公路建管養可視化信息平臺的創建與實現

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量，為計量提供準確的審核依據，實現可視化動態施工、養護、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展必須解決的。采用怎樣的技術才能實現上述目標，筆者經過調研和檢索得知，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BIM技術應用在大型復雜建筑的碰撞檢測中也發揮了非常重要的作用，但在常規設計中通常只用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軟件開發需要大型建設項目的應用環境、資金支持，需要有相對應領域專業知識的軟件開發人員。由于缺乏大型項目的應用環境，BIM信息管理功能應用方面的發展緩慢，極少數能夠做到自成體系、具有管理內容的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全生命周期應用環境和資金支持。提出建設項目與科研相結合，新技術研究與應用相結合，聯合山西省交通規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，自主研發構建《基于BIM技術創建互聯網+公路建管養可視化信息系統》，用現代化技術手段全面監管施工過程、項目管理和后期運營養護管理，實現施工、運營養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、養護全過程的可視化管理。

整個系統的創建圍繞施工、項目管理、運營養護全過程開展，并為之服務。

國內常規的施工進程展現模式：施工單位根據上報進度數據，繪制進度圖，以平面二維圖表形式反映工程進度，質量控制采用人工現場監控加文字記載；現有的公路建設管理軟件采用在結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。

經過調研結合多年相關領域建設及開發經驗，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）方式創建符合施工工序流程，并與后期3D方式管理的運營、養護無縫隙銜接，形成一體化的動態信息管理平臺，見圖1。

圖1 公路建管養可視化信息平臺構架

1 可視化動態施工管理系統

可視化動態施工管理系統是公路建管養可視化信息平臺核心子系統，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）動態性 構筑物隨著施工進程發生變化，對周圍環境帶來的影響也在改變，整個過程是一個動態變化過程。

b）融合性 自然環境與建設工程關聯性極強，必須融為一體；建立的參數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，地面數據三角網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，這是兩類不同的數據結構，提取航飛影像數據，經過自創軟件處理匹配，與地面模型三角網位置、高程模型點對點地結合在一起，地形表面完全吻合，保證沿線自然風貌真實。

融合性實現最為重要，直接影響BIM技術在施工景觀設計中作用的發揮，需要地面景觀與BIM模型結合出現碰撞的處理，海量數據在施工景觀設計中表達處理，BIM單體之間關聯、多元數據匹配等問題的處理。

c）可視性 通過操作鏡頭360°旋轉、推拉、移動，環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、變化的構造物對環境的影響、環境對施工過程的影響。

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

e）協同性 修改或變更一結構（路基變通道、涵洞變小橋……）簡單地調用圖元，改變模型中的參數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、養護周期信息一體化管理應用的必要條件。

g）參數化 利用BIM技術所創建的動態施工管理系統中專業構件（路線、橋梁、隧道、互通……）3D模型均具有參數屬性和完備的幾何信息、規則信息、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，形成與自然環境之間的互動和反饋，并將信息延續到后期運營、養護管理階段，實現信息全生命周期管理，成為名副其實的公路建設、運營、養護領域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，停車區等種類繁多，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，協助施工管理?；ネ蛄寒愋驮O計多有出現，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，設計與施工出現一些爭議，見圖2。系統平臺根據有限的坐標點，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橋墩鋼筋狀態，加上360°旋轉功能，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，是設計調整，還是現場鋼筋布設，施工精度提高有據可依，設計圖紙與施工過程出現的問題迎刃而解。

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、推拉、移動，將項目建設整體和細部面貌全部展現出來，再通過VR技術構建出虛擬的施工環境，以此檢驗施工過程中變化著的構件對環境的影響，與沿途空間景觀環境協調，以及環境對施工過程的影響。

1.2 5D（3D實體+時間+工序）關系數據庫

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3D模型形式多樣、類型各異，形狀還隨著時間和施工進度發生變化。三維可視化加上時間維度，配合工序過程的體現，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

關系數據庫在整個施工景觀設計平臺中發揮著巨大作用，數據庫設計需要在平臺搭建前期，對BIM數據生產、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。

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

1.3 多種技術聯合應用

技術在發展，需求也在提高，任何一個系統單一技術的采用遠遠滿足不了專業需求，多種技術協同應用是軟件發展方向和提高的必經之路。選用BIM+VR+GIS+5D關系數據庫技術協同工作是課題組經過多年相關項目經驗積累、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，后期養護、運營管理過程均在可視化狀態下進行。

2 運營、養護系統

運營、養護子系統由異常路況信息采集App、卡口交通量采集、發布+養護記錄+運營狀態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加載不同的圖層：路線、橋梁、互通、涵洞、通道、隧道、服務區、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

關聯后實現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+旅游景點介紹+服務區、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，顏色上加以區別：綠色正常運行；黃色待檢修路段，存在隱患重點監控路段；橘色限行路段；紅色封閉路段（養護施工、事故）。

c）養護狀態+歷史養護記錄。

依托互聯網、移動技術圍繞該高速公路路線圖開展養護管理工作，將App上報的原始數據、卡口采集交通量數據轉換成視覺結構（包括形狀、位置、尺寸、色彩等），通過視覺的方式把它表現出來。

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

3 檔案管理

便于質量歷史追溯，每項質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護作業、質檢記錄、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、多媒體技術相結合，方便快速查找。

4 結語

公路建管養可視化信息平臺在祁離公路建設中的開發應用，是多個新技術綜合應用的具體體現，也是高速公路建設、運營、養護全周期的信息化建設應用過程，研發與實際工程建設緊密結合，給公路施工企業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合，滿足其特色需求，才能得以發展，隨著對新技術不斷深入研發應用，將更加凸顯其作用和實用性。