王 偉，馬健中，寧 超

（1.祁縣至離石高速公路建設(shè)有限公司，山西 呂梁 033000；2.山西交通路翔科技咨詢(xún)有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

高等級(jí)公路工程建設(shè)的基本特點(diǎn)是戰(zhàn)線(xiàn)長(zhǎng)、工作面廣、投資高、工程量大、變化快、構(gòu)筑物形式各異，實(shí)時(shí)把控施工進(jìn)度、質(zhì)量，控制是確保施工工作有序開(kāi)展的關(guān)鍵。從實(shí)用、簡(jiǎn)單、科學(xué)、提高工作效率角度考慮，在施工過(guò)程中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)際工程量即可完成立體、全方位的施工效果顯示，用直觀(guān)的場(chǎng)景反映階段性公路施工進(jìn)度，多方位地核實(shí)工程數(shù)量，為計(jì)量提供準(zhǔn)確的審核依據(jù)，實(shí)現(xiàn)可視化動(dòng)態(tài)施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)一體化管理，是管理者所希望和迫切要求的，也是公路建設(shè)信息技術(shù)的延伸和發(fā)展必須解決的。采用怎樣的技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，筆者經(jīng)過(guò)調(diào)研和檢索得知，國(guó)外相關(guān)人員采用BIM技術(shù)進(jìn)行探索和實(shí)踐，取得可喜的成果[1-4]，國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)應(yīng)用在大型復(fù)雜建筑的碰撞檢測(cè)中也發(fā)揮了非常重要的作用，但在常規(guī)設(shè)計(jì)中通常只用BIM繪圖部分做建模，服務(wù)于設(shè)計(jì)審查。BIM不是一個(gè)純粹的技術(shù)、模型、產(chǎn)品，而是帶有比重相當(dāng)高的管理成分，即對(duì)信息全生命周期管理。全生命周期管理BIM軟件開(kāi)發(fā)需要大型建設(shè)項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境、資金支持，需要有相對(duì)應(yīng)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的軟件開(kāi)發(fā)人員。由于缺乏大型項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境，BIM信息管理功能應(yīng)用方面的發(fā)展緩慢，極少數(shù)能夠做到自成體系、具有管理內(nèi)容的BIM軟件，由于受第三方圖形引擎版權(quán)制約，存在軟肋。

呂梁祁縣至離石高速公路建設(shè)有限公司承擔(dān)著祁離建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間管理，具備提供BIM全生命周期應(yīng)用環(huán)境和資金支持。提出建設(shè)項(xiàng)目與科研相結(jié)合，新技術(shù)研究與應(yīng)用相結(jié)合，聯(lián)合山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院路翔科技公司、中國(guó)石油大學(xué)（華東），依托祁縣至離石高速公路建設(shè)，用BIM、VR、GIS、5D技術(shù)，自主研發(fā)構(gòu)建《基于BIM技術(shù)創(chuàng)建互聯(lián)網(wǎng)+公路建管養(yǎng)可視化信息系統(tǒng)》，用現(xiàn)代化技術(shù)手段全面監(jiān)管施工過(guò)程、項(xiàng)目管理和后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)管理，實(shí)現(xiàn)施工、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)一體化的信息全生命周期管理，真正達(dá)到全方位模擬施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)全過(guò)程的可視化管理。

整個(gè)系統(tǒng)的創(chuàng)建圍繞施工、項(xiàng)目管理、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)全過(guò)程開(kāi)展，并為之服務(wù)。

國(guó)內(nèi)常規(guī)的施工進(jìn)程展現(xiàn)模式：施工單位根據(jù)上報(bào)進(jìn)度數(shù)據(jù)，繪制進(jìn)度圖，以平面二維圖表形式反映工程進(jìn)度，質(zhì)量控制采用人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控加文字記載；現(xiàn)有的公路建設(shè)管理軟件采用在結(jié)構(gòu)模型某一部位標(biāo)注線(xiàn)條來(lái)表示進(jìn)度形象，或采用無(wú)人機(jī)定期拍攝施工進(jìn)度。構(gòu)件之間的互動(dòng)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(yīng)用。

經(jīng)過(guò)調(diào)研結(jié)合多年相關(guān)領(lǐng)域建設(shè)及開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)討論、方案比選，確定綜合借助RV、GIS、BIM技術(shù)，以變化的5D（3D+時(shí)間+工序）方式創(chuàng)建符合施工工序流程，并與后期3D方式管理的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)無(wú)縫隙銜接，形成一體化的動(dòng)態(tài)信息管理平臺(tái)，見(jiàn)圖1。

圖1 公路建管養(yǎng)可視化信息平臺(tái)構(gòu)架

1 可視化動(dòng)態(tài)施工管理系統(tǒng)

可視化動(dòng)態(tài)施工管理系統(tǒng)是公路建管養(yǎng)可視化信息平臺(tái)核心子系統(tǒng)，也是整個(gè)平臺(tái)最具特色之處，以可視方式反映公路施工管理全過(guò)程，其基本思路為：

a）動(dòng)態(tài)性 構(gòu)筑物隨著施工進(jìn)程發(fā)生變化，對(duì)周?chē)h(huán)境帶來(lái)的影響也在改變，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

b）融合性 自然環(huán)境與建設(shè)工程關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，必須融為一體；建立的參數(shù)化公路構(gòu)件模型與原有自然景觀(guān)——地形、地貌、地物邊界彼此相互嵌套，相互傳遞信息。

基礎(chǔ)工作的完善也需要融合，地面數(shù)據(jù)三角網(wǎng)TIN+高程模型DEM在設(shè)計(jì)階段從測(cè)繪部門(mén)獲得，實(shí)地航飛影像是后期做的。需要將實(shí)地航飛影像疊加到地面模型上，這是兩類(lèi)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提取航飛影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)自創(chuàng)軟件處理匹配，與地面模型三角網(wǎng)位置、高程模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地結(jié)合在一起，地形表面完全吻合，保證沿線(xiàn)自然風(fēng)貌真實(shí)。

融合性實(shí)現(xiàn)最為重要，直接影響B(tài)IM技術(shù)在施工景觀(guān)設(shè)計(jì)中作用的發(fā)揮，需要地面景觀(guān)與BIM模型結(jié)合出現(xiàn)碰撞的處理，海量數(shù)據(jù)在施工景觀(guān)設(shè)計(jì)中表達(dá)處理，BIM單體之間關(guān)聯(lián)、多元數(shù)據(jù)匹配等問(wèn)題的處理。

c）可視性 通過(guò)操作鏡頭360°旋轉(zhuǎn)、推拉、移動(dòng)，環(huán)視構(gòu)件到整個(gè)施工場(chǎng)景，觀(guān)看公路施工過(guò)程與沿線(xiàn)景觀(guān)相互影響、變化的構(gòu)造物對(duì)環(huán)境的影響、環(huán)境對(duì)施工過(guò)程的影響。

d）交互性 對(duì)自然環(huán)境融為一體的構(gòu)件3D模型交互操作，才能真實(shí)觀(guān)察到變化著的構(gòu)造物對(duì)環(huán)境的影響、環(huán)境對(duì)構(gòu)筑物建設(shè)過(guò)程的影響。

e）協(xié)同性 修改或變更一結(jié)構(gòu)（路基變通道、涵洞變小橋……）簡(jiǎn)單地調(diào)用圖元，改變模型中的參數(shù)值就能建立新的屬性模型和相對(duì)應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)應(yīng)立體視圖快速自動(dòng)更新。

f）延伸性 與后期運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)管理無(wú)縫隙銜接，是保證相關(guān)信息在施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過(guò)程中共享、傳遞，貫穿祁離項(xiàng)目施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)周期信息一體化管理應(yīng)用的必要條件。

g）參數(shù)化 利用BIM技術(shù)所創(chuàng)建的動(dòng)態(tài)施工管理系統(tǒng)中專(zhuān)業(yè)構(gòu)件（路線(xiàn)、橋梁、隧道、互通……）3D模型均具有參數(shù)屬性和完備的幾何信息、規(guī)則信息、拓?fù)潢P(guān)系以及完整的工程信息，通過(guò)對(duì)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(huán)境之間的互動(dòng)和反饋，并將信息延續(xù)到后期運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)管理階段，實(shí)現(xiàn)信息全生命周期管理，成為名副其實(shí)的公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)領(lǐng)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(hù)、排水、橋梁、鐵路跨線(xiàn)橋，隧道，涵洞通道，互通式立交，服務(wù)區(qū)，停車(chē)區(qū)等種類(lèi)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(kāi)柵樞紐在原互通基礎(chǔ)上擴(kuò)建改建而成，擴(kuò)建改建部分新舊模型交叉，變化頻繁。圖形引擎自動(dòng)建模以及與系統(tǒng)功能的完美配合在施工景觀(guān)設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證。

信息模型參數(shù)設(shè)計(jì)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(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，工序流程的劃分取舍決定3D模型細(xì)化程度和信息提取，取決于應(yīng)用需求，必須與項(xiàng)目管理部門(mén)溝通、確定。

BIM技術(shù)模擬構(gòu)件狀態(tài)，協(xié)助施工管理?；ネ蛄寒愋驮O(shè)計(jì)多有出現(xiàn)，通常是施工難度比較大和施工問(wèn)題比較多的地方，單靠圖紙上的線(xiàn)條繪制施工，難免產(chǎn)生爭(zhēng)議。例如祁離項(xiàng)目一標(biāo)段城趙樞紐主線(xiàn)橋異性墩，墩頭是一個(gè)三方向向外擴(kuò)的異型構(gòu)件，造型以曲線(xiàn)為主，設(shè)計(jì)鋼筋密度大，布設(shè)變化多，施工難度增大，設(shè)計(jì)與施工出現(xiàn)一些爭(zhēng)議，見(jiàn)圖2。系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)有限的坐標(biāo)點(diǎn)，推出不同鋼筋布設(shè)軌跡，對(duì)異性橋墩鋼筋位置進(jìn)行模擬，用不同色彩和層次再現(xiàn)橋墩鋼筋狀態(tài)，加上360°旋轉(zhuǎn)功能，不同鋼筋相互位置以及可能造成的影響點(diǎn)直觀(guān)地展示給設(shè)計(jì)、施工方，一目了然，是設(shè)計(jì)調(diào)整，還是現(xiàn)場(chǎng)鋼筋布設(shè)，施工精度提高有據(jù)可依，設(shè)計(jì)圖紙與施工過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題迎刃而解。

圖2 城趙樞紐主線(xiàn)橋雙柱式花瓶墩鋼筋圖

1.1 VR技術(shù)應(yīng)用+信息模型可視與交互

以圖形方式觀(guān)察和認(rèn)識(shí)客觀(guān)事物，是人類(lèi)最便捷的認(rèn)知方式，人們所感受的外界信息80%以上來(lái)自于視覺(jué)，圖形技術(shù)的重要影響由此可見(jiàn)一斑。前面提到交互、可視基本功能通過(guò)鏡頭360°旋轉(zhuǎn)、推拉、移動(dòng)，將項(xiàng)目建設(shè)整體和細(xì)部面貌全部展現(xiàn)出來(lái)，再通過(guò)VR技術(shù)構(gòu)建出虛擬的施工環(huán)境，以此檢驗(yàn)施工過(guò)程中變化著的構(gòu)件對(duì)環(huán)境的影響，與沿途空間景觀(guān)環(huán)境協(xié)調(diào)，以及環(huán)境對(duì)施工過(guò)程的影響。

1.2 5D（3D實(shí)體+時(shí)間+工序）關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

平臺(tái)所涉及的路線(xiàn)、橋梁、互通、隧道、涵洞、通道、綠化、地形地貌等多個(gè)專(zhuān)業(yè)3D模型形式多樣、類(lèi)型各異，形狀還隨著時(shí)間和施工進(jìn)度發(fā)生變化。三維可視化加上時(shí)間維度，配合工序過(guò)程的體現(xiàn)，形成完整的施工景觀(guān)，直觀(guān)快速地將施工計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖3。

圖3 3標(biāo)曲里大橋橋墩施工變化過(guò)程

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在整個(gè)施工景觀(guān)設(shè)計(jì)平臺(tái)中發(fā)揮著巨大作用，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要在平臺(tái)搭建前期，對(duì)BIM數(shù)據(jù)生產(chǎn)、存儲(chǔ)、添加、提取、驗(yàn)證做出切實(shí)可行的要素設(shè)計(jì)，避免影響延伸后功能的實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程和相互影響體現(xiàn)、處理，與自然環(huán)境融為一體的參數(shù)化立體模型建立（專(zhuān)業(yè)圖形引擎支撐）、實(shí)時(shí)交互、構(gòu)建虛擬的施工環(huán)境是該平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)所在。專(zhuān)業(yè)圖形引擎完全自主研發(fā)，整個(gè)平臺(tái)創(chuàng)建未借助任何第三方軟件。

1.3 多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用

技術(shù)在發(fā)展，需求也在提高，任何一個(gè)系統(tǒng)單一技術(shù)的采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了專(zhuān)業(yè)需求，多種技術(shù)協(xié)同應(yīng)用是軟件發(fā)展方向和提高的必經(jīng)之路。選用BIM+VR+GIS+5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)協(xié)同工作是課題組經(jīng)過(guò)多年相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累、針對(duì)祁離項(xiàng)目特點(diǎn)反復(fù)討論確定的。

自動(dòng)生成的3D信息模型在整個(gè)施工過(guò)程是可視的，后期養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程均在可視化狀態(tài)下進(jìn)行。

2 運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)子系統(tǒng)由異常路況信息采集App、卡口交通量采集、發(fā)布+養(yǎng)護(hù)記錄+運(yùn)營(yíng)狀態(tài)3部分組成，建立在1∶25萬(wàn)帶狀平面電子地圖和3D影像圖上。應(yīng)用目標(biāo)為祁離公司提供一個(gè)運(yùn)營(yíng)階段直觀(guān)、便利的管理工具。

a）采用GIS技術(shù)在帶狀電子地圖內(nèi)加載不同的圖層：路線(xiàn)、橋梁、互通、涵洞、通道、隧道、服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、機(jī)電。成為祁離高速專(zhuān)題地圖（見(jiàn)圖4），具有地圖上縮放、平移、地圖上要素確認(rèn)等功能。

圖4 祁離專(zhuān)用電子地圖

關(guān)聯(lián)后實(shí)現(xiàn)帶狀平面電子地圖與3D影像圖（見(jiàn)圖5）相互切換，全方位查看路線(xiàn)及構(gòu)筑物所在位置及相關(guān)信息。

圖5 3D影像圖

在3D影像圖下提供5種查詢(xún)功能：范圍查詢(xún)、定位查詢(xún)、關(guān)鍵字查詢(xún)、條件查詢(xún)、類(lèi)型查詢(xún)。

b）路線(xiàn)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)+旅游景點(diǎn)介紹+服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站。

平面圖反映祁縣-離石高速公路路況，全線(xiàn)路線(xiàn)狀況是否存在隱患，顏色上加以區(qū)別：綠色正常運(yùn)行；黃色待檢修路段，存在隱患重點(diǎn)監(jiān)控路段；橘色限行路段；紅色封閉路段（養(yǎng)護(hù)施工、事故）。

c）養(yǎng)護(hù)狀態(tài)+歷史養(yǎng)護(hù)記錄。

依托互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)技術(shù)圍繞該高速公路路線(xiàn)圖開(kāi)展養(yǎng)護(hù)管理工作，將App上報(bào)的原始數(shù)據(jù)、卡口采集交通量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成視覺(jué)結(jié)構(gòu)（包括形狀、位置、尺寸、色彩等），通過(guò)視覺(jué)的方式把它表現(xiàn)出來(lái)。

App采集一異常路段信息，巡檢實(shí)地發(fā)現(xiàn)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(guò)App與系統(tǒng)平臺(tái)連接，路況反映到路線(xiàn)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中以紅、黃、綠表示。

3 檔案管理

便于質(zhì)量歷史追溯，每項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)信息隨著施工過(guò)程自動(dòng)存檔，后期逐次添加歷年各項(xiàng)養(yǎng)護(hù)作業(yè)、質(zhì)檢記錄、年度病害構(gòu)件、病害類(lèi)型等按損壞率排序一一存檔。采用電子化、多媒體技術(shù)相結(jié)合，方便快速查找。

4 結(jié)語(yǔ)

公路建管養(yǎng)可視化信息平臺(tái)在祁離公路建設(shè)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，是多個(gè)新技術(shù)綜合應(yīng)用的具體體現(xiàn)，也是高速公路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)全周期的信息化建設(shè)應(yīng)用過(guò)程，研發(fā)與實(shí)際工程建設(shè)緊密結(jié)合，給公路施工企業(yè)帶來(lái)的不僅是一個(gè)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(yīng)用情況及成果看，已成為項(xiàng)目管理強(qiáng)有力的工具，在管理方面發(fā)揮著無(wú)可比擬的作用。新技術(shù)的成功應(yīng)用必須與公路建設(shè)特點(diǎn)相結(jié)合，滿(mǎn)足其特色需求，才能得以發(fā)展，隨著對(duì)新技術(shù)不斷深入研發(fā)應(yīng)用，將更加凸顯其作用和實(shí)用性。