件自動快速生成高速公路（橋梁）養護管理BIM模型，大致流程如圖2所示。

首先，根據高速公路設計和建設階段工程資料，采用建模軟件創建高速公路（橋梁）養護管理BIM初步模型，然后依據高速公路建設規范組裝調整模型，最后三維展現。通過高速公路設計和建設資料中的平縱設計參數 （如緯地等設計軟件的平縱設計文件） 或道路逐樁坐標對照表，計算道路各樁號精確的三維坐標。最終得出的高速公路（橋梁）養護管理BIM模型包含了設計和建設數據，用戶可以通過調整其中的參數，實現數據和模型的實時同步更新，使模型真實反映高速公路（橋梁）的結構、基礎、樁號和附屬設施等各項參數信息。

B.高速公路（橋梁）養護管理BIM模型的管理

將高速公路中道路、橋梁、基礎設施等的屬性信息與BIM模型相關聯，通過點擊BIM模型，對模型中的各種屬性信息進行可視化查詢，如圖3所示。

3.基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理系統應用

外業的養護管理人員采用移動終端開展日常巡查。發現不同的病害后，通過移動終端一一記錄、編輯并上傳數據到BIM養護管理系統中的相應模塊。需要上傳的主要信息一般有人員名稱、病害位置、病害描述、時間、照片或視頻資料等[10]。養護管理系統接收到數據信息后，在相應的模型三維構件中將病害可視化體現，這種直觀的病害表示方式不會因為檢查人員的更換而出現命名、編碼混亂等問題。內業的養護管理人員在模型中可以很便捷地掌握病害如位置、數量等的具體情況;通過軟件的二次開發還可以用不同顏色區分病害的嚴重程度等;進一步可以在養護管理系統中制定相應的養護維修方案，養護管理部門的負責人可以根據病害的輕重緩急安排養護維修計劃并啟動實施流程。

養護維修工作完成后，負責的養護管理人員到現場驗收，符合驗收質量標準的，通過移動終端上傳現場照片等資料到養護管理系統，系統自動存儲驗收資料及驗收通過的結果。

4.基于BIM技術的高速公路（橋梁）預防性養護分析決策子系統

由前述建立的基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理系統，本部分探討切合高速公路（橋梁）養護管理的預防性養護分析決策子系統。

不斷采集完善高速公路（橋梁）的病害數據，通過建立基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理系統進行高速公路（橋梁）養護技術狀況的計算、分析與評定。基于此建立的決策子系統可以提供有關路基路面、橋梁（構造物）、路產設施等評價單元的損壞情況批量錄導入功能，可以按公里為單位直接更新病害明細數據;結合收集的數據，根據《公路技術狀況評定標準》（JTGH20-2007）自動計算技術狀況分值，提供技術狀況修正、復核、審核、審定和查詢高速路況和病害調查表、評定表等功能。

該決策子系統可根據養護管理部門的需求，按路線技術等級、路線車道、涵洞、交通量、養護資金來源等進行數據查詢、統計、匯總、分析和計算;該決策子系統能在資金約束條件下，根據經濟效益最大化原則提供某路段已優化可實施的養護工程方案;該決策子系統進一步還可以分別制定高速公路（橋梁）的日常養護、中修和大修等不同層級的詳細預算，為養護管理部門申請合理的養護資金，提供科學依據。

5.基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理系統優勢

基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理模式，有以下幾個方面的優點：（1）便捷構建結構有序化的養護技術數據資料庫;（2）便捷而準確地統計、計算養護工程量及成本資金的使用情況[11];（3）在第（2）點的基礎上便于養護維修工程方案的制定及實施決策;（4）養護維修過程及結果的直觀可視化展示;（5）應用系統的可視化及模擬功能還可以優化災害應急搶險預案。

三、結語

文章探討通過數據采集移動終端設備提供高速公路（橋梁）養護技術狀況評定所需的各種數據資料，基于BIM技術將高速公路（橋梁）基礎結構設施三維模型、結構設施資料、數據庫管理、運行參數、保養周期等相關聯，建立基于BIM技術的高速公路（橋梁）養護管理系統，并探討據此建立預防性養護分析決策子系統，為高速公路（橋梁）養護管理提供決策依據，探索新的養護管理思路和應用方向。

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[作者簡介]黃程遠（1982-），男，廣西欽州人，廣西廣播電視大學基建處工程師，碩士，研究方向：土建工程與管理;鄧艷（1979-），男，廣西南寧人，廣西廣播電視大學基建處高級工程師，碩士，研究方向：建筑電氣工程與管理;黃慶祥（1991-），男，湖南寧鄉人，廣西廣播電視大學基建處助理工程師，研究方向：土建工程施工技術與管理。

[責任編輯 韋 臻]