公路建管养可视化信息平台的创建与实现

王 伟，马健中，宁 超

（1.祁县至离石高速公路建设有限公司，山西 吕梁 033000；2.山西交通路翔科技咨询有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

高等级公路工程建设的基本特点是战线长、工作面广、投资高、工程量大、变化快、构筑物形式各异，实时把控施工进度、质量，控制是确保施工工作有序开展的关键。从实用、简单、科学、提高工作效率角度考虑，在施工过程中通过现场采集的实际工程量即可完成立体、全方位的施工效果显示，用直观的场景反映阶段性公路施工进度，多方位地核实工程数量，为计量提供准确的审核依据，实现可视化动态施工、养护、运营一体化管理，是管理者所希望和迫切要求的，也是公路建设信息技术的延伸和发展必须解决的。采用怎样的技术才能实现上述目标，笔者经过调研和检索得知，国外相关人员采用BIM技术进行探索和实践，取得可喜的成果[1-4]，国内BIM技术应用在大型复杂建筑的碰撞检测中也发挥了非常重要的作用，但在常规设计中通常只用BIM绘图部分做建模，服务于设计审查。BIM不是一个纯粹的技术、模型、产品，而是带有比重相当高的管理成分，即对信息全生命周期管理。全生命周期管理BIM软件开发需要大型建设项目的应用环境、资金支持，需要有相对应领域专业知识的软件开发人员。由于缺乏大型项目的应用环境，BIM信息管理功能应用方面的发展缓慢，极少数能够做到自成体系、具有管理内容的BIM软件，由于受第三方图形引擎版权制约，存在软肋。

吕梁祁县至离石高速公路建设有限公司承担着祁离建设和运营期间管理，具备提供BIM全生命周期应用环境和资金支持。提出建设项目与科研相结合，新技术研究与应用相结合，联合山西省交通规划勘察设计院路翔科技公司、中国石油大学（华东），依托祁县至离石高速公路建设，用BIM、VR、GIS、5D技术，自主研发构建《基于BIM技术创建互联网+公路建管养可视化信息系统》，用现代化技术手段全面监管施工过程、项目管理和后期运营养护管理，实现施工、运营养护一体化的信息全生命周期管理，真正达到全方位模拟施工、运营、养护全过程的可视化管理。

整个系统的创建围绕施工、项目管理、运营养护全过程开展，并为之服务。

国内常规的施工进程展现模式：施工单位根据上报进度数据，绘制进度图，以平面二维图表形式反映工程进度，质量控制采用人工现场监控加文字记载；现有的公路建设管理软件采用在结构模型某一部位标注线条来表示进度形象，或采用无人机定期拍摄施工进度。构件之间的互动性和反馈性缺失，不含属性信息的3D模型未做到BIM全生命周期应用。

经过调研结合多年相关领域建设及开发经验，反复讨论、方案比选，确定综合借助RV、GIS、BIM技术，以变化的5D（3D+时间+工序）方式创建符合施工工序流程，并与后期3D方式管理的运营、养护无缝隙衔接，形成一体化的动态信息管理平台，见图1。

图1 公路建管养可视化信息平台构架

1 可视化动态施工管理系统

可视化动态施工管理系统是公路建管养可视化信息平台核心子系统，也是整个平台最具特色之处，以可视方式反映公路施工管理全过程，其基本思路为：

a）动态性 构筑物随着施工进程发生变化，对周围环境带来的影响也在改变，整个过程是一个动态变化过程。

b）融合性 自然环境与建设工程关联性极强，必须融为一体；建立的参数化公路构件模型与原有自然景观——地形、地貌、地物边界彼此相互嵌套，相互传递信息。

基础工作的完善也需要融合，地面数据三角网TIN+高程模型DEM在设计阶段从测绘部门获得，实地航飞影像是后期做的。需要将实地航飞影像叠加到地面模型上，这是两类不同的数据结构，提取航飞影像数据，经过自创软件处理匹配，与地面模型三角网位置、高程模型点对点地结合在一起，地形表面完全吻合，保证沿线自然风貌真实。

融合性实现最为重要，直接影响BIM技术在施工景观设计中作用的发挥，需要地面景观与BIM模型结合出现碰撞的处理，海量数据在施工景观设计中表达处理，BIM单体之间关联、多元数据匹配等问题的处理。

c）可视性 通过操作镜头360°旋转、推拉、移动，环视构件到整个施工场景，观看公路施工过程与沿线景观相互影响、变化的构造物对环境的影响、环境对施工过程的影响。

d）交互性 对自然环境融为一体的构件3D模型交互操作，才能真实观察到变化着的构造物对环境的影响、环境对构筑物建设过程的影响。

e）协同性 修改或变更一结构（路基变通道、涵洞变小桥……）简单地调用图元，改变模型中的参数值就能建立新的属性模型和相对应的拓扑关系，对应立体视图快速自动更新。

f）延伸性 与后期运营、养护管理无缝隙衔接，是保证相关信息在施工、运营维护全过程中共享、传递，贯穿祁离项目施工、运营、养护周期信息一体化管理应用的必要条件。

g）参数化 利用BIM技术所创建的动态施工管理系统中专业构件（路线、桥梁、隧道、互通……）3D模型均具有参数属性和完备的几何信息、规则信息、拓扑关系以及完整的工程信息，通过对信息插入、提取、更新和修改，改变其形状、传递途径，形成与自然环境之间的互动和反馈，并将信息延续到后期运营、养护管理阶段，实现信息全生命周期管理，成为名副其实的公路建设、运营、养护领域BIM全体系软件（包括自带图形引擎）。

祁离高速所建模型涵盖整体式路基、分离式路基，防护、排水、桥梁、铁路跨线桥，隧道，涵洞通道，互通式立交，服务区，停车区等种类繁多，3处枢纽均与已建成的祁榆高速（S60）、京昆高速（G5）、吕梁绕城高速（G2003）相连接，城赵枢纽、开栅枢纽在原互通基础上扩建改建而成，扩建改建部分新旧模型交叉，变化频繁。图形引擎自动建模以及与系统功能的完美配合在施工景观设计中得到验证。

信息模型参数设计必须考虑周到全面，否则直接影响信息传递方向和距离。施工过程是一个动态变化过程，工序流程的划分取舍决定3D模型细化程度和信息提取，取决于应用需求，必须与项目管理部门沟通、确定。

BIM技术模拟构件状态，协助施工管理。互通桥梁异型设计多有出现，通常是施工难度比较大和施工问题比较多的地方，单靠图纸上的线条绘制施工，难免产生争议。例如祁离项目一标段城赵枢纽主线桥异性墩，墩头是一个三方向向外扩的异型构件，造型以曲线为主，设计钢筋密度大，布设变化多，施工难度增大，设计与施工出现一些争议，见图2。系统平台根据有限的坐标点，推出不同钢筋布设轨迹，对异性桥墩钢筋位置进行模拟，用不同色彩和层次再现桥墩钢筋状态，加上360°旋转功能，不同钢筋相互位置以及可能造成的影响点直观地展示给设计、施工方，一目了然，是设计调整，还是现场钢筋布设，施工精度提高有据可依，设计图纸与施工过程出现的问题迎刃而解。

图2 城赵枢纽主线桥双柱式花瓶墩钢筋图

1.1 VR技术应用+信息模型可视与交互

以图形方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式，人们所感受的外界信息80%以上来自于视觉，图形技术的重要影响由此可见一斑。前面提到交互、可视基本功能通过镜头360°旋转、推拉、移动，将项目建设整体和细部面貌全部展现出来，再通过VR技术构建出虚拟的施工环境，以此检验施工过程中变化着的构件对环境的影响，与沿途空间景观环境协调，以及环境对施工过程的影响。

1.2 5D（3D实体+时间+工序）关系数据库

平台所涉及的路线、桥梁、互通、隧道、涵洞、通道、绿化、地形地貌等多个专业3D模型形式多样、类型各异，形状还随着时间和施工进度发生变化。三维可视化加上时间维度，配合工序过程的体现，形成完整的施工景观，直观快速地将施工计划与实际进展进行对比，见图3。

图3 3标曲里大桥桥墩施工变化过程

关系数据库在整个施工景观设计平台中发挥着巨大作用，数据库设计需要在平台搭建前期，对BIM数据生产、存储、添加、提取、验证做出切实可行的要素设计，避免影响延伸后功能的实现。

整个动态变化过程和相互影响体现、处理，与自然环境融为一体的参数化立体模型建立（专业图形引擎支撑）、实时交互、构建虚拟的施工环境是该平台关键技术所在。专业图形引擎完全自主研发，整个平台创建未借助任何第三方软件。

1.3 多种技术联合应用

技术在发展，需求也在提高，任何一个系统单一技术的采用远远满足不了专业需求，多种技术协同应用是软件发展方向和提高的必经之路。选用BIM+VR+GIS+5D关系数据库技术协同工作是课题组经过多年相关项目经验积累、针对祁离项目特点反复讨论确定的。

自动生成的3D信息模型在整个施工过程是可视的，后期养护、运营管理过程均在可视化状态下进行。

2 运营、养护系统

运营、养护子系统由异常路况信息采集App、卡口交通量采集、发布+养护记录+运营状态3部分组成，建立在1∶25万带状平面电子地图和3D影像图上。应用目标为祁离公司提供一个运营阶段直观、便利的管理工具。

a）采用GIS技术在带状电子地图内加载不同的图层：路线、桥梁、互通、涵洞、通道、隧道、服务区、收费站、机电。成为祁离高速专题地图（见图4），具有地图上缩放、平移、地图上要素确认等功能。

图4 祁离专用电子地图

关联后实现带状平面电子地图与3D影像图（见图5）相互切换，全方位查看路线及构筑物所在位置及相关信息。

图5 3D影像图

在3D影像图下提供5种查询功能：范围查询、定位查询、关键字查询、条件查询、类型查询。

b）路线运营状态+旅游景点介绍+服务区、收费站。

平面图反映祁县-离石高速公路路况，全线路线状况是否存在隐患，颜色上加以区别：绿色正常运行；黄色待检修路段，存在隐患重点监控路段；橘色限行路段；红色封闭路段（养护施工、事故）。

c）养护状态+历史养护记录。

依托互联网、移动技术围绕该高速公路路线图开展养护管理工作，将App上报的原始数据、卡口采集交通量数据转换成视觉结构（包括形状、位置、尺寸、色彩等），通过视觉的方式把它表现出来。

App采集一异常路段信息，巡检实地发现病害路段位置，巡检人员判断缺损原因，初步确定维修范围及方法，通过App与系统平台连接，路况反映到路线运营状态中以红、黄、绿表示。

3 档案管理

便于质量历史追溯，每项质量检测信息随着施工过程自动存档，后期逐次添加历年各项养护作业、质检记录、年度病害构件、病害类型等按损坏率排序一一存档。采用电子化、多媒体技术相结合，方便快速查找。

4 结语

公路建管养可视化信息平台在祁离公路建设中的开发应用，是多个新技术综合应用的具体体现，也是高速公路建设、运营、养护全周期的信息化建设应用过程，研发与实际工程建设紧密结合，给公路施工企业带来的不仅是一个高效的信息管理工具，更多的是提供一种施工全新理念。从应用情况及成果看，已成为项目管理强有力的工具，在管理方面发挥着无可比拟的作用。新技术的成功应用必须与公路建设特点相结合，满足其特色需求，才能得以发展，随着对新技术不断深入研发应用，将更加凸显其作用和实用性。