基于BIM技术的高速公路养护管理模式探讨

黄程远 邓艳 黄庆祥

[关键词]高速公路;桥梁;BIM;养护管理

[中图分类号]U418.2 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2019）04-0068-06

引言

目前，广西区内大多数高速公路运营管理公司在接收新建高速公路以后采用的养护管理模式相似，如养护管理仍主要依靠养护人员日常人工巡查，各种养护资料仍主要以书面纸质存档为主;虽然近年来采用电子文档的比重在不断增加，但仍不便于记录、查询、保存、追溯，尤其不利于数据资料的收集和共享。提升高速公路养护的信息化程度势在必行，亟需更好的信息化工具为高速公路养护管理提供长久高效的支持。

近年来，建筑（工民建）领域的BIM概念及应用如火如荼，使建筑行业逐步摆脱传统的二维、人工、经验决策等低效工作方式和内容，形成由BIM集成各环节的有效数据，并根据这些数据进行分析判断后做出科学决策，实施后续行动。因此，同属土建工程的高速公路工程也可以逐步应用BIM技术解决建设和养护方面的有效管理问题。

一、高速公路（桥梁）养护管理应用BIM的适用性

（一）应用的必要性

《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》中强调：在项目的规划、设计、施工和运维等各个阶段，利用BIM技术可以帮助各参与方在统一的信息模型中实现数据共享，为建设项目信息管理平台提供有利的技术保障。因此，BIM的核心就是通过建立建设工程项目的三维模型，在模型中赋予完善的工程资料，使之成为包含各种有序、可用数据的信息三维实体[1]。模型中的信息通过参数化关联，某个参数变化，相关的其他参数或模块都能实现自动更新。如项海帆院士特别强调：在桥梁的运营阶段，将远程自动化监测和信息化管理系统相结合，确保桥梁运行的安全和正常[2]。

高速公路的运营维护期是其全寿命周期中最长、最重要的阶段，从最初的策划到竣工所积累的各种工程资料，也为养护工作提供了不可或缺的信息支持。由于在传统的建设管理方式中，不同阶段不同参与方只关注己方所使用的信息资料情况，很多时候就造成各种资料的缺失，各方没能很好做到对各种信息资料协调统一的完全共享[3]，导致高速公路养护与建设阶段往往存在“信息孤岛”现象。许多建设资料的缺失，是导致养护维修工程无法很好做出科学准确决策的重要原因之一，同时也加大了养护管理人员的工作难度及危险性。因此，基于BIM技术的高速公路（桥梁）由建设到养护管理，实际上是一个信息创建、传递、积累、完善及有效应用的过程，在建设阶段通过BIM进行优化建设的同时，一路走来所建立的模型通过各种交互和集成可以得到养护工作所需的信息，有助于运维阶段养护目标的实现。

高速公路运营管理公司在养护维修项目中是建设单位，在工程实施过程中其养护部门集管理和技术一体，并且更偏重管理一些。而BIM技术可以在建立的模型中实现虚拟结构物场景、空间可视化、资产管理等，这本身就是在管理方面的有效运用。从新建的设计、施工阶段延续使用下来的BIM模型，高速公路运营管理公司接收后可以直接成为养护管理的基础模型，并能继续在该模型基础上丰富养护数据和功能[4]。

（二）应用的可行性

任何新建工程项目在施工前的策划、设计、招投标等其实都是信息的产生及处理应用，施工阶段是实物建设，但却是由各种信息（如施工图、概预算等）指导而得来的，其运维阶段也是一个信息处理过程。要对高速公路的各种结构物进行检测评估，也要在已有的数据信息基础上才能实现，因此，将BIM技术用于高速公路（桥梁）的养护管理，是发展的趋势所在。

现代信息技术的飞速发展，高速公路（桥梁）检测的手段也在不断升级，获取数据的各种便捷工具不断出现。如已经出现了专门用于路面和桥梁检测的车载扫描仪，无人机搭载检测仪器巡检大型桥梁开始得到广泛应用。新出现的各种便捷检测手段，既可以克服传统人工检测方式有些需检测部位无法到达的弊端，也减少了往往需要攀爬而导致的人身危险;同时，这些检测手段可以结合高清摄像头，通过激光、超声波等方式获取比如桥梁构造部位的裂缝、外露的钢筋、破损的螺栓等病害的具体情况数据，通过网络上传到基于BIM技术的养护管理系统，一一反映在BIM模型中构造物相应的位置并存储好[5]。

基于BIM模型的可视化特点，养护管理人员可以直观地通过模型显示出来的病害位置、大小等，有针对性地制定养护维修计划，甚至可以在模型中先行模拟维修的过程和结果，应用模型对维修后的结构物进行相应的结构受力分析等，以评估养护实施方案是否有效。这些都将大大提高养护管理人员的工作效率，增强检测和养护工作的准确程度，降低劳动强度和危险性等。

二、高速公路（桥梁）养护管理应用BIM的探讨

（一）高速公路（桥梁）养护管理现状和模式

目前，广西区内高速公路（桥梁）养护，主要是收集、保存日常维护数据，养护管理的核心是维修各种病害，也包括交通标志更新、修补桥面铺装，维修更换因交通事故而损坏的设施等，其实质是消极的防御型养护管理。而现有的高速公路（桥梁）病害评估方法，采用的是根据对高速公路（桥梁）状况的定性了解和工程师的经验判断，即所谓的“传统经验法”。这种方法更多依靠的是高速公路（桥梁）检查和评估人员的知识水平和经验，在不同背景下，不同人员对同一问题的评估和判断可能完全不同。美国有研究机构调查表明，公路病害采用人工检查的评判结果甚至有高达56%是不恰当的。中国的一些地区还缺乏对高速公路（桥梁）病害的理论分析与实际研究，仅限于病害的表面探究，缺乏对病害发生、发展、变化程度的量化确定，这将使得养护资金分配缺乏科学的评判标准，养护维修方案缺乏科学的决策手段，养护维修的经济分析还处于基础探索和研究初期。

从经济角度看，运营期为了维护良好路况，各运营管理机构每年的高速公路（桥梁）养护费用往往都是逐年递增。在高速公路运营管理机构基本企业化的今天，如何开源节流，减本增效，是作为市场重要主体的企业需重点考虑的问题。从管理角度来说，一方面，仅由管理经验做出的养护决策，無法进一步有效解决包括效率、实时性、养护成本等在内的诸多问题;另一方面，传统的高速公路工程项目全寿命周期管理模式中，设计、建设、运维等各阶段的信息交互、沟通几乎就限制在设计图纸、施工记录，竣工报告等二维文字图形资料的传递上，设计、建设期与运营期信息传递不畅，甚至可以说是完全割裂的，养护管理在其中更似单独运作的部分，无论从连续性，易读性，可靠性和时效性来说，存在着不足。

（二）基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理

1.结合GIS的养护BIM数据资料采集

近年来，国外的交通土建行业陆续将BIM技术、GIS技术及GPS技术引入公路领域的信息化管理。如新西兰将GPS和Video集成，用GPS实现可视化公路管理;美国联邦公路局（FHWA）在公路（桥梁）管理方面，应用GPS、GIS、多媒体视频软件和设备等现代信息技术，实现迅速定位查看被损坏的路段，以保证能及时提供修复，确保公路（桥梁）安全。国外的这些信息化技术应用于公路建设、路政执法和路产管理等方面已取得较好的效果，这对中国高速公路（桥梁）养护的信息化管理尤其是结合BIM技术的使用方面有很大的借鉴意义，下面对应用BIM的步骤和内容进行具体阐述。

地理信息系统（GIS）也称为“地学信息系统”，通过采集、储存地球表层（包括大气层）空间中的空间分布数据，运用计算机开展分析、运算、管理，并能描述和显示所需结果的技术系统。

传统的GIS是将构造物以外的环境数据进行综合管理的系统，单纯的尺寸及外形测量得到的只是一个三维的外壳，内部没有相应的信息资料。而BIM的数据管理功能则刚好弥补这一点，GIS技术未来也会更倾向于对数据信息进行查询、分析、管理及信息交换。

将GIS整合到BIM，使用现有和后续研发的数据采集移动终端设备，收集、上传高速公路（桥梁）检测和养护数据，再采用统一的数据标准，实现地理数据和BIM相结合，以此为基础建立应用BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理模型，实现三维可视化，并可进一步建立预防性养护决策子模型，为高速公路（桥梁）养护管理提供决策依据。该高速公路（桥梁）养护管理BIM模型的建立通过以下硬件设备实现。

（1）高速公路（桥梁）养护数据采集移动终端设备组合

高速公路养护部门的管理人员希望通过监控就能在计算机前取得高速公路（桥梁）平面线路图的同时，也能获取可视性好的三维全景实时影像资料，立体、及时、准确地掌握高速公路（桥梁）实时路况，以保障高速公路通畅。特别是可以通过三维立体影像资料能够迅速确认高速公路（桥梁）病害的具体发生位置，以便第一时间制定养护维修措施，确保高速公路（桥梁）日常的完好。

目前，代表移动测量系统（Mobile Mapping System）最新发展趋势和水平的，是高清数字摄影摄像+陀螺仪+GPS三种技术组成的移动式车载激光扫描公路（桥梁）实景信息采集技术。

该技术可以快速获取高精细的激光点云数据和数码照片，有效获取高速公路养护现场信息并建立三维场景。采用实景三维GIS系统后，可以将所途经的每千米道路、立交、桥梁、隧道、边坡、涵洞、收费站、服务区等沿线构造物、设备的相关数据都采集到GIS数据库中，通过进一步分析可以得到高速公路的车辙、平整度、横纵断面等路况信息数据和参数指标[6]。该技术应用在高速公路（桥梁）病害数据采集的总体集成方案如图1所示。

将全景影像采集设备、车载Li-DAR设备、GPS及惯导设备、数据存储及处理设备集成为移动的检测采集终端，完成采集后由后台计算机系统处理数据。

（3）高速公路平整度、车辙等病害自动检测和计算分析

在后台提取采集到的检测数据，比如车辙（RD）检测结果，按国家相关规范计算车辙深度指数（RDI）;自动计算平整度（IRI），根据《公路技术状况评定标准》对高速公路（桥梁）评定RQI值;根据Li-DAR设备的检测结果，自动识别路面坑槽、凸起、拥包、推移和沉降等路面破损病害;通过全景影像采集到但识别度不够高的摄影像，由计算机经过逻辑自动识别出路面裂缝、沉降、坑槽等病害信息，最终建立高速公路（桥梁）病害识别特征库，实现系统自动准确识别病害种类。

（4）数据处理平台

将处理好的数据结合路面正射影像、激光点云数据及精确经纬度坐标，根据高速公路（桥梁）病害特征识别库的界定，平台自动识别病害;根据平整度和车辙等的检测标准，平台自动识别路面平整度和车辙等病害;平台自动提取并使用处理好的数据建立三维全景展示图像。

2.基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理模式具体探讨

（1）基于BIM的新建高速公路（桥梁）养护管理系统

在运营阶段，BIM模型可以通过移动终端和监控设备实时采集、反馈和上传数据，实现与高速公路工程建设阶段集成的智能和可视化养护管理。基于BIM技术，养护管理系统能充分体现高速公路（桥梁）各结构物的三维空间显示、定位及数据实时更新处理的优势[7]。

养护管理基于BIM技术，通过建立设计、施工、监测和养护等数据统一的系统，使建设和养护管理成为一个延续的有机整体。主要包括以下管理内容：（1）不断更新高速公路（桥梁）各结构物、构造物等在养护计划、养护施工和养护评估等信息方面的管理;（2）BIM集成移动终端和监测系统，将结构物等尤其是桥梁的安全健康监测与养护管理相结合，实现结构物的日常基本数据、检查监测信息等一体化，对高速公路（桥梁）运营维护过程中的养护数据信息进行可视、直观、有效的监控与管理;（3）还可以将高速公路（桥梁）相关的车流量、养护资金、交通设施设备等常规信息统一整合[8]。

系统的构成主要分为三个层面：数据库、模型及功能模块[9]。

基于BIM的数据库是在建设阶段的模型数据基础上扩充得来的。在数据库中，可以根据养护管理的需要对信息资料进行合适的分类，如高速公路（桥梁）设计阶段的设计方案、可视化模型、碰撞检测信息、路橋结构信息、投资成本信息等;施工阶段的工艺信息、施工流程信息、施工组织管理信息、工期信息等;运营阶段开始后的设备管理信息、结构内力检测信息、各收费站车流量信息、结构（构筑）物维护保养信息等，这些都便于养护管理人员后续的提取和使用。数据库可以通过图表、文本等各种形式在模型中补充、修改、提取和完善，这些参数的变化可以在一定权限范围内，各方相关人员都能直观而便捷地使用。

除了从建设阶段得到的BIM竣工模型中的数据资料，养护的管理人员更关注模型数据的提取与补充完善，因此，养护管理系统还具备后续信息添加的功能。传统的高速公路养护管理特别是桥梁结构的养护方面，主要是依靠人工定期巡检，发现问题才进行养护维修，是被动化的管理方式。基于BIM的系统是在数据库信息的基础上建立起来的，是各种数据参数的三维可视化载体，特别是能够结合远程监测系统的应用，可以实时监控综合判断各种结构（构筑）物、设备等运行是否正常，这是一种主动型的养护管理模式，并且可以确保信息准确性，充分实现高速公路（桥梁）信息的持续化应用，提高运营阶段的养护管理效率。

基于BIM的功能模块建立是实现有效养护管理的基础。根据不同管理需要而设置的功能模块，可以直接将建设阶段的相关信息资料导入或转换到运营管理系统中。如交通设施养护模块、桥梁设施养护模块、公路路基养护模块、公路路面养护模块、高边坡构造物养护模块等。通过不同功能模块的应用，一方面可以实现前面说的各种数据信息的分类与存储，另一方面也便于养护管理人员在工作中将收集到的数据信息反馈、记录和存储到系统中。

（2）基于BIM的既有高速公路（桥梁）养护管理系统

高速公路（桥梁）养护管理BIM参数化建模，主要有以下几个步骤。

①根据高速公路工程项目设计及建设阶段的资料精确划分道路结构;

②准确提取高速公路工程项目平面和纵断面、桥涵构造物及其他交通附属设施的设计和建设参数;

③采用三维建模软件自动快速生成高速公路（桥梁）养护管理BIM模型，大致流程如图2所示。

首先，根据高速公路设计和建设阶段工程资料，采用建模软件创建高速公路（桥梁）养护管理BIM初步模型，然后依据高速公路建设规范组装调整模型，最后三维展现。通过高速公路设计和建设资料中的平纵设计参数 （如纬地等设计软件的平纵设计文件） 或道路逐桩坐标对照表，计算道路各桩号精确的三维坐标。最终得出的高速公路（桥梁）养护管理BIM模型包含了设计和建设数据，用户可以通过调整其中的参数，实现数据和模型的实时同步更新，使模型真实反映高速公路（桥梁）的结构、基础、桩号和附属设施等各项参数信息。

B.高速公路（桥梁）养护管理BIM模型的管理

将高速公路中道路、桥梁、基础设施等的属性信息与BIM模型相关联，通过点击BIM模型，对模型中的各种属性信息进行可视化查询，如图3所示。

3.基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理系统应用

外业的养护管理人员采用移动终端开展日常巡查。发现不同的病害后，通过移动终端一一记录、编辑并上传数据到BIM养护管理系统中的相应模块。需要上传的主要信息一般有人员名称、病害位置、病害描述、时间、照片或视频资料等[10]。养护管理系统接收到数据信息后，在相应的模型三维构件中将病害可视化体现，这种直观的病害表示方式不会因为检查人员的更换而出现命名、编码混乱等问题。内业的养护管理人员在模型中可以很便捷地掌握病害如位置、数量等的具体情况;通过软件的二次开发还可以用不同颜色区分病害的严重程度等;进一步可以在养护管理系统中制定相应的养护维修方案，养护管理部门的负责人可以根据病害的轻重缓急安排养护维修计划并启动实施流程。

养护维修工作完成后，负责的养护管理人员到现场验收，符合验收质量标准的，通过移动终端上传现场照片等资料到养护管理系统，系统自动存储验收资料及验收通过的结果。

4.基于BIM技术的高速公路（桥梁）预防性养护分析决策子系统

由前述建立的基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理系统，本部分探讨切合高速公路（桥梁）养护管理的预防性养护分析决策子系统。

不断采集完善高速公路（桥梁）的病害数据，通过建立基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理系统进行高速公路（桥梁）养护技术状况的计算、分析与评定。基于此建立的决策子系统可以提供有关路基路面、桥梁（构造物）、路产设施等评价单元的损坏情况批量录导入功能，可以按公里为单位直接更新病害明细数据;结合收集的数据，根据《公路技术状况评定标准》（JTGH20-2007）自动计算技术状况分值，提供技术状况修正、复核、审核、审定和查询高速路况和病害调查表、评定表等功能。

该决策子系统可根据养护管理部门的需求，按路线技术等级、路线车道、涵洞、交通量、养护资金来源等进行数据查询、统计、汇总、分析和计算;该决策子系统能在资金约束条件下，根据经济效益最大化原则提供某路段已优化可实施的养护工程方案;该决策子系统进一步还可以分别制定高速公路（桥梁）的日常养护、中修和大修等不同层级的详细预算，为养护管理部门申请合理的养护资金，提供科学依据。

5.基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理系统优势

基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理模式，有以下几个方面的优点：（1）便捷构建结构有序化的养护技术数据资料库;（2）便捷而准确地统计、计算养护工程量及成本资金的使用情况[11];（3）在第（2）点的基础上便于养护维修工程方案的制定及实施决策;（4）养护维修过程及结果的直观可视化展示;（5）应用系统的可视化及模拟功能还可以优化灾害应急抢险预案。

三、结语

文章探讨通过数据采集移动终端设备提供高速公路（桥梁）养护技术状况评定所需的各种数据资料，基于BIM技术将高速公路（桥梁）基础结构设施三维模型、结构设施资料、数据库管理、运行参数、保养周期等相关联，建立基于BIM技术的高速公路（桥梁）养护管理系统，并探讨据此建立预防性养护分析决策子系统，为高速公路（桥梁）养护管理提供决策依据，探索新的养护管理思路和应用方向。

[参考文献]

[1]沈海华.基于BIM的桥梁养护管理研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[2]项海帆.21世纪世界桥梁工程的展望[J].土木工程学报，2000（3）.

[3]汪彬.建筑信息模型BIM在桥梁工程上的应用研究[D].南京：东南大学，2015.

[4]魏建峰.业主基于BIM技术的建设工程全生命周期项目管理研究[D].大连：大连理工大学，2016.

[5]王达.BIM技术在桥梁全生命周期中的应用研究[D].长春：吉林大学，2018.

[6]刘玲，孟庆昕，刘晓东.基于BIM+GIS技术的公路预防性养护研究[J].公路交通科技（应用技术版），2015（4）.

[7]李海荣.高速公路全寿命周期BIM标准模型构建与应用研究[D].西安：长安大学，2017.

[8]宋子婧.公路桥梁建养一體化信息管理研究[D]. 南京：东南大学，2015.

[9]李亚君.BIM技术在桥梁工程运营阶段的应用研究[D].重庆：重庆交通大学，2015.

[10]张忻.BIM在高架桥管养项目中的应用[D].成都：西南交通大学，2015.

[11]周红波.BIM技术在既有桥梁运维管理中的应用[J].建筑经济，2016（12）.

[作者简介]黄程远（1982-），男，广西钦州人，广西广播电视大学基建处工程师，硕士，研究方向：土建工程与管理;邓艳（1979-），男，广西南宁人，广西广播电视大学基建处高级工程师，硕士，研究方向：建筑电气工程与管理;黄庆祥（1991-），男，湖南宁乡人，广西广播电视大学基建处助理工程师，研究方向：土建工程施工技术与管理。

[责任编辑 韦 臻]