基于BIM技術(shù)的高速公路運(yùn)維管理研究

劉盼盼

摘 要：高速公路一直以來是我國基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，其中高速公路的運(yùn)維管理是運(yùn)營階段的基礎(chǔ)保障，而基于BIM技術(shù)的高速公路運(yùn)維管理研究，是在我國公路交通行業(yè)數(shù)字化發(fā)展大背景下的新興技術(shù)，是一種高效的項(xiàng)目管理工具。通過分析當(dāng)前高速公路運(yùn)維管理階段的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有BIM技術(shù)的可視化、數(shù)字化和模擬化的特點(diǎn)，根據(jù)兩階段施工設(shè)計(jì)圖和實(shí)地概況，從蘭海高速公路臨洮至渭源段三維建模應(yīng)用分析、實(shí)現(xiàn)各模塊的信息管理、采用BIM技術(shù)+智慧圖紙的共享應(yīng)用模式、可視化交通流量動(dòng)態(tài)模擬和深化設(shè)計(jì)等方面著手研究，進(jìn)一步優(yōu)化高速公路全生命周期主線左右幅、附屬基礎(chǔ)、通道、橋涵、隧道和標(biāo)志標(biāo)線的運(yùn)維管理模式，改善在高速公路運(yùn)維管理過程中以人工為主的檢查、巡視和維護(hù)的傳統(tǒng)模式，來提高運(yùn)維管理效率，節(jié)約人力物料，也為全國高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展和運(yùn)維管理提供參考性的創(chuàng)新和見解。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù) 運(yùn)維管理 智能模擬 高速公路 可行性方案

1 引言

蘭州至?？诟咚俟泛喎Q蘭海高速公路（代號：G75），是連接甘肅省蘭州市和海南省?？谑械母咚俟?，起于甘肅省蘭州市七里河區(qū)晏家坪東街，終于海南省?？谑行阌^(qū)?？诟?，全長2570公里，是一條縱貫中國西部地區(qū)南北兩端的重要國家高速公路，途經(jīng)蘭州-臨洮-渭源-隴南-廣元-南充-武勝-重慶-綦江-遵義-貴陽-都勻-河池-南寧-欽州-北海-湛江-?？诘瘸鞘衃1]。

蘭海高速公路臨洮至渭源段，起于臨洮縣曹家溝，順接蘭臨高速公路，位于黃土高原區(qū)隴中《隴西》黃高原亞區(qū)，地處隴西黃土高原西南邊緣的跳河、渭河分水嶺，縱跨黃河流域，地勢西北高東南低，地形相對復(fù)雜，有山梁、溝谷、川臺地。途經(jīng)玉井、會(huì)川，止于渭源縣路園鎮(zhèn)，全長62.666公里，主要涉及的設(shè)施有橋梁、隧道、通道橋、涵洞、邊坡、排水溝和標(biāo)志標(biāo)線等。是蘭州至海口國家高速公路的重要組成路段，是蘭州市的又一東出口公路，是建設(shè)國家高速公路網(wǎng)和實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的需要，也是鞏固甘肅中部貧困地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)，加速小康和諧社會(huì)建設(shè)的需要，推動(dòng)甘肅旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)馬鈴薯、中藥材等區(qū)域資源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的轉(zhuǎn)化的需要[2]。

2 BIM技術(shù)概念和內(nèi)涵

BIM作為一種數(shù)據(jù)化工具由Autodesk公司提出，能將建筑信息綜合集成起來，在建筑工程的設(shè)計(jì)和管理等方面發(fā)揮出巨大的作用，可以在工程項(xiàng)目整個(gè)生命周期中將相關(guān)數(shù)據(jù)互相傳遞和共享，為項(xiàng)目參與人員更加了解和應(yīng)用項(xiàng)目中的各種信息。BIM技術(shù)即建筑信息模型（Building Information Modeling），這種建筑模型是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)有關(guān)信息作為模型并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行建筑模型建設(shè)。這類模型其實(shí)質(zhì)就是利用數(shù)字信息來進(jìn)行仿真，模仿建筑物建設(shè)過程，并模擬其中的相關(guān)確定的信息，這類建筑模型具有可視化、可調(diào)整、可模擬、可優(yōu)化和可出圖這五個(gè)特性。

當(dāng)前，國內(nèi)BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，從施工設(shè)計(jì)到建筑過程，再到智能模擬，每一個(gè)階段都是在不斷成熟的過程。隨著中國式現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，大數(shù)據(jù)時(shí)代也將進(jìn)入斑斕的快節(jié)奏，但對于BIM技術(shù)在高速公路運(yùn)維管理的應(yīng)用卻相對缺乏，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也較少，這樣的現(xiàn)狀不利于高速公路運(yùn)維管理的創(chuàng)新發(fā)展，阻礙BIM技術(shù)生根于高速公路運(yùn)維管理行業(yè)，對此基于BIM技術(shù)的高速公路運(yùn)維管理研究顯得尤為重要。

3 研究思路

針對高速公路運(yùn)維管理研究，以高速公路可視化、數(shù)字化和模擬化為研究理念。主要包含的項(xiàng)目有路基工程、橋涵工程、白塔大橋487.5m/1座和渭源隧道994m/1座。比如在路基工程項(xiàng)目中采用雙向四車道的形式，平曲線最小半徑700米，最短坡長400米，最大縱坡4%等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建蘭海高速公路臨洮至渭源段三維模型，而在創(chuàng)建模型過程中主要涉及到的軟件模塊有地形創(chuàng)建模塊、三維建模模塊和動(dòng)態(tài)漫游模塊。從地形的創(chuàng)建到三維模型的繪制，到項(xiàng)目模塊信息化管理和深化設(shè)計(jì)，再到動(dòng)態(tài)可視化模擬，貫穿于整個(gè)全生命項(xiàng)目建筑周期，為本文所研究的主要內(nèi)容提供理論依據(jù)，將研究理念和設(shè)計(jì)成果有效結(jié)合，以不同的角度層次敘述高速公路運(yùn)維管理可行性方案。

4 BIM技術(shù)在高速公路運(yùn)維管理中的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用BIM技術(shù)創(chuàng)建高速公路三維可視化模型

在高速公路建模之初，拍攝衛(wèi)星圖，應(yīng)用地形繪制軟件導(dǎo)出自然高程和設(shè)計(jì)高程，從而生成三維地形曲面，真實(shí)反映該地區(qū)的地形概況，再依據(jù)兩階段施工設(shè)計(jì)圖提取所需建模參數(shù)，包括交點(diǎn)樁號，轉(zhuǎn)彎半徑，圓、緩和曲線、直線段長以及緩和曲線參數(shù)。利用路易2022—BIM道路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的道路設(shè)計(jì)功能，設(shè)置建模參數(shù)，并采用曲線法完成路線設(shè)計(jì)，再轉(zhuǎn)換成3D模式即可生成過路基、路塹和半填半挖的路基，后續(xù)的附屬基礎(chǔ)、通道、橋涵、隧道和標(biāo)志標(biāo)線都將以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建。

在創(chuàng)建的線路基礎(chǔ)上，依據(jù)兩階段施工設(shè)計(jì)圖所包含橋梁、隧道、通道橋、涵洞和標(biāo)志標(biāo)線的尺寸參數(shù)，在路易2022—BIM道路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的附屬設(shè)施功能區(qū)依次創(chuàng)建，生成與實(shí)況高速公路等觀的三位可視化模型，同時(shí)增設(shè)與研究內(nèi)容關(guān)聯(lián)的車型、時(shí)速和車流量、各種警示牌和標(biāo)志標(biāo)線，為后期的可視化運(yùn)維管理研究、模塊化信息管理、深化設(shè)計(jì)、交通流量模擬和BIM技術(shù)+智慧圖紙共享應(yīng)用的研究提供技術(shù)支持和應(yīng)用分析[4]。

通過本文所闡述的研究理念與三位可視化模型以及智能動(dòng)態(tài)模擬作對比，能更直觀清楚BIM技術(shù)在高速公路運(yùn)維管理階段的實(shí)用性，進(jìn)一步推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用到公路交通行業(yè)。

4.2 應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速公路的信息管理

在應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)各模塊的信息管理中，以蘭海高速公路臨洮至渭源段白塔大橋?yàn)槔?。依?jù)兩階段施工設(shè)計(jì)圖中所包含的橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而創(chuàng)建等觀的三維可視化模型，該模型將以數(shù)字形式保存于路易2022-BIM道路設(shè)計(jì)系統(tǒng)移動(dòng)終端，也可以隨時(shí)共享給其他相關(guān)工作人員，見圖1。

在高速公路橋梁監(jiān)測評估方面，主要包括橋梁結(jié)構(gòu)、材料和承載能力的檢查，經(jīng)過對橋梁結(jié)構(gòu)的紅外線位移目測和超聲波探測檢查之后，通過橋梁三維可視化模型的各項(xiàng)參數(shù)來評估橋梁是否受重力而結(jié)構(gòu)變形，能有效提高項(xiàng)目的整體管理水平，其三維可視化的查看形式，能有效避免復(fù)查二維平面圖復(fù)雜難懂的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步優(yōu)化大量數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確度和信息調(diào)度耗時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架，為高速公路橋梁設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營等綜合管控系統(tǒng)的推進(jìn)提供幫助，保障高速公路橋梁運(yùn)維管理的長期穩(wěn)定使用。

在橋梁定期巡檢匯報(bào)方面，汛期中需要對橋梁進(jìn)行定期巡檢，來觀測橋梁整體狀態(tài)，以及周邊環(huán)境安全。而在橋梁巡檢后的總結(jié)匯報(bào)中，可以應(yīng)用三維可視化模型和周邊地形曲面概況的三維立體查看功能，更加清楚展示橋梁整體結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的平穩(wěn)狀態(tài)，彌補(bǔ)文字論述和照片取景的不足。

4.3 應(yīng)用BIM技術(shù)模擬高速公路交通流量

BIM技術(shù)模擬車流量是一種非常具有前景的應(yīng)用，比傳統(tǒng)利用公式計(jì)算車流量更具有智能性和準(zhǔn)確性。當(dāng)蘭海高速公路臨洮至渭源段三位可視化模型創(chuàng)建完成之后，即可繪制道路各種標(biāo)志標(biāo)線和警示牌，再應(yīng)用路易2022—BIM道路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交通流量功能放置不同的車型、時(shí)速和安全間距，以此來模擬車流量，從而更加直觀體現(xiàn)高速公路的擁堵情況，以及判斷連續(xù)下坡和轉(zhuǎn)彎時(shí)的車輛狀態(tài)，以此來科學(xué)合理設(shè)置各種警示牌，幫助交通運(yùn)營部門更加準(zhǔn)確的制定交通計(jì)劃和交通管理[5]。

另一方面，應(yīng)用BIM技術(shù)的車流量模擬功能，還可以通過數(shù)字化的方式展示高速公路水平面的高度差和其他立體空間信息，這樣公路護(hù)養(yǎng)單位就可以根據(jù)高度差數(shù)據(jù)和其他公路立體空間信息來改善高速公路平順度，以不斷提升駕駛?cè)藛T的體驗(yàn)感，提高高速公路通行效率。

4.4 應(yīng)用BIM技術(shù)深化高速公路設(shè)施設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)是本文研究地形曲面土方檢算的基礎(chǔ)，從地形圖自然高程和設(shè)計(jì)高程的創(chuàng)建，到橋梁周圍汛期安全環(huán)境的卡控，都是深化設(shè)計(jì)的運(yùn)維管理理念。利用繪制的地形圖不僅可以直觀地形全貌，還可以對特殊路段邊坡土方的體量進(jìn)行計(jì)算，分析土方在重力與下表層摩擦力的平衡狀態(tài)，判斷路段邊坡在汛期降雨增多導(dǎo)致滑坡的可能性，避免災(zāi)害事故的發(fā)生。

在高速公路運(yùn)維管理方面，采用BIM技術(shù)+智慧圖紙式共享應(yīng)用能在定期業(yè)務(wù)培訓(xùn)和工作等方面提供便利。將三維可視化模型生成全方位動(dòng)態(tài)圖，以二維碼或者軟件發(fā)送的形式分享給其他相關(guān)工作人員，這樣就可以不用到現(xiàn)場碰面實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交流；在高速公路運(yùn)營單位定期業(yè)務(wù)培訓(xùn)中，為了提高業(yè)務(wù)培訓(xùn)的質(zhì)量，采用BIM技術(shù)+智慧圖紙的模式，這樣就可以把現(xiàn)場項(xiàng)目數(shù)據(jù)和培訓(xùn)內(nèi)容有效結(jié)合，有助于理解培訓(xùn)的內(nèi)容，提高從業(yè)人員的業(yè)務(wù)技能水平[6]。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）充分利用BIM技術(shù)的可視化特點(diǎn)，將蘭海高速公路臨洮至渭源概況以三維的形式展示出來，通過建筑模型信息參數(shù)，工作人員在室內(nèi)或者外地出差就能通過手機(jī)或電腦共享的三維畫面全面核查項(xiàng)目中各橋梁、隧道和涵洞等建筑設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)是否異常，也能防止重要信息資料的丟失。同時(shí)，借助三維功能對建筑設(shè)施內(nèi)部隱蔽工程的配筋、結(jié)構(gòu)斷面形式和材料屬性進(jìn)行驗(yàn)查，用來判定建筑結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變形，見圖2。

（2）在高速公路涉及到車流量、標(biāo)志標(biāo)線和標(biāo)識牌等規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，利用BIM技術(shù)的動(dòng)態(tài)模擬功能，能有效彌補(bǔ)二維圖紙和文字公式在模擬分析方面的不足。在蘭海高速公路臨洮至渭源段三維模型的基礎(chǔ)上放置標(biāo)志標(biāo)線以及放置不同時(shí)速和車型的車輛來模擬運(yùn)營時(shí)的高速公路通行能力，通過觀察連續(xù)下坡、轉(zhuǎn)彎和隧道橋梁的通行狀態(tài)，來制定科學(xué)合理的標(biāo)志標(biāo)線、標(biāo)識牌和設(shè)計(jì)時(shí)速。

（3）利用BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能對路段周邊的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)加以管控和預(yù)估，尤其在汛期來臨時(shí)，路基坡腳區(qū)域由于植被缺乏容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，而利用BIM技術(shù)的土方體量驗(yàn)算功能，就可以智能分析土方重力大小與下表層土摩擦力的平衡狀態(tài)，提前預(yù)防滑坡事故的發(fā)生，制定預(yù)防方案，也可以對周邊區(qū)域作規(guī)劃設(shè)計(jì)，避免擅自超限開發(fā)從而影響路基穩(wěn)定，發(fā)生塌方事件。

6 總結(jié)語

本文以可視化和智能化為研究理念，基于BIM技術(shù)從三維建模分析、模塊化信息管理、采用BIM技術(shù)+智慧圖紙的共享應(yīng)用模式、以及車流量動(dòng)態(tài)模擬和深化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行論述。在研究過程中應(yīng)用動(dòng)態(tài)模擬分析，利用現(xiàn)有技術(shù)支持，以及采用類比推理的方法，充分驗(yàn)證BIM技術(shù)在高速公路可視化運(yùn)維管理的可行性，也將進(jìn)一步推廣BIM技術(shù)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用，推進(jìn)全國高速公路網(wǎng)運(yùn)維管理高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李沖.BIM技術(shù)在公路工程管理中的應(yīng)用[J].交通世界，2016（17）：94-95.

[2]劉輝.基于BIM技術(shù)的高速公路施工安全管理分析[J].交通世界，2016（20）：114-115.

[3]徐高豐，曾娟.BIM技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].交通世界，2018（33）：80-82.

[4]張萬庭.基于BIM技術(shù)的公路路線設(shè)計(jì)分析[J].人民交通，2018（11）.

[5]李金龍，王欣南，陳中治，望開潘.BIM技術(shù)在公路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用淺析[J].低溫建筑技術(shù)，2019，41（02）：67-69.

[6]張小龍.基于BIM的公路勘察設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究[J].交通世界，2018（24）：20-21.