伍朝輝，李 青，朱 琳，王 亮，李賢統(tǒng),，魏從洋

（1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.上海市道路運輸管理局，上海 200011；3.北京交通大學，北京 100044）

0 引言

目前，我國道路設施已經進入“建養(yǎng)并重”的時期，但存在道路設施管養(yǎng)部門缺少設計、施工數(shù)據(jù)，工程建設與運維技術參數(shù)不統(tǒng)一，建設與運營階段信息傳遞不通暢等問題。面對大量日益老化的道路，需要更好的信息化工具為道路設施運營提供長久支持。建筑信息建模（Building Information Modeling,BIM）技術[1]的快速發(fā)展與應用為道路設施建、管、養(yǎng)、運信息的一體化管理帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。

目前，BIM 技術在道路設施規(guī)劃、設計和建設階段，已經具備支撐工程實際應用的能力，但受限于價值體現(xiàn)周期過長、政策要求不明確、養(yǎng)護資金緊張、使用習慣差異等因素，BIM 技術在道路設施養(yǎng)護和運營中的應用還屬于初期階段，建、管、養(yǎng)、運的數(shù)據(jù)壁壘還沒有被打破，BIM技術在養(yǎng)護管理中的價值還沒有得到有效發(fā)揮。

近年來，我國路面養(yǎng)護的機械化程度不斷提高，新機械、新工藝、新材料不斷應用于養(yǎng)護工程中，道路養(yǎng)護管理單位也越來越認識到BIM 在道路設施養(yǎng)護應用中的重要性，以科研項目、工程試點、技術研發(fā)等多種方式開展了BIM 應用于道路養(yǎng)護的探索，取得了一定的成果，但仍存在一些問題亟待解決：（1）缺少對道路設施養(yǎng)護中BIM 應用需求的系統(tǒng)梳理；（2）對BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用內容分析不夠深入；（3）缺少BIM在道路設施養(yǎng)護中的應用范例。

針對以上問題，本文在綜述國內外關于BIM在道路設施養(yǎng)護中的應用現(xiàn)狀的基礎上，對道路設施養(yǎng)護的業(yè)務特征和對BIM 的應用需求進行了分析，重點討論了BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用目標與內容，最后結合作者所在研究團隊的技術積累，對BIM 在道路設施養(yǎng)護中的創(chuàng)新應用示例進行了闡述，提出了BIM應用創(chuàng)新的重點方向。

1 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 國外道路設施養(yǎng)護中BIM的應用現(xiàn)狀

以美國、英國、日本和北歐國家為例，對國外道路設施養(yǎng)護中BIM 的應用現(xiàn)狀進行分析。在美國，BIM 技術的推廣是以獲得經濟效益和社會效益為目標[2-4]，利用市場經濟的試錯功能對技術進行優(yōu)勝劣汰，特點是試點多、總結多，謹慎推進，市場主導與政策保障相結合。在英國，不僅頒布了有關于BIM 的各項規(guī)定，制定了相應標準[5-6]，而且出臺了強制性政策，明確了以減少重復性工作、提高設計效率、節(jié)省工期、降低總體項目管理成本為BIM 應用的核心目標。處于老齡化社會的日本，大多數(shù)企業(yè)沒有制定關于BIM 的制度[7]，當業(yè)主強制要求在工程中使用BIM 時，為符合項目合約，通常會采用人力派遣、工程外包的方式來降低企業(yè)風險[8]。挪威、丹麥、瑞典、冰島和芬蘭等北歐國家，雖然政府部門并未強制要求使用BIM[9-11]，但由于當?shù)貧夂驐l件特殊以及擁有先進的BIM 軟件，BIM 技術的發(fā)展主要是企業(yè)的自覺行為。綜上所述，部分發(fā)達國家和地區(qū)對BIM的應用現(xiàn)狀對比如表1所示。

表1 部分國家和地區(qū)BIM應用現(xiàn)狀對比

1.2 國內道路設施養(yǎng)護中BIM的應用現(xiàn)狀

BIM 技術在工程全生命周期中的價值引起國內越來越多道路養(yǎng)護單位的重視，進而對BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用進行了不同程度的探索。下面以北京、上海、江蘇、浙江、重慶為例，對不同省市的BIM應用現(xiàn)狀進行分析。

北京市以運營集團、公聯(lián)公司為代表的養(yǎng)護作業(yè)單位對道路、橋梁大中修工程等不同類型的對象開展了BIM 示范應用[12-13]，并重視基于BIM的養(yǎng)護管理平臺的開發(fā)，但對基于BIM 的道路設施養(yǎng)護的系統(tǒng)性研究和指導意見還較少。上海市BIM 技術的發(fā)展與應用的基礎較好，政策支持也走到了全國的前列[14-16]，在浙江路橋大修、G320公路（金山大橋—區(qū)界）改建、延安東路隧道大修等[17]一些重要的養(yǎng)護工程中積極采用BIM 技術，但在日常道路基礎設施養(yǎng)護、運維、管理中采用BIM 技術的較少。江蘇省發(fā)布了《BIM 應用實施意見》[18]和首個公路行業(yè)BIM 地方標準[19]，明確了“試點應用、拓展應用、集成應用”的3 年行動計劃，旨在充分發(fā)揮企業(yè)主體作用，利用市場力量推動BIM 技術的推廣應用，為“蘇式養(yǎng)護”的創(chuàng)新發(fā)展提供動能與契機。浙江省道路設施建設基礎較好，以樂清灣跨海大橋、甌江北口大橋、金華山隧道、富翅門大橋等重點工程[20-21]為代表，BIM 技術在設計、施工階段的應用取得了較好的效果，但BIM 應用于道路設施養(yǎng)護的示范工程和政策支持較少。重慶市對BIM 應用的政策支持和指導在全國處于前列[22-23]，但交通基礎設施的BIM 應用仍處于試點探索階段[24]，公路養(yǎng)護單位對BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用價值認識還不足。我國部分省市道路設施養(yǎng)護中的BIM 應用現(xiàn)狀對比如表2所示。

表2 國內部分省市道路設施養(yǎng)護中的BIM應用現(xiàn)狀對比

綜合分析以上國內外關于BIM 的政策可以看出，與我國相比，除日本外，其他幾個國家的BIM 標準化程度較高、推廣力度較大、指導操作性較強，對BIM 技術在不同工程的不同階段應用提出了要求和可供遵循的標準，有利于BIM 技術的快速應用與推廣。BIM 技術在道路設施養(yǎng)護管理中的應用前景廣闊，但現(xiàn)階段仍處于廣泛試點與應用推廣階段。關于BIM 在道路設施運營養(yǎng)護管理中的應用，美國、英國已經有成熟的案例，但日本及北歐國家目前尚處在大中修工程的設計、施工階段試點，從全球來看，BIM 在道路基礎設施養(yǎng)護管理中的應用仍處于深入研究和試點示范階段，我國在這一領域與國際領先國家處于并跑階段。

1.3 BIM養(yǎng)護應用現(xiàn)狀問卷調研

筆者所在研究團隊對BIM 在國內道路設施養(yǎng)護中的應用現(xiàn)狀進行了問卷調研，調研對象為國內各省市從事道路設施養(yǎng)護或交通信息化工作的管理人員與技術人員等，調研內容為已有養(yǎng)護信息化平臺及新建、在役、改擴建工程中BIM 應用情況，共回收有效問卷38份。問卷調查結果如圖1 所示：50%的調研者所在單位沒有養(yǎng)護信息化平臺或平臺沒有涉及BIM 的應用；50%的調研者所在單位養(yǎng)護信息化平臺涉及到了BIM，但使用良好的只有13.16%。這一數(shù)據(jù)表明，目前BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用前景廣闊，但其與養(yǎng)護業(yè)務的融合有待加深。

圖1 單位已有養(yǎng)護信息化平臺情況

對于新建道路設施，近5年BIM 應用在設計、施工階段的工程達到68.42%，但數(shù)字化交付至養(yǎng)護單位的只占13.15%，其中同步移交BIM 模型和管理平臺的僅有7.89%，如圖2 所示。這一結果與采用其他調研方式得到的結果一致：目前BIM在道路設施工程中的應用大多集中在設計、施工階段，只有少部分進行了數(shù)字化交付至養(yǎng)護應用階段。

圖2 近5年BIM在新建道路中的應用情況

對于在役道路設施，近5 年沒有開展過BIM應用的占42.11%，僅構建BIM 模型并進行三維可視化應用的占36.84%，構建BIM 模型且有養(yǎng)護應用的占7.89%，進行了BIM 建模、養(yǎng)護應用且集成平臺的占13.16%，如圖3 所示。調研結果表明：57.89%的單位針對在役道路設施開展了不同程度的BIM 養(yǎng)護應用探索，但大多數(shù)還停留在模型構建和可視化階段，BIM 在在役道路設施養(yǎng)護中的應用還有待加深。

對于道路大中修工程，近5 年絕大多數(shù)的道路大中修工程（占比為76.32%）沒有采用過BIM技術，只有少數(shù)（占比為23.68%）的大中修工程采用了BIM 技術，其中大多數(shù)僅進行了BIM 模型構建與三維可視化展示（占比為15.79%），構建BIM 模型且集成養(yǎng)護平臺的大中修工程僅占2.63%，如圖4所示。調查結果表明：目前道路大中修工程中較少采用BIM 技術，這是因為大中修工程中既需要對既有道路現(xiàn)狀進行模型構建，又需要對大中修工程設計進行建模，BIM 應用工作量大、成本高，而大中修工程的經費通常并不充足，所以目前應用BIM的還不多。

圖3 近5年BIM在在役道路中的應用情況

圖4 近5年BIM在道路大中修工程中的應用情況

在BIM 相關科研項目開展方面，調查結果顯示，近5 年超過81.85%的受訪者開展過BIM 相關的科研項目研究，52.63%的受訪者開始形成了不同階段的研究成果，如圖5所示。這一結果表明，行業(yè)普遍關注BIM 技術在道路工程中的應用，并積極以科研項目的形式開展了不同程度的應用探索與技術攻關。

圖5 開展BIM相關科研項目的情況

綜上所述，目前國內BIM 技術的探索主要集中在道路工程的設計、施工階段，相對而言，BIM 在道路養(yǎng)護管理中應用較少；部分單位針對BIM 在在役道路養(yǎng)護中的應用開展了不同程度的探索，但大多數(shù)還停留在模型構建和可視化階段，BIM 在道路養(yǎng)護中的應用深度還不足；道路大中修工程中較少采用BIM 技術，連接在役道路檢測、決策、設計、施工和評價的大中修BIM 應用具有較高的示范價值；行業(yè)普遍關注BIM 技術在道路工程中的應用，并積極以科研項目的形式開展了不同程度的應用探索與技術攻關。

2 道路設施養(yǎng)護特征與BIM需求分析

在梳理道路設施養(yǎng)護業(yè)務內容和特征的基礎上，結合問卷調查方式，對BIM 養(yǎng)護應用需求進行系統(tǒng)分析。

2.1 道路設施養(yǎng)護業(yè)務特征

《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護技術規(guī)范》（CJJ 36—2016）[25]中規(guī)定：城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護應包括道路設施的檢查評價、養(yǎng)護工程和技術檔案管理；城鎮(zhèn)道路應定期進行日常巡查、檢測評價，并應根據(jù)評價結果制定年度維修計劃及中期道路規(guī)劃。本文涉及的道路設施包括城市道路（城市內部高速公路和城市道路主干道）、城市橋梁和城市隧道。如圖6 所示，道路設施養(yǎng)護管理業(yè)務主要包括5 個方面的內容：（1）設施管理，包括臺帳管理、重點設施狀態(tài)感知和設施狀態(tài)管理；（2）日常養(yǎng)護，包括日常巡查、日常保潔、日常保養(yǎng)、小修和預防性養(yǎng)護；（3）養(yǎng)護工程，包括養(yǎng)護決策和工程實施；（4）重點設施安全運營，包括大型橋梁、隧道；（5）其他業(yè)務，包括結構檢測、應急處置、養(yǎng)護效果評價等。

圖6 道路設施養(yǎng)護管理業(yè)務模塊

2.2 道路設施養(yǎng)護對BIM的應用需求

圍繞道路設施養(yǎng)護管理業(yè)務模塊，對目前道路設施養(yǎng)護管理中的BIM 應用需求進行了問卷調研，調研結果如圖7～圖10所示。

如圖7 所示，在設施管理方面，絕大多數(shù)受訪者認為重點設施狀態(tài)感知、設施狀態(tài)管理對BIM 的應用需求較高，超過一半的受訪者認為臺帳管理中也有BIM 應用需求。除此之外，受訪人員還列舉了交通運行監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、清掃運行等設施管理中的其他業(yè)務對BIM 的應用需求。

圖7 設施管理中對BIM的應用需求

如圖8 所示，在日常養(yǎng)護方面，絕大多數(shù)人認為日常巡查、小修和預防性養(yǎng)護中BIM 應用需求較高，日常保養(yǎng)、日常保潔中對BIM 應用也有一定需求。除此之外，受訪者還列舉了養(yǎng)護計劃、大數(shù)據(jù)的養(yǎng)護數(shù)據(jù)采集、日常養(yǎng)護分析評價等其他BIM應用需求。

圖8 日常養(yǎng)護中對BIM的應用需求

如圖9 所示，在養(yǎng)護工程中，受訪者普遍認為養(yǎng)護決策和工程實施中對BIM 應用有較高的需求，除此之外，還應該考慮養(yǎng)護工程管理、養(yǎng)護工程分析、后期檢測等其他需求。

圖9 養(yǎng)護工程中對BIM的應用需求

如圖10所示，在其他業(yè)務方面，調查結果顯示，結構檢測、應急處置、養(yǎng)護效果評價等業(yè)務對BIM的應用需求較高，。

圖10 其他業(yè)務中對BIM的應用需求

綜上所述，重點設施狀態(tài)感知（92.11%）、日常巡查（89.47%）、養(yǎng)護決策（89.47%）、結構檢測（86.84%）、小修和預防性養(yǎng)護（84.21%）、養(yǎng)護工程實施（84.21%）、設施狀態(tài)管理（81.58%）、應急處置（78.95%）、養(yǎng)護效果評價（71.05%）對BIM 有著明確的應用需求，也是進一步探索BIM 應用于道路設施養(yǎng)護的攻關重點和突破口。

3 道路設施養(yǎng)護中BIM 的應用目標與內容

基于道路設施養(yǎng)護中的BIM 需求分析結果，對BIM 的應用目標和內容進行研究。BIM 的應用目標需圍繞用戶養(yǎng)護業(yè)務中的迫切需求、考慮養(yǎng)護對象本身的工程特征來構建。對于全生命周期的工程，BIM 的應用通常是以工程全生命周期的進度、成本、質量、效率和安全的協(xié)調為目標；對于運營和養(yǎng)護階段的BIM 應用，通常是以滿足工程本階段的業(yè)務管理需求為關鍵目標。除此之外，還需要考慮投資單位要求、投入金額、管理模式、使用習慣、人才培養(yǎng)需求、管理特殊需求等其他因素。

基于BIM 技術的全生命周期數(shù)據(jù)集成、空間信息可視化表達、多源數(shù)據(jù)聯(lián)動處理、空間定位和3D 圖形界面顯示等優(yōu)勢，結合道路設施養(yǎng)護現(xiàn)狀與需求分析，從設施管理、養(yǎng)護管理、養(yǎng)護工程、安全運營、其他業(yè)務等5 個方面對目前道路設施運營、養(yǎng)護階段可以開展的BIM 養(yǎng)護應用內容進行了梳理，如圖11所示。

圖11 道路設施養(yǎng)護中BIM的應用內容

3.1 設施管理

在道路設施管理中，BIM 技術可應用于設施臺帳與狀態(tài)管理，實現(xiàn)基于BIM 的數(shù)字資產可視化管理、建管養(yǎng)歷史數(shù)據(jù)集成、設施狀態(tài)關聯(lián)與動態(tài)數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)道路設施時空數(shù)據(jù)的集成，提高設施動、靜態(tài)數(shù)據(jù)的集成管理效率，提升數(shù)字資產全生命周期管理的能力。還可應用于重點設施狀態(tài)感知，實現(xiàn)重點設施實時狀態(tài)可視化、異常狀態(tài)實時關聯(lián)與報警，及時發(fā)現(xiàn)并定位設施異常，保障重點設施的運行安全。

3.2 日常養(yǎng)護

在日常養(yǎng)護管理中，BIM 技術可用于日常巡查，實現(xiàn)基于BIM 的路面病害移動巡檢、二維碼掃描與巡檢記錄上傳、巡檢軌跡可視化管理、橋梁焊縫巡檢管理、隧道巡查管理等，提高日常巡查的效率。BIM技術還可用于道路設施日常保潔、日常保養(yǎng)，實現(xiàn)保潔車輛軌跡的可視化管理、歷史養(yǎng)護記錄的可視化管理，實時掌握車輛保潔軌跡和保養(yǎng)記錄，提高日常監(jiān)管能力。在道路設施小修與預防性養(yǎng)護中，BIM 技術有助于實現(xiàn)小修保養(yǎng)預算與病害現(xiàn)狀的關聯(lián)查看、小修保養(yǎng)前中后期的可視化分析、預防性養(yǎng)護提醒與輔助決策，提高小修保養(yǎng)費用測算的科學性，提高資金管理單位和申請單位的溝通效率，延長設施服役時間，提高養(yǎng)護資金的投資效益比。

3.3 養(yǎng)護工程

在養(yǎng)護工程中，BIM 技術可用于養(yǎng)護工程實施前的檢測評價，實現(xiàn)道路設施檢測結果可視化與發(fā)展預測分析，輔助提高檢測評價的科學性；還可用于道路設施養(yǎng)護決策，實現(xiàn)養(yǎng)護資金投資效益比分析、養(yǎng)護工程設施方案比選，提高養(yǎng)護決策的科學性。在養(yǎng)護工程的實施中，可利用BIM 技術實現(xiàn)養(yǎng)護工程三維設計、施工模擬、施工進度管理、交通保通仿真分析、施工安全沉浸式培訓教育等，實現(xiàn)養(yǎng)護工程的成本、進度、質量、效率和安全的高效管理與多目標協(xié)調。

3.4 安全運營

在安全運營管理中，BIM 技術可用于橋梁、隧道的結構安全管理，實現(xiàn)基于BIM 的結構信息管理、結構安全要素關聯(lián)分析、結構耐久性評估等，輔助提升橋梁、隧道的運營安全性；還可用于針對漸變類和突發(fā)類安全要素的安全運營管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能采集、應急模擬及資源調動、數(shù)據(jù)智能統(tǒng)計與分析、實時動態(tài)定位、橋隧安全運行監(jiān)控等，輔助提升橋梁、隧道運營安全性。

3.5 其他業(yè)務

在結構檢測中可應用BIM 技術實現(xiàn)結構檢測方案可視化、結構檢測過程模擬、結構檢測可視化分析，輔助提高結構檢測的效率和準確性。在應急管理中可應用BIM 技術實現(xiàn)應急預案模擬與推演、逃生路徑規(guī)劃、應急物資可視化調度、應急處置過程三維復盤等，提高應急響應速度，提升應急管理能力。在養(yǎng)護效果評價中可應用BIM技術實現(xiàn)養(yǎng)護計劃與實施效果對比、信息快速追溯與質量管理、歷史養(yǎng)護數(shù)據(jù)集成與智能分析，實現(xiàn)重點設施性能的長期追蹤分析，提升養(yǎng)護質量。

4 道路設施養(yǎng)護中BIM 的創(chuàng)新應用示例

為驗證道路設施養(yǎng)護中BIM 的應用內容與關鍵技術的可靠性，結合筆者團隊的技術積累和研發(fā)方向，對BIM 數(shù)字沙盤、路面病害建模、全景病害關聯(lián)、日常移動巡檢、實景融合安全運行監(jiān)控、應急預案模擬、養(yǎng)護工程BIM 應用等道路設施養(yǎng)護中的BIM創(chuàng)新應用示例進行介紹。

4.1 BIM數(shù)字沙盤

BIM 數(shù)字沙盤是指集成全線的工程信息、BIM 模型和資產信息，支持用戶多尺度的工程信息查看、場景漫游和數(shù)字資產管理的信息化平臺。利用BIM 數(shù)字沙盤集成道路設施竣工模型，統(tǒng)籌全線道路設施并與資產數(shù)據(jù)關聯(lián)進而對資產進行信息化管理，輔助養(yǎng)護單位進行資產管理和制定短期、長期管理計劃。利用數(shù)字沙盤集成數(shù)據(jù)可以進行養(yǎng)護狀況推演，評估、更新管養(yǎng)環(huán)節(jié)資產的費用，建立并維護與模型關聯(lián)的資產數(shù)據(jù)庫。

圖12為某道路設施工程的BIM 數(shù)字沙盤與資產管理的示例。在數(shù)字沙盤中集成了全線的道路、橋梁、涵洞、互通立交、交通附屬設施等結構對象模型，實現(xiàn)工程基礎設施與BIM 模型的統(tǒng)一管理與漫游查看，支持關鍵結構的幾何和非幾何屬性信息、圖紙、視頻的自動關聯(lián)，支持工程信息、地形信息的標注與導航，支持小地圖的實時位置定位與場景切換，實現(xiàn)道路設施工程信息、BIM模型和資產信息的集成管理。

4.2 路面病害BIM參數(shù)化建模

不同于新建工程，道路設施對各類病害進行建模是BIM 在道路設施養(yǎng)護中的典型應用之一。將BIM 技術應用于病害建模并形成系統(tǒng)的建模方法，可以使得BIM 技術在道路養(yǎng)護工作中更具指導性，并且能夠將路面病害在語義下進行可視化表達，有助于進一步研究病害的發(fā)展趨勢以及不同損害形態(tài)的發(fā)生原因。

以瀝青路面車轍為例，病害參數(shù)化建模效果如圖13所示。

圖13 車轍病害參數(shù)化建模示例

圖13中，構建道路車轍的病害模型，將車轍的深度和長度數(shù)據(jù)錄入Dynamo 中，通過編制好的Dynamo 程序即可立即生成車轍病害模型，但該病害模型只是曲面模型，因此還需要將該曲面模型通過Dynamo中的“Importinstance”節(jié)點程序輸出成為模型實例，輸出后的實例模型便可與Revit中構建好的道路模型做貼合從而完成車轍病害在道路上的表現(xiàn)。車轍病害的破損程度可以根據(jù)錄入深度和長度數(shù)據(jù)的Excel 文件來自動生成，基于病害參數(shù)化模型，通過對破損的參數(shù)化控制實現(xiàn)模型的變化，也可以直接在Dynamo 中自行更改參數(shù)數(shù)據(jù)，模型會根據(jù)填入數(shù)據(jù)的變化自動生成新模型。道路設施典型病害的參數(shù)化模型構建，使得檢測數(shù)據(jù)驅動的路面病害模型快速生成成為可能。

4.3 三維全景構建與BIM病害關聯(lián)

利用全景相機采集、虛擬全景相機BIM 場景采集等多種方式，實現(xiàn)道路設施關鍵點位的三維全景構建。通過坐標區(qū)域劃分，建立三維全景與道路設施的不同構件及位置的關聯(lián)，實現(xiàn)道路設施模型與實際道路設施的關聯(lián)。以全景成像這種更加輕量化的方式，統(tǒng)籌真實道路數(shù)據(jù)與虛擬道路數(shù)據(jù)，有助于管養(yǎng)部門對道路設施的狀態(tài)進行觀察與對比分析，輔助提升日常巡檢的工作效率。某大橋全景構建與病害關聯(lián)的示例效果如圖14所示。

圖14 三維全景構建與病害關聯(lián)示例

圖14 中，利用BIM 模型構建三維虛擬全景，通過區(qū)域劃分與結構關聯(lián)，將對應病害與巡檢記錄在全景空間進行注冊與標注，并將日常巡檢照片與數(shù)據(jù)進行自動關聯(lián)。在橋隧巡檢養(yǎng)護過程中，智能巡檢終端獲取巡檢養(yǎng)護人員的當前位置，通過坐標區(qū)域匹配，自動加載附近的三維全景進行查看，并與歷史數(shù)據(jù)比對。巡檢養(yǎng)護人員在三維場景中標注巡檢養(yǎng)護信息點位，并錄入巡檢記錄信息，為日常巡檢數(shù)據(jù)的查看、比對、上傳提供簡便快捷的解決方案。

4.4 基于BIM的日常移動巡檢

道路設施日常移動巡檢指利用移動終端，對日常巡檢信息進行推送、采集、上傳、比對、任務發(fā)布等。移動巡檢有利于道路設施日常巡檢的信息化維護管理，準確定位病害點的位置，快速顯示養(yǎng)護信息和養(yǎng)護方案。通過道路養(yǎng)護設備的養(yǎng)護記錄，建立養(yǎng)護機制，以實現(xiàn)快速定位、信息快速上報和歷史數(shù)據(jù)快速查詢，從而有效降低養(yǎng)護成本、提高養(yǎng)護效率。

某道路設施的移動巡檢業(yè)務應用界面如圖15所示。

圖15 道路設施移動巡檢與BIM關聯(lián)示例

圖15中顯示了巡檢問題列表、巡檢問題點位標注及巡檢詳細信息，利用BIM 的空間定位和歷史數(shù)據(jù)集成功能，結合設施構件二維碼唯一標識、手機掃碼上傳巡查數(shù)據(jù)等方法，實現(xiàn)巡查結果與BIM 模型的快速關聯(lián)，并可將前日養(yǎng)護數(shù)據(jù)、歷史巡查數(shù)據(jù)主動推送給巡查人員，實現(xiàn)巡查記錄的快速定位、標注、上傳和查詢等功能。

4.5 BIM與實景視頻融合的橋隧安全運行監(jiān)控

BIM 與實景視頻融合的橋隧安全運行監(jiān)控是通過虛實融合技術還原真實世界的場景，利用BIM 模型集成橋梁、隧道上布設的大量監(jiān)控攝像頭，將海量高清視頻與BIM 模型在三維空間進行標注和融合，結合橋梁、隧道上的多源傳感器數(shù)據(jù)，形成可視化、數(shù)據(jù)化、真實感的數(shù)字孿生場景，實現(xiàn)實景融合的橋隧安全運行一體化監(jiān)控，解決傳統(tǒng)運維的視頻碎片化、傳感器融合復雜、空間關聯(lián)性差等問題，提高日常監(jiān)控效率，減輕管理人員的認知壓力，增強橋隧運行監(jiān)控中精準定位、遠程巡視和應急響應的能力。以某雙塔雙索鋼箱梁懸索橋為例，BIM 與實景視頻融合的運行監(jiān)控效果示例如圖16所示。

圖16 BIM與實景融合的大橋安全運營監(jiān)控示例

圖16中，將離散分布在橋塔等不同區(qū)域的實時監(jiān)控視頻三維投影到大橋BIM 模型上，建立符合監(jiān)控人員認知的虛實融合三維場景，提供多個區(qū)域連續(xù)、直觀監(jiān)控，方便監(jiān)管人員概覽全局，實現(xiàn)可跨越區(qū)域、空間的基于虛擬現(xiàn)實的全景視頻融合展示、全景視頻巡邏，為虛擬現(xiàn)實運行監(jiān)控“一張圖”、全景空間透明管理提供有力的技術支撐，并與運營管理數(shù)據(jù)平臺聯(lián)動，為日常運行監(jiān)管人員的全局指揮和突發(fā)事件的快速處置提供支持。

4.6 增強現(xiàn)實的運維手冊BIM交付

工程竣工后，施工單位需要將實體工程和相關數(shù)據(jù)交付給運營單位。在交付實體工程的同時，還需要交付橋隧等復雜結構的運維手冊。對于建設階段采用BIM 的工程，可以同步交付BIM模型及BIM 化的運維手冊。運維手冊通常包括了工程結構設計和施工的關鍵數(shù)據(jù)、內部結構、運維要求、注意事項等，利用BIM 模型對工程運維所需的數(shù)據(jù)、文檔、設計圖紙、施工模擬、運維過程模擬等內容進行集成和交付，實現(xiàn)由施工階段向運營階段的信息傳遞。運維手冊BIM 化交付如圖17所示。

圖17 增強現(xiàn)實的運維手冊BIM化交付示例

圖17 所示為基于Hololens（微軟公司開發(fā)的一種混合現(xiàn)實頭戴式顯示器）的BIM 交付與增強現(xiàn)實協(xié)同工作示例。將竣工后的某橋梁BIM 模型、設計數(shù)據(jù)、施工模擬動畫等內容同步交付至運營養(yǎng)護單位，運營人員利用Hololens 全息眼鏡或手機掃描圖紙的方式，可以交互式查看工程交付的BIM 模型、運維要求、提醒標注、施工模擬、結構拆分動畫等信息，并支持多人同場景的協(xié)同討論，提高運維交付的質量和溝通效率。

4.7 基于BIM的應急預案模擬

針對影響道路設施安全運營的漸變類和突發(fā)類安全因素，利用BIM 模型開展不同安全因素導致的應急事件的模擬與分析[26]。利用BIM 模型和設施集成的屬性信息，結合運營單位的應急預案與處置要求，開展基于BIM 的應急預案模擬演練。當突發(fā)事件發(fā)生時，還可基于監(jiān)控相機、結構監(jiān)測傳感器、人工報警返回的位置信息，在BIM 模型中直觀顯示事件發(fā)生位置、附近關鍵結構和設備信息等，并啟動相應的應急預案，以控制事態(tài)發(fā)展，減少突發(fā)事件的直接和間接損失。

圖18所示為某交通樞紐設施著火時火源蔓延與煙氣擴散過程的模擬示例。

圖18 突發(fā)類安全運營因素火災應急預案模擬示例

由該示例可知，特別是在封閉、半封閉空間中，利用BIM 模型實現(xiàn)對設施與周邊環(huán)境的基礎模擬，基于火源位置與三維風場的數(shù)值計算，實現(xiàn)煙氣擴散過程的模擬，可為應急預案模擬和應急處置提供分析基礎，可以指導人員的逃生路徑規(guī)劃、應急處置的模擬推演等。利用BIM 技術還可以對已發(fā)生的應急事件及處置過程進行三維復盤分析，對應急處置中的遺漏或不足進行改進或重新規(guī)劃，從而提高安全生產效率，科學指導應急方案制定。

4.8 BIM在養(yǎng)護工程中的應用

大中修、改擴建等養(yǎng)護工程的實施過程與新建工程類似，需要開展工程的設計、施工和工程評價等工作。除此之外，與新建工程不同，養(yǎng)護工程還需要考慮在役道路設施的現(xiàn)狀和施工條件，會存在材料利舊、交通保通、施工安全等特殊需求。利用BIM 技術，集成在役道路設施檢測數(shù)據(jù)，應用于大中修、改擴建等養(yǎng)護工程中，可以滿足交通保通仿真分析、施工組織模擬、復雜大中修模擬與復盤、實施前后的對比分析、養(yǎng)護評價等需求，結合BIM 平臺建設，可集成道路設施初始設計與施工、檢測、養(yǎng)護工程設計與施工、日常養(yǎng)護等多維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)考慮工程全生命周期效益的養(yǎng)護工程科學管理。某道路設施大中修時舊橋維護與“橋改路”設計方案對比如圖19所示。

圖19 某養(yǎng)護工程的不同設計方案對比示例

圖19（a）為舊橋維護的設計效果，圖19（b）為“橋改路”方案的設計效果，其中白色部分為填方。結合在役設施的檢測結果和資金投入情況，通過設計模型構建和成本估算，選出最佳的養(yǎng)護設計方案。通過構建或局部調整BIM模型的方式，還可以形成多個備選的設計方案模型，在可視化的三維仿真場景下進行項目方案的討論和決策，便于快速比選，使設計方案決策更加高效。

除此之外，BIM 還在輔助結構檢測、交通保通仿真分析、預防性養(yǎng)護提醒與輔助決策等方面具有較高的應用價值和市場前景。

5 結語

道路設施的高質量養(yǎng)護與全生命周期管理需求為BIM 技術的發(fā)展帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。為系統(tǒng)梳理BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用需求與內容，在對國內外道路設施養(yǎng)護中BIM 的應用現(xiàn)狀綜述的基礎上，結合道路設施養(yǎng)護管理業(yè)務梳理和問卷調研，對目前國內道路設施養(yǎng)護中BIM 的應用需求進行了詳細分析，發(fā)現(xiàn)在重點設施狀態(tài)感知、日常巡查、養(yǎng)護決策、結構檢測、小修和預防性養(yǎng)護、養(yǎng)護工程實施等方面對BIM 有著明確的應用需求。基于BIM 應用需求分析結果，從設施管理、養(yǎng)護管理、養(yǎng)護工程、安全運營、其他業(yè)務等5 個方面闡述了道路設施養(yǎng)護中BIM 的應用目標與內容。結合筆者團隊在BIM 應用與研發(fā)方面的技術積累，對BIM 在道路設施養(yǎng)護中的創(chuàng)新性應用進行了介紹，包括BIM 數(shù)字沙盤、路面病害建模、全景病害關聯(lián)、日常移動巡檢、實景融合安全運行監(jiān)控、應急預案模擬、養(yǎng)護工程方案比選等，驗證了部分關鍵技術與應用內容的可行性，為進一步探索與推動BIM 在道路設施養(yǎng)護中的應用提供案例參考。下一步將重點圍繞大中修工程示范應用、《BIM養(yǎng)護應用指南》的編制與實踐、養(yǎng)護手冊BIM 化交付示范應用、增強現(xiàn)實的路面病害移動巡檢等內容開展研究。