基于BIM技术的公路养护管理系统应用研究

郑 凤

（福建船政交通职业学院 土木工程学院，福建 福州 350007）

现阶段我国公路建设经过一段快速发展时期后，全国公路网已形成。截至2021年末，我国公路总里程达到528万公里，其中公路养护里程达525.19万公里，占公路总里程99.4%。公路建成通车后即进入养护阶段，随着使用年限的增加和逐年加大的交通量以及人为环境等因素的综合作用，公路出现不同程度的损坏和病害，路用性能逐渐衰减，相关养护部门的管养工作量也随之与日俱增。如何改变传统管养模式，提高公路管养工作效率，全面提升公路养护信息化管理水平已成为亟待解决的问题。

1 当前公路养护管理现状

目前公路养护管理中主要存在以下几个突出问题：（1）我国公路养护总量大，养护费用呈逐年递增的趋势，如何科学化决策和管理，提高决策体系的准确性和高效性，减少不必要人力、物力和资源浪费已迫在眉睫。（2）当前公路养护工作还处于被动管理模式，日常工作主要是修补道路病害、更换更新道路设施等，本质上还属于消极防御型养护。对公路病害状况进行评估时，还大多依赖工程师个人经验判断，“传统经验法”做出决策，无法解决效率、成本等方面的问题。（3）传统的养护管理模式中，设计、施工、建设、运维各阶段不同主体收集不同信息，无法实时共享，相互间信息传递也只停留在二维图纸、施工记录等纸面资料上，因此造成“信息孤岛”情况[1]。这使得养护管理成为单独运作部分，在可靠性和时效性方面存在很大不足。

2 国内公路养护中BIM技术的应用现状

BIM（Building Information Modeling）不仅是一种技术、工具和方法，更是一种管理理念。BIM技术是贯穿在项目全寿命周期内，可以将寿命周期各个阶段产生和收集的信息进行整合、传递和共享的一个过程，即实现信息构建、传递和应用过程的一种技术。BIM应用在公路行业中，就是可以将公路及沿线设施的地理信息、几何线形、功能状态等实现三维可视化呈现。项目在勘测、设计、施工、运营和养护的每个阶段都可以建立各自的信息模型，并且不同参与者都可以在模型中进行数据添加、补充、提取、修改和更新，从而达到数据共享、协同作业的效果。

BIM技术在国内建筑行业应用较多，在公路行业应用目前主要集中在设计和施工阶段，且效果较好。但BIM在公路养护管理中应用仍处于试点和应用推广阶段。北京、上海、浙江、江苏等地区先后对一些重点的养护工程项目开展了BIM技术示范性应用，但总体上缺少对基于BIM技术的公路养护的系统性研究；日常道路基础设施养护、运维、管理中较少应用到BIM技术；BIM在道路养护中应用价值的认识还有待提高。团队对福建省公路养护管理中BIM应用情况进行市场调研统计后显示，50%左右的养护单位对BIM在养护中的应用开展了不同程度的探索，但主要都集中在BIM模型构建、三维可视化应用和道路检测等方面[2]。搭建BIM信息化管理平台占8%；在养护大中修工程中采用BIM技术进行模型构建占10%；BIM在养护决策、效果评价和应急处置等方面的应用几乎为零；目前BIM在道路养护中的应用深度和广度还远远不够。

BIM技术未来在公路养护管理中应用前景相当广阔。现阶段，养护管理中的日常巡查、大中小修与保养工程、养护施工组织模拟、道路状态评定、制定养护对策、养护工程后评价、道路病害检测、信息数据采集等方面都体现了对BIM的应用需求，但大多都属于应用探索和技术攻坚阶段。

3 基于BIM技术的养护管理系统的创新优化

基于上述公路养护管理现状及公路养护管理中对BIM的需求分析，文章试从BIM技术在公路养护的数据采集、参数化建模、日常巡检监测、建立决策系统、应急模拟、安全监控、信息化管理等模块展开应用研究，拟构建公路养护管理系统。通过养护管理模式的创新优化达到提升管理决策水平，节省养护费用和提高养护效率的目的。

3.1 GIS+BIM的养护管理数据采集系统

GIS（地理信息系统）是将构造物之外的环境数据进行统一化管理的系统。GIS技术的外形测量和尺寸测量能够获取三维空间下的外壳，BIM技术的数据管理功能可以填补空缺的内部信息资料。GIS+BIM技术，就是利用数据采集移动终端设备采集并上传各类检测和养护数据，再结合系统中统一的数据标准，建立一套完整的公路养护管理模型。除了可以完成三维可视化以外，还可以辅助建立养护决策模型，为公路养护管理提供决策依据。

公路管养机构想要及时、准确地把握公路的实时路况信息，获取立体三维全景实时影像资料，首先要利用“高清数字摄影摄像+陀螺仪+GPS技术”构建养护管理数据移动采集终端，对公路实景进行信息采集。其次选用全景影像采集设备、车载Li-DAR设备、GPS及惯导设备、数据存储及处理设备等，建立移动的检测采集终端。采集完成后交由后台计算机系统进行数据的处理加工。后台将提取采集的检测数据与数据库中相关的规范标准进行比对分析后，自动准确识别出各类病害。最后将所有已经处理完毕的数据与当下路面的正射影像相结合，平台自动识别路面所存在的病害问题，并根据所收集的数据构建完成的三维立体图像。

3.2 BIM参数化建模

参数化建模可以使公路养护管理工作更具直观性。依据项目设计和施工阶段的相关资料通过建模软件可以完成道路结构的划分，同时BIM模型中还包含该公路项目的平面、纵横面、桥涵构造物、各类交通附属设施的设计和建设参数。用户使用过程中可以通过调整BIM模型中的各类参数来实现模型和数据的同步更新。通过点击模型，也可实时对模型中的属性信息进行可视化查询。

模型的使用管理也是非常重要工作。工程项目的各个阶段存在许多格式不相同的数据，为保证将各阶段不同类型的数据成功导入到数据系统中，要设置成可定义的数据导入接口，形成相互关联的文件系统，建立完整的BIM模型数据库。另外，模型中应具备添加功能。养护管理人员在日常巡查中一旦发现病害，都可以通过移动终端将相关的信息上传到系统中，并快速形成可视化三维全景模型[3]。养护人员可以在模型中寻找病害位置，判别病害的等级并制定相应的养护维修方案。BIM技术还可以应用在病害建模中，将病害数据录入后通过软件操作形成基于病害参数化模型，如图1所示。通过对破损的参数更改实现模型的变化或生成新的模型，利用检测数据快速生成路面病害模型。

图1 病害参数化建模示例图

3.3 GIS+BIM+IOT日常巡检监测系统

基于BIM+GIS技术的日常移动巡查系统主要是外业养护人员利用移动终端来完成日常巡查工作。养护人员不仅可以用移动终端直接查看道路桥梁的BIM模型，查询道路桥梁构件信息、养护维修信息等；而且还可以通过移动终端对现场采集的信息进行上传、对比、推送和向相关责任人进行任务发布等，做到快速查看历史数据和信息的及时上报。在现场发现病害后，可用移动终端编辑上传病害位置、类别、病害描述、照片、视频等至管理系统相应模块中。系统接收到信息后，就会形成病害的三维可视化模型。这种直观的方式可以更快捷更准确地定位病害位置、病害的数量、严重程度等，帮助养护人员及时准确制订相应的养护方案，有效降低养护的成本、大大提高了工作效率。

BIM模型结合道路、桥隧上的视频监控系统，将海量的高清视频与BIM模型在三维空间上进行标注和融合；再结合道路桥隧上安装的传感器模块获取的数据，就可实现可视化、数据化、实景融合的一体化监测系统。在传感器布置密集的桥梁上，传统的监测系统无法定位传感器的准确位置。针对这个问题引入了GIS+BIM技术，桥梁构件和传感器位置之间实现了绑定关联，意味着监测数据与检测数据、桥梁构件养护历史等关键信息之间的关联。当监测数据超出预先设定的阈值或者出现异常状况时，立即启动预警系统，向平台或者相关责任人推送报警信息。通过GIS+BIM+IOT技术拓展了监测系统的应用范围，为桥梁全生命周期的养护维修提供可靠的数据载体[4]。

3.4 BIM构建道路养护决策分析系统

道路养护决策系统设立了不同评价单元的损坏状况批量导入的功能，通过这个功能采集病害的数据信息。再依据《公路技术状况评定标准》（JTGH20－2007），系统自动计算出公路的技术状况分值。系统还设置了技术状况修正、审核、公路路况查询以及病害调查、评定等功能。

该决策系统依据经济效益最大化原则，根据各单位年度的养护资金预算，制定养护资金的分配方案，可将养护资金分配到最需要的路段上。对养护时机、养护方案的选择提出可靠性意见；系统基于线性规划法，净现值、收益率等经济分析方法对多方案进行优化比选[5]。系统根据需求分析或优化决策结果，自动生成养护工程计划。用户可以在系统生成的养护计划上进行适当的人工调整，使养护计划更具实际可行性。该系统还可以编制公路桥梁的大修、中修、日常小修保养的预算计划，为养护部门制订养护计划提供科学合理地依据。

3.5 基于BIM的应急预案模拟

通过参数化方式建立起的三维可视化模型，能够更直观地呈现现场环境。包括周边环境、起火点、楼梯及安全通道的位置、管道设备的位置等，犹如在真实的环境中进行模拟演练。相关单位可以根据制订的应急预案与处置要求，利用该模型开展各类的应急事件的模拟与分析。在发生突发事件时，通过现场设置的监控摄像头、监测传感装置、人工报警系统等传输回的位置信息，在BIM模型中即可展示事件发生的具体位置、附近的关键结构、设备信息等，并启动相应的应急预案。通过应急预案的模拟，可以更好地规划逃生路径、优化应急通道、推演应急处置等。除此之外，对已发生的应急事件和处置过程用模型进行复盘分析后，可以改进处置措施中存在的遗漏或不足、优化应急方案，提高应急救援能力，更科学的制定应急处置方案。

3.6 BIM+实景视频的安全监控系统

BIM+实景视频的安全监控系统是通过虚实结合技术来还原真实路况。将道路、桥隧上布设的监控摄像头传输来的海量高清视频与BIM模型在三维空间中进行融合和标注，再结合传感器获取的数据，就可实现可视化、数据化、实景融合的一体化监控系统。这一安全监控系统可以更加精准地定位，解决了传统监控中视频碎片化、空间关联差等问题；实现了全景视频巡逻，可以同时提供多个区域连续、直观的监控，方便概览全局；提高了应急响应的能力，监控系统和运营管理数据平台实现联动，为监管人员快速处理突发事故提供了强有力的技术支持。

3.7 BIM技术的养护信息化管理

构建养护综合管理BIM协同管理平台，就是将设计、施工、监理、运营、养护各阶段的信息在一个平台上共享，并结合物联网技术实现数据的深度融合，全面推进基于BIM的养护信息化管理。通过BIM协同管理平台，接入物联网监测数据信息，养护人员巡查中移动终端采集信息通过指定窗口录入系统，与此同时，将养护中使用的机械设备进场信息、设备操作规程、特种设备证书、维修保养细则等导入相关数据库[6]。养护管理人员、班组作业人员等劳务管理方面也纳入信息化平台管理中。通过构建一体化集成管理平台，实现信息跟踪反馈、集成决策、综合管控、信息发布、养护方案优化决策，应急救援等。

4 结语

综上所述，文章在调研和分析了国内公路养护中BIM技术应用需求的基础上，针对传统养护管理模式中存在的“被动管理”“个人经验”“信息孤岛”等问题，研究构建基于BIM技术的养护管理平台。通过平台整合现有检查、检测和监测数据，同时开发移动端信息采集系统，直接上传日常巡视检查数据，打破“信息孤岛”的壁垒。利用管理平台数据整合功能和BIM可视化功能实现养护管理中的病害分析和建模、日常巡检监测、养护决策和应急模拟，实现公路养护管理现代化、科学化和智能化[7]。构建基于BIM技术的公路养护管理系统，为进一步探索与推动BIM在养护中的应用提供借鉴。