基于BIM技术的高速公路运维管理研究

刘盼盼

摘 要：高速公路一直以来是我国基础建设的重要组成部分，其中高速公路的运维管理是运营阶段的基础保障，而基于BIM技术的高速公路运维管理研究，是在我国公路交通行业数字化发展大背景下的新兴技术，是一种高效的项目管理工具。通过分析当前高速公路运维管理阶段的优缺点，结合现有BIM技术的可视化、数字化和模拟化的特点，根据两阶段施工设计图和实地概况，从兰海高速公路临洮至渭源段三维建模应用分析、实现各模块的信息管理、采用BIM技术+智慧图纸的共享应用模式、可视化交通流量动态模拟和深化设计等方面着手研究，进一步优化高速公路全生命周期主线左右幅、附属基础、通道、桥涵、隧道和标志标线的运维管理模式，改善在高速公路运维管理过程中以人工为主的检查、巡视和维护的传统模式，来提高运维管理效率，节约人力物料，也为全国高速公路网的快速发展和运维管理提供参考性的创新和见解。

关键词：BIM技术 运维管理 智能模拟 高速公路 可行性方案

1 引言

兰州至海口高速公路简称兰海高速公路（代号：G75），是连接甘肃省兰州市和海南省海口市的高速公路，起于甘肃省兰州市七里河区晏家坪东街，终于海南省海口市秀英区海口港，全长2570公里，是一条纵贯中国西部地区南北两端的重要国家高速公路，途经兰州-临洮-渭源-陇南-广元-南充-武胜-重庆-綦江-遵义-贵阳-都匀-河池-南宁-钦州-北海-湛江-海口等城市[1]。

兰海高速公路临洮至渭源段，起于临洮县曹家沟，顺接兰临高速公路，位于黄土高原区陇中《陇西》黄高原亚区，地处陇西黄土高原西南边缘的跳河、渭河分水岭，纵跨黄河流域，地势西北高东南低，地形相对复杂，有山梁、沟谷、川台地。途经玉井、会川，止于渭源县路园镇，全长62.666公里，主要涉及的设施有桥梁、隧道、通道桥、涵洞、边坡、排水沟和标志标线等。是兰州至海口国家高速公路的重要组成路段，是兰州市的又一东出口公路，是建设国家高速公路网和实施西部大开发战略的需要，也是巩固甘肃中部贫困地区经济发展基础，加速小康和谐社会建设的需要，推动甘肃旅游经济发展，促进马铃薯、中药材等区域资源优势向经济优势的转化的需要[2]。

2 BIM技术概念和内涵

BIM作为一种数据化工具由Autodesk公司提出，能将建筑信息综合集成起来，在建筑工程的设计和管理等方面发挥出巨大的作用，可以在工程项目整个生命周期中将相关数据互相传递和共享，为项目参与人员更加了解和应用项目中的各种信息。BIM技术即建筑信息模型（Building Information Modeling），这种建筑模型是以建筑工程项目的各项有关信息作为模型并以此为基础进行建筑模型建设。这类模型其实质就是利用数字信息来进行仿真，模仿建筑物建设过程，并模拟其中的相关确定的信息，这类建筑模型具有可视化、可调整、可模拟、可优化和可出图这五个特性。

当前，国内BIM技术的应用范围不断扩大，从施工设计到建筑过程，再到智能模拟，每一个阶段都是在不断成熟的过程。随着中國式现代化进程的加快，大数据时代也将进入斑斓的快节奏，但对于BIM技术在高速公路运维管理的应用却相对缺乏，相关的文献资料也较少，这样的现状不利于高速公路运维管理的创新发展，阻碍BIM技术生根于高速公路运维管理行业，对此基于BIM技术的高速公路运维管理研究显得尤为重要。

3 研究思路

针对高速公路运维管理研究，以高速公路可视化、数字化和模拟化为研究理念。主要包含的项目有路基工程、桥涵工程、白塔大桥487.5m/1座和渭源隧道994m/1座。比如在路基工程项目中采用双向四车道的形式，平曲线最小半径700米，最短坡长400米，最大纵坡4%等，根据这些数据创建兰海高速公路临洮至渭源段三维模型，而在创建模型过程中主要涉及到的软件模块有地形创建模块、三维建模模块和动态漫游模块。从地形的创建到三维模型的绘制，到项目模块信息化管理和深化设计，再到动态可视化模拟，贯穿于整个全生命项目建筑周期，为本文所研究的主要内容提供理论依据，将研究理念和设计成果有效结合，以不同的角度层次叙述高速公路运维管理可行性方案。

4 BIM技术在高速公路运维管理中的应用

4.1 应用BIM技术创建高速公路三维可视化模型

在高速公路建模之初，拍摄卫星图，应用地形绘制软件导出自然高程和设计高程，从而生成三维地形曲面，真实反映该地区的地形概况，再依据两阶段施工设计图提取所需建模参数，包括交点桩号，转弯半径，圆、缓和曲线、直线段长以及缓和曲线参数。利用路易2022—BIM道路设计系统的道路设计功能，设置建模参数，并采用曲线法完成路线设计，再转换成3D模式即可生成过路基、路堑和半填半挖的路基，后续的附属基础、通道、桥涵、隧道和标志标线都将以此为基础创建。

在创建的线路基础上，依据两阶段施工设计图所包含桥梁、隧道、通道桥、涵洞和标志标线的尺寸参数，在路易2022—BIM道路设计系统的附属设施功能区依次创建，生成与实况高速公路等观的三位可视化模型，同时增设与研究内容关联的车型、时速和车流量、各种警示牌和标志标线，为后期的可视化运维管理研究、模块化信息管理、深化设计、交通流量模拟和BIM技术+智慧图纸共享应用的研究提供技术支持和应用分析[4]。

通过本文所阐述的研究理念与三位可视化模型以及智能动态模拟作对比，能更直观清楚BIM技术在高速公路运维管理阶段的实用性，进一步推进BIM技术应用到公路交通行业。

4.2 应用BIM技术实现高速公路的信息管理

在应用BIM技术实现各模块的信息管理中，以兰海高速公路临洮至渭源段白塔大桥为例。依据两阶段施工设计图中所包含的桥梁上部和下部结构参数，进而创建等观的三维可视化模型，该模型将以数字形式保存于路易2022-BIM道路设计系统移动终端，也可以随时共享给其他相关工作人员，见图1。

在高速公路桥梁监测评估方面，主要包括桥梁结构、材料和承载能力的检查，经过对桥梁结构的红外线位移目测和超声波探测检查之后，通过桥梁三维可视化模型的各项参数来评估桥梁是否受重力而结构变形，能有效提高项目的整体管理水平，其三维可视化的查看形式，能有效避免复查二维平面图复杂难懂的数据信息，进一步优化大量数据信息的准确度和信息调度耗时，优化系统构架，为高速公路桥梁设计、养护与运营等综合管控系统的推进提供帮助，保障高速公路桥梁运维管理的长期稳定使用。

在桥梁定期巡检汇报方面，汛期中需要对桥梁进行定期巡检，来观测桥梁整体状态，以及周边环境安全。而在桥梁巡检后的总结汇报中，可以应用三维可视化模型和周边地形曲面概况的三维立体查看功能，更加清楚展示桥梁整体结构和周边环境的平稳状态，弥补文字论述和照片取景的不足。

4.3 应用BIM技术模拟高速公路交通流量

BIM技术模拟车流量是一种非常具有前景的应用，比传统利用公式计算车流量更具有智能性和准确性。当兰海高速公路临洮至渭源段三位可视化模型创建完成之后，即可绘制道路各种标志标线和警示牌，再应用路易2022—BIM道路设计系统的交通流量功能放置不同的车型、时速和安全间距，以此来模拟车流量，从而更加直观体现高速公路的拥堵情况，以及判断连续下坡和转弯时的车辆状态，以此来科学合理设置各种警示牌，帮助交通运营部门更加准确的制定交通计划和交通管理[5]。

另一方面，应用BIM技术的车流量模拟功能，还可以通过数字化的方式展示高速公路水平面的高度差和其他立体空间信息，这样公路护养单位就可以根据高度差数据和其他公路立体空间信息来改善高速公路平顺度，以不断提升驾驶人员的体验感，提高高速公路通行效率。

4.4 应用BIM技术深化高速公路设施设计设计

BIM技术的深化设计是本文研究地形曲面土方检算的基础，从地形图自然高程和设计高程的创建，到桥梁周围汛期安全环境的卡控，都是深化设计的运维管理理念。利用绘制的地形图不仅可以直观地形全貌，还可以对特殊路段边坡土方的体量进行计算，分析土方在重力与下表层摩擦力的平衡状态，判断路段边坡在汛期降雨增多导致滑坡的可能性，避免灾害事故的发生。

在高速公路运维管理方面，采用BIM技术+智慧图纸式共享应用能在定期业务培训和工作等方面提供便利。将三维可视化模型生成全方位动态图，以二维码或者软件发送的形式分享给其他相关工作人员，这样就可以不用到现场碰面实现业务交流；在高速公路运营单位定期业务培训中，为了提高业务培训的质量，采用BIM技术+智慧图纸的模式，这样就可以把现场项目数据和培训内容有效结合，有助于理解培训的内容，提高从业人员的业务技能水平[6]。

5 主要创新点

（1）充分利用BIM技術的可视化特点，将兰海高速公路临洮至渭源概况以三维的形式展示出来，通过建筑模型信息参数，工作人员在室内或者外地出差就能通过手机或电脑共享的三维画面全面核查项目中各桥梁、隧道和涵洞等建筑设施的运行状态是否异常，也能防止重要信息资料的丢失。同时，借助三维功能对建筑设施内部隐蔽工程的配筋、结构断面形式和材料属性进行验查，用来判定建筑结构是否发生变形，见图2。

（2）在高速公路涉及到车流量、标志标线和标识牌等规划设计方面，利用BIM技术的动态模拟功能，能有效弥补二维图纸和文字公式在模拟分析方面的不足。在兰海高速公路临洮至渭源段三维模型的基础上放置标志标线以及放置不同时速和车型的车辆来模拟运营时的高速公路通行能力，通过观察连续下坡、转弯和隧道桥梁的通行状态，来制定科学合理的标志标线、标识牌和设计时速。

（3）利用BIM技术的深化设计特点，能对路段周边的环境风险加以管控和预估，尤其在汛期来临时，路基坡脚区域由于植被缺乏容易出现滑坡现象，而利用BIM技术的土方体量验算功能，就可以智能分析土方重力大小与下表层土摩擦力的平衡状态，提前预防滑坡事故的发生，制定预防方案，也可以对周边区域作规划设计，避免擅自超限开发从而影响路基稳定，发生塌方事件。

6 总结语

本文以可视化和智能化为研究理念，基于BIM技术从三维建模分析、模块化信息管理、采用BIM技术+智慧图纸的共享应用模式、以及车流量动态模拟和深化设计等方面进行论述。在研究过程中应用动态模拟分析，利用现有技术支持，以及采用类比推理的方法，充分验证BIM技术在高速公路可视化运维管理的可行性，也将进一步推广BIM技术在高速公路领域的应用，推进全国高速公路网运维管理高质量发展。

参考文献：

[1]李冲.BIM技术在公路工程管理中的应用[J].交通世界，2016（17）：94-95.

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

[3]徐高丰，曾娟.BIM技术在公路设计中的应用研究[J].交通世界，2018（33）：80-82.

[4]张万庭.基于BIM技术的公路路线设计分析[J].人民交通，2018（11）.

[5]李金龙，王欣南，陈中治，望开潘.BIM技术在公路桥梁设计中的应用浅析[J].低温建筑技术，2019，41（02）：67-69.

[6]张小龙.基于BIM的公路勘察设计与实践研究[J].交通世界，2018（24）：20-21.