旅游公路BIM技術的應用與創新實踐

伍朝輝，呂子一，李賢統，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新之一，旅游公路[1-3]的加速建設對基礎設施數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）為旅游公路數字化提供了天然的數據基礎[4-5]，助力實現交通參與者“車在路上走、人在景中游”的出行體驗。2020 年8 月3 日，交通運輸部印發的《關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》（交規劃發〔2020〕75號）[6]中明確提出“鼓勵在項目全生命周期協同應用建筑信息模型技術”。2021 年2 月25 日，中共中央、國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》[7]中也要求“加快各領域建筑信息模型技術自主創新應用”。

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之間的安全通達外，更重要的是讓游客慢下來，產生更多的旅游活動，促進路域旅游經濟發展。旅游公路BIM 應用區別于普通公路之處主要體現在以下4 個方面：①BIM 應用的目標不同：從全生命周期而言，BIM 技術應用目標是支持旅游公路“安全、慢游、通達”目標的實現；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、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的；③更加注重以人為本的評價與優化：旅游公路是以人的“賞心悅目”為目標的交通產品，它的沿途景觀、慢行系統、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、反饋和優化；④更加注重出行信息服務：結合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。

發達國家的旅游公路發展較早[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，但均建設有活躍度較高的出行信息服務網站。國內旅游公路在“交旅融合”“全域旅游”等政策推動下，已經進入快速發展階段，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 構建道路三維環境，結合不同景觀分區的尺度、范圍、要素進行景觀設計，更好地體現了“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，提升了設計質量與協同工作效率。山峽庫區旅游公路改造工程[14]開展了BIM+GIS 輔助選線、BIM橋梁景觀協同設計、BIM 輔助工程算量等設計應用，更好地體現了旅游公路安全、環保、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 關中環線大中修工程[16]利用BIM+傾斜攝影進行全線高精度建模，結合運維階段需求，開發了BIM 智慧管養云服務平臺，打造了西安市“三河一山”綠道中的超級環線綠廊。作為廣西壯族自治區交旅融合示范工程，都安—巴馬高速公路[17]以BIM 作為技術創新手段，緊密結合自然風光和旅游資源，使公路與沿線自然景觀協調統一，完善了旅游公路服務功能。

國內外對旅游公路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，專注于旅游公路BIM 應用的系統研究較少[18-20]，并存在兩大問題亟待解決：一是未在需求側區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技術在旅游公路中的應用方法展開系統研究。在分析我國旅游公路BIM 應用現狀的基礎上，結合旅游公路特點對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 的應用內容；結合具體工程實踐與研究成果，介紹典型的旅游公路BIM創新應用案例，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、景觀設施共同構成的綜合系統。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。為系統分析旅游公路BIM 應用現狀，對國內88位旅游公路相關從業人員作定向問卷調查，對旅游公路BIM 應用情況進行統計分析，結果如圖1 所示。受訪者參與的旅游公路工程中超過半數（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，目前大多數旅游公路工程并未開展BIM 應用，已開展的BIM 應用中大多數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應用現狀

進一步對已開展過BIM 應用的旅游公路應用階段進行統計，結果顯示，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%，應用于管養階段的有32.26%?？梢姡O計仍是旅游公路BIM 應用最多的階段，而管養階段應用最少，這與整個公路工程BIM 應用的現狀基本一致，大多數的BIM 模型與數據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、生態和環保要求較高，并重視旅游出行者的需求與在途體驗。BIM 技術以其中心化模型、全生命周期數據集成、空間定位、三維圖形界面等優勢，更有助于以上目標的實現。旅游公路工程可以分為可研、設計、施工、管養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、數據準確采集難、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，輔助業主科學決策，遴選出性價比最優的方案。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，可以提前發現設計中的問題，減少設計變更，提高工程質量。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量。在管養階段，通過BIM 與公路養護、運營管理、旅游營銷宣傳等業務需求的結合，支持旅游公路設施與狀態管理、養護工程管理、交通運行監測、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旅游公路建管養運的數據集成、輔助提升工程決策的科學性、提升旅游公路工程品質及旅游公路營銷效果。

2 旅游公路BIM應用策劃與實施內容

從全生命周期而言，BIM 技術應用的目的是實現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BIM 的應用目標、內容、建模要求和集成平臺功能。本節對旅游公路BIM 應用策劃與實施過程進行分析，并結合BIM 應用需求，給出旅游公路BIM的實施內容。

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 應用內容的選擇，BIM 應用內容決定了BIM建模方法與模型精度，而工程管理和數據集成需求共同決定了BIM 管理平臺的架構與功能。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 應用內容，實現策劃提出的BIM 應用目標，結合旅游公路BIM 管理平臺的開發，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。基于旅游公路BIM 應用需求分析結果，對需求驅動的BIM 應用內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主要求來選定應用目標和內容，而對于全生命周期的BIM 應用還需要考慮各階段之間的數據互通、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應用創新實踐

3.1 旅游公路典型對象BIM構建

旅游公路區別于普通公路的典型結構對象包括：慢行系統（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BIM 建模，需要使用部件編輯器根據慢行系統的橫斷面參數定制相應的Civil 3D 部件（如圖5（a）所示）。旅游公路的驛站與房建結構類似，可采用Revit 來構建驛站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、解說系統等旅游出行服務設施，可采用Revit、Inventor等工具來構建BIM（如圖5（c）所示）。Inventor 在處理非標準結構的高精度建模方面具有明顯優勢。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參數化建模，可以采用Revit、Dynamo來快速構建交通標志的參數化BIM 模型（如圖5（d）所示）。在結構建模的基礎上還需要根據工程集成和管理要求，進行構件級的屬性建模，模型中包括自行車最大限速、驛站最大客流量、停車場車位數等旅游出行相關的屬性信息。

圖5 旅游公路典型結構對象BIM示例

3.2 基于BIM+GIS的區域旅游公路規劃輔助決策

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景色的顯現與優化，結合高清衛圖、地面高程、傾斜攝影等數據快速構建目標區域的三維模型，利用BIM 技術快速構建不同高程、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、概算和分析，輔助提升工程決策的科學性。以某市旅游公路規劃BIM 可視化應用為例，該市規劃了“一環、三縱、五聯”的旅游公路路網結構，“一環”為旅游公路大環線，“三縱”為3條縱向山水連接線，“五聯”為5 條特色主題體驗線。將BIM 與GIS 技術相結合，從宏觀和中觀兩個層面對規劃成果和特色進行可視化展示，并對關鍵結構對象、重點區位效果進行微觀呈現，提高了規劃匯報的溝通效率。

3.3 慢行系統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，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，實現公路與景色的自然融合。圖6 所示為某旅游公路慢行系統三維可視化BIM 設計選線效果，包括了地形、河谷、主體公路、慢行系統等多類結構對象，針對不同對象特點選用適用的工具進行BIM 構建，并實現了多類對象建模結果的整合，結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

旅游公路對路側的景觀設計要求較高，傳統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、快速地呈現不同方案的景觀設計效果，實現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景觀對比如圖7所示，改造前道路兩側種植了柏樹（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景觀BIM對比示例

3.5 基于BIM+VR的旅游公路設計評價與優化

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與工具支持[22]。利用構建得到的旅游公路BIM 模型，結合紋理貼圖、光照計算、PBR材質等提升真實感，實現旅游公路真實感場景的構建。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，實現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）為某山區旅游公路的虛擬騎行示例場景，通過虛擬騎行系統可以實現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布局與駐留時間分析

停車區是旅游公路的重要設施之一，科學的停車區布局有助于避免景區擁擠，提升旅游出行體驗。通過構建停車區和車位布局的BIM 模型，將BIM導入VISSIM等交通仿真軟件，開展不同結構布局的交通運行仿真與車位布局分析。在旅游公路線路上，停車位數量對于景區效益有較大影響。某旅游公路停車區不同車位數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的影響。仿真結果顯示，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 與交通仿真技術的結合，還可對路側停車對主線交通的影響、停車位限制下的景區人流、停車位設計優化等問題進行分析。

圖9 某旅游公路路側停車區車位劃分方案仿真對比示例

3.7 在線氣象數據驅動的旅游交通環境演化模擬

在集成的旅游公路BIM 數字沙盤三維場景中，可以在線導入實時氣象數據，實現數據驅動的旅游公路環境動態演化，用于支持旅游公路運營中的能見度研判、通行能力分析、路燈調節、信號燈設置、交通誘導信號發布、旅游交通信息發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 引擎實現旅游公路BIM 數字沙盤，并在沙盤場景中在線導入時間與氣象數據，實現不同光照條件、不同時間段、不同天氣條件下的旅游公路環境實時渲染，進而支持旅游公路運營管理與服務應用。

圖10 在線氣象數據驅動旅游公路場景環境變化示例

3.8 旅游公路BIM平臺開發與資產管理

BIM 為旅游公路基礎設施數字化提供了數據基礎，利用BIM 技術的全生命數據集成、空間信息可視化表達、空間定位和3D 圖形界面等優勢，集成旅游公路規劃、設計、建設和管養階段的數據與需求，可以實現旅游公路、驛站、機電設施、交安設施、旅游導覽等基礎設施資產的數字化管理。某旅游公路數字資產管理平臺功能如圖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、狀態監測等功能，有效地解決了傳統管理系統中模型、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數字化資產管理應用示例

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

4 結語

BIM 為旅游公路數字化管理與服務帶來了新的機遇與挑戰，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 應用現狀的基礎上，系統梳理了旅游公路在可研、設計、施工、管養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、內容、模型要求和集成平臺功能之間的關系，并結合應用需求分析結果，給出了旅游公路BIM 的應用內容與成果形式；最后，結合研究團隊前期的研究成果與實踐經驗，對BIM技術在旅游公路的BIM 構建、規劃可視化、慢行系統選線、景觀設計評價、人本感知、停車區仿真分析、環境動態演化模擬、數字資產管理等方面的創新應用案例進行分析，為旅游公路BIM 應用實踐與創新發展提供參考。下一步將從旅游公路數字孿生構建、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。