0 引言
作为交通运输领域的重要创新之一,旅游公路[1,2,3]的加速建设对基础设施数字化管理与服务提出了更高的要求。建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）为旅游公路数字化提供了天然的数据基础[4,5],助力实现交通参与者“车在路上走、人在景中游”的出行体验。2020年8月3日,交通运输部印发的《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》（交规划发〔2020〕75号）[6]中明确提出“鼓励在项目全生命周期协同应用建筑信息模型技术”。2021年2月25日,中共中央、国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》[7]中也要求“加快各领域建筑信息模型技术自主创新应用”。
不同于普通公路以“安全、快捷、通达”为建设目标,旅游公路的功能除了主要景区之间的安全通达外,更重要的是让游客慢下来,产生更多的旅游活动,促进路域旅游经济发展。旅游公路BIM应用区别于普通公路之处主要体现在以下4个方面：①BIM应用的目标不同：从全生命周期而言,BIM技术应用目标是支持旅游公路“安全、慢游、通达”目标的实现;②BIM建模对象不同：旅游公路工程中包含了自行车道、旅游步道、旅游服务区、旅游驿站、观景台、房车营地、露营地、旅游引导设施等,这些对象是普通道路上较少出现的;③更加注重以人为本的评价与优化：旅游公路是以人的“赏心悦目”为目标的交通产品,它的沿途景观、慢行系统、附属设施的设计效果很难定量评价,需要开展以人为本的评价、反馈和优化;④更加注重出行信息服务：结合BIM的旅游前、中、后期出行信息服务在运营阶段具有明确的应用需求和价值。
发达国家的旅游公路发展较早[8,9],打造了“美洲至爱大道”——蓝岭公路、“美国最美丽的公路”——1号公路、法国蔚蓝海岸公路、挪威大西洋海滨公路、瑞士格里姆瑟尔山公路等世界闻名的旅游公路,这些公路因建设较早,较少采用BIM技术,但均建设有活跃度较高的出行信息服务网站。国内旅游公路在“交旅融合”“全域旅游”等政策推动下,已经进入快速发展阶段,打造了赤水河谷旅游公路、海南滨海旅游公路、溧阳1号旅游公路等精品线路[10,11]。广东省河惠莞（龙川—紫金段）高速公路工程[12]利用BIM构建道路三维环境,结合不同景观分区的尺度、范围、要素进行景观设计,更好地体现了“客家文化”特点。重庆合川渠江景观大桥[13]桥塔曲面造型复杂,利用BIM开展了参数化建模、实时渲染、智能出图、3D打印及4D施工模型等应用,提升了设计质量与协同工作效率。山峡库区旅游公路改造工程[14]开展了BIM+GIS辅助选线、BIM桥梁景观协同设计、BIM辅助工程算量等设计应用,更好地体现了旅游公路安全、环保、舒适、和谐等理念。松滋洈水旅游快速通道工程[15]运用BIM+无人机航拍进行地形地貌测量,并利用BIM进行现场施工管理,助力提升“荆州最美旅游公路”的施工管理效率。西安市省道107关中环线大中修工程[16]利用BIM+倾斜摄影进行全线高精度建模,结合运维阶段需求,开发了BIM智慧管养云服务平台,打造了西安市“三河一山”绿道中的超级环线绿廊。作为广西壮族自治区交旅融合示范工程,都安—巴马高速公路[17]以BIM作为技术创新手段,紧密结合自然风光和旅游资源,使公路与沿线自然景观协调统一,完善了旅游公路服务功能。
针对以上问题,本文从供需两个角度对BIM技术在旅游公路中的应用方法展开系统研究。在分析我国旅游公路BIM应用现状的基础上,结合旅游公路特点对BIM的应用需求进行分析;基于旅游公路“安全、慢游、通达”这一定位,研究旅游公路全生命周期BIM的应用策划与实施方法,并提出不同阶段BIM的应用内容;结合具体工程实践与研究成果,介绍典型的旅游公路BIM创新应用案例,为旅游公路BIM深化应用提供参考。
1 旅游公路BIM应用现状与需求分析
旅游公路[21]是由公路主体及其附属设施、服务设施、慢行设施、信息解说设施、景观设施共同构成的综合系统。普通公路目的是通达,中间只是过程,而旅游公路目的除了通达更是体验,中间亦是终点。为系统分析旅游公路BIM应用现状,对国内88位旅游公路相关从业人员作定向问卷调查,对旅游公路BIM应用情况进行统计分析,结果如图1 所示。受访者参与的旅游公路工程中超过半数（64.78%）没有开展过BIM应用;23.86%的旅游公路开展过BIM应用,但仅构建了BIM模型;开展了BIM应用并建设有或未建设有集成平台的比例均为5.68%。综上可知,目前大多数旅游公路工程并未开展BIM应用,已开展的BIM应用中大多数仍停留在建模与可视化展示阶段,BIM深化应用的市场前景广阔。
进一步对已开展过BIM应用的旅游公路应用阶段进行统计,结果显示,应用于可研阶段的有51.61%,应用于设计阶段的有80.65%,应用于施工阶段的有45.16%,应用于管养阶段的有32.26%。可见,设计仍是旅游公路BIM应用最多的阶段,而管养阶段应用最少,这与整个公路工程BIM应用的现状基本一致,大多数的BIM模型与数据还没能很好地传递到运维阶段,BIM全生命周期应用的链条还没有被完全打通。
旅游公路除考虑与周边重要旅游资源的连通外,还对安全、景观、生态和环保要求较高,并重视旅游出行者的需求与在途体验。BIM技术以其中心化模型、全生命周期数据集成、空间定位、三维图形界面等优势,更有助于以上目标的实现。旅游公路工程可以分为可研、设计、施工、管养4个阶段,对不同阶段的BIM应用需求进行分析,如图2 所示。
如图2 所示,在可研阶段,可行性研究的论证结果往往决定了项目是否实施以及如何实施,项目研究责任大、数据准确采集难、沟通汇报难度大、辅助决策要求高。通过BIM方案比选、投资估算、标准符合性检验、空间分析等应用,辅助业主科学决策,遴选出性价比最优的方案。在设计阶段,通过BIM景观建模、设计方案可视化比选、道路安全性分析、工程量统计与成本估算、控制因素分析等应用,有助于更好地进行设计表达、沟通、汇报与决策。通过BIM图纸校核和碰撞检测,可以提前发现设计中的问题,减少设计变更,提高工程质量。在施工阶段,通过BIM施工过程模拟、施工组织保通、施工进度管理、安全风险管理等应用,有助于合理优化工期,管控施工进度,提升施工效率,保障施工安全与工程质量。在管养阶段,通过BIM与公路养护、运营管理、旅游营销宣传等业务需求的结合,支持旅游公路设施与状态管理、养护工程管理、交通运行监测、旅游公路出行信息服务、交通事件应急处置、旅游公路营销推广、高峰日游客管控引导等管理与服务。以上应用将有助于实现旅游公路建管养运的数据集成、辅助提升工程决策的科学性、提升旅游公路工程品质及旅游公路营销效果。
2 旅游公路BIM应用策划与实施内容
从全生命周期而言,BIM技术应用的目的是实现旅游公路建设与运营的“安全、慢游、通达”,在具体项目中需要综合考虑工程实际来策划和实现BIM的应用目标、内容、建模要求和集成平台功能。本节对旅游公路BIM应用策划与实施过程进行分析,并结合BIM应用需求,给出旅游公路BIM的实施内容。
应用策划是旅游公路BIM实施的前提,需要针对不同工程、不同阶段、不同需求,确定不同的BIM应用目标和实施内容。旅游公路BIM应用策划过程如图3 所示。工程特点和管理需求共同决定了BIM应用的目标,BIM应用目标决定了BIM应用内容的选择,BIM应用内容决定了BIM建模方法与模型精度,而工程管理和数据集成需求共同决定了BIM管理平台的架构与功能。这样的策划过程有利于聚焦BIM应用目的,约束应用边界,提高应用BIM实施是策划的逆过程（如图4 所示）,包括构建符合精度要求的BIM模型,实施服务于不同阶段、不同参与者的BIM应用内容,实现策划提出的BIM应用目标,结合旅游公路BIM管理平台的开发,支持旅游公路工程的科学管理。
以上策划与实施过程有助于优先满足旅游公路建设或运营中的核心诉求,提升旅游公路BIM应用的科学性与工程实效。基于旅游公路BIM应用需求分析结果,对需求驱动的BIM应用内容与成果形式进行分析并给出建议,如表1 所示。
表1 旅游公路BIM应用内容与成果形式 |
| 阶段 | 需求 | BIM应用内容 | 成果形式 |
|---|---|---|---|
| 可研 | 不同选线方案景观效果分析 | 实景建模与BIM选线比选 | 基于实景建模的选线方案BIM比选视频 |
| 旅游公路规划辅助决策 | 旅游公路规划BIM可视化 | 规划可视化视频 | |
| 资源保护分析 | 保护红线合规性BIM分析 | 辅助规划BIM插件 | |
| 设计 | 景观设计与在途体验分析 | 虚拟现实的BIM设计成果感知评价 | BIM+VR设计评价系统 |
| 设计方案可视化比选 | BIM设计方案可视化 | 对比视频 | |
| 工程量统计与成本估算 | BIM工程量与成本概算 | 带有工程量与成本属性的BIM模型 | |
| 道路安全性分析 | BIM+VR的道路安全性分析 | 设计标准符合性与道路安全性报告 | |
| 施工 | 关键、复杂节点施工过程模拟 | BIM施工模拟 | 模拟动画、AR施工图 |
| 施工质量管理与信息可追溯 | BIM施工质量管理 | 管理平台功能、包含质量可追溯相关信息的BIM模型 | |
| 施工进度管理 | BIM施工进度管理 | 进度管理甘特图、管理平台功能 | |
| 安全风险管理 | BIM安全风险识别与安全生产培训 | 管理平台功能、BIM+VR安全模训馆 | |
| 施工组织保通 | BIM+交通仿真的施工组织保通分析 | 施工组织动画与报告 | |
| 管养 | 旅游公路交通运行监测与应急处置 | BIM+视频分析的交通运行监测 | 管理平台功能、应急预案动画 |
| 旅游公路设施与状态管理 | BIM+IOT的公路设施及状态管理 | 管理平台功能、移动巡检App | |
| 旅游出行信息服务 | BIM全景式旅游出行信息服务 | 旅游公路出行信息服务网站、移动端App | |
| 日常养护巡查管理 | BIM日常养护巡查管理 | 管理平台功能、移动巡检App | |
| 养护工程管理 | BIM养护工程管理 | 养护前后对比模型 | |
| 旅游公路营销推广 | BIM旅游公路营销 | BIM旅游公路宣传视频、旅游公路虚拟骑行系统 | |
| 全生命周期 应用 | 数据互通 | BIM数据互通 | BIM与数据传递规范 |
| 模型交付 | BIM模型标准化交付 | BIM交付标准与可扩展方式 | |
| 跨阶段需求响应 | BIM综合应用 | 考虑运维需求的BIM建模与数据传递 |
3 旅游公路BIM应用创新实践
3.1 旅游公路典型对象BIM构建
旅游公路区别于普通公路的典型结构对象包括：慢行系统（包括自行车道、行人步道等）、驿站、观景台、房车营地、旅游交通服务设施等。慢行系统为线性工程,其建模方法与公路建模类似,采用Civil 3D、Infraworks等工具来实现BIM建模,需要使用部件编辑器根据慢行系统的横断面参数定制相应的Civil 3D部件（如图5 （a）所示）。旅游公路的驿站与房建结构类似,可采用Revit来构建驿站BIM模型（如图5 （b）所示）。旅游公路工程中还包括汽车营地、自行车租赁处、解说系统等旅游出行服务设施,可采用Revit、Inventor等工具来构建BIM（如图5 （c）所示）。Inventor在处理非标准结构的高精度建模方面具有明显优势。旅游公路标志牌与普通公路的标准和要求不完全相同,还需要对旅游公路的标志进行BIM参数化建模,可以采用Revit、Dynamo来快速构建交通标志的参数化BIM模型（如图5 （d）所示）。在结构建模的基础上还需要根据工程集成和管理要求,进行构件级的属性建模,模型中包括自行车最大限速、驿站最大客流量、停车场车位数等旅游出行相关的属性信息。
3.2 基于BIM+GIS的区域旅游公路规划辅助决策
相对于普通公路仅以连通为目标,旅游公路需要更多地考虑沿途地形、地貌、特色的保持,以及路域可见范围内景色的显现与优化,结合高清卫图、地面高程、倾斜摄影等数据快速构建目标区域的三维模型,利用BIM技术快速构建不同高程、不同线形的旅游公路方案,在三维空间对不同方案进行快速呈现、概算和分析,辅助提升工程决策的科学性。以某市旅游公路规划BIM可视化应用为例,该市规划了“一环、三纵、五联”的旅游公路路网结构,“一环”为旅游公路大环线,“三纵”为3条纵向山水连接线,“五联”为5条特色主题体验线。将BIM与GIS技术相结合,从宏观和中观两个层面对规划成果和特色进行可视化展示,并对关键结构对象、重点区位效果进行微观呈现,提高了规划汇报的沟通效率。
3.3 慢行系统BIM三维快速选线
旅游公路往往依照地形地貌进行设计,特别是自行车道、步行道等慢行系统,其平纵线形基本按自然地形设计,尽量避免高路堤、深路堑、常直线、高边坡和高挡墙等,以减少高填深挖,实现公路与景色的自然融合。图6 所示为某旅游公路慢行系统三维可视化BIM设计选线效果,包括了地形、河谷、主体公路、慢行系统等多类结构对象,针对不同对象特点选用适用的工具进行BIM构建,并实现了多类对象建模结果的整合,结合工程设计阶段的具体需求,对不同方案进行三维展示与对比,使设计意图的表达和理解更加准确。
3.4 基于BIM的路域景观分析与方案比选
旅游公路对路侧的景观设计要求较高,传统景观设计方法只能通过二维图纸和效果图来展示设计效果,而BIM建模与渲染可以更加直观、快速地呈现不同方案的景观设计效果,实现路域景观分析与不同设计方案的快速比选。某旅游公路改扩建工程景观改造前后的路侧景观对比如图7 所示,改造前道路两侧种植了柏树（见图7 （a））,给驾乘人员的感受较为庄重、肃穆,不符合旅游公路的景观设计要求;图7 （b）为改扩建后的景观效果,通过不同景观树种的穿插种植,使得路侧景观更加活泼、丰富,满足旅游公路“车在路上走、人在景中游”的设计要求。
3.5 基于BIM+VR的旅游公路设计评价与优化
相比普通公路,旅游公路更加重视出行者的感知与体验,VR为旅游公路的人本感知与评价提供了技术与工具支持[22]。利用构建得到的旅游公路BIM模型,结合纹理贴图、光照计算、PBR材质等提升真实感,实现旅游公路真实感场景的构建。进一步采用虚拟骑行、虚拟驾驶、虚拟步行、虚拟飞行等VR技术,实现不同感知方式的旅游公路设计成果感知与评价,支持以驾驶员、骑行者、步行者等不同交通参与者视角对旅游公路设计成果进行评价与反馈。图8 （a）为某河谷旅游公路的虚拟驾驶感知视角,通过HTC Vive的VR头盔和驾驶模拟器,可以实现驾驶第一视角的旅游公路感知与评价反馈;图8 （b）为某山区旅游公路的虚拟骑行示例场景,通过虚拟骑行系统可以实现骑行者视角的场景感知与设计评价方法,还可以通过骑行阻尼匹配,支持不同设计坡度的骑行阻力和骑行安全感实验与评价反馈。
3.6 基于BIM+交通仿真的旅游停车区布局与驻留时间分析
停车区是旅游公路的重要设施之一,科学的停车区布局有助于避免景区拥挤,提升旅游出行体验。通过构建停车区和车位布局的BIM模型,将BIM导入VISSIM等交通仿真软件,开展不同结构布局的交通运行仿真与车位布局分析。在旅游公路线路上,停车位数量对于景区效益有较大影响。某旅游公路停车区不同车位数量的旅游交通仿真分析示例如图9 所示。在图9 中,分别设置了6个和12个车位的路侧停车仿真情景,模拟在不同交通流量下停车位对旅游景点参观人数的影响。仿真结果显示,在相同的交通流量下,12个停车位的布局能吸引更多的游客。除此之外,通过BIM与交通仿真技术的结合,还可对路侧停车对主线交通的影响、停车位限制下的景区人流、停车位设计优化等问题进行分析。
3.7 在线气象数据驱动的旅游交通环境演化模拟
在集成的旅游公路BIM数字沙盘三维场景中,可以在线导入实时气象数据,实现数据驱动的旅游公路环境动态演化,用于支持旅游公路运营中的能见度研判、通行能力分析、路灯调节、信号灯设置、交通诱导信号发布、旅游交通信息发布等管理与服务功能。图10 （a）为雷雨天气的旅游公路场景实时渲染效果,图10 （b）为晴天光照条件下的实时渲染效果。采用Unity 3D引擎实现旅游公路BIM数字沙盘,并在沙盘场景中在线导入时间与气象数据,实现不同光照条件、不同时间段、不同天气条件下的旅游公路环境实时渲染,进而支持旅游公路运营管理与服务应用。
3.8 旅游公路BIM平台开发与资产管理
BIM为旅游公路基础设施数字化提供了数据基础,利用BIM技术的全生命数据集成、空间信息可视化表达、空间定位和3D图形界面等优势,集成旅游公路规划、设计、建设和管养阶段的数据与需求,可以实现旅游公路、驿站、机电设施、交安设施、旅游导览等基础设施资产的数字化管理。某旅游公路数字资产管理平台功能如图11 所示。平台集成了公路沿途重要驿站模型的基础信息及建筑图纸信息,支持属性查看、图纸操作、状态监测等功能,有效地解决了传统管理系统中模型、模型属性信息以及建筑图纸信息分离的问题。
以上旅游公路BIM创新应用的案例,可以为推动旅游公路的数字化管理与智能化服务提供参考。
4 结语
BIM为旅游公路数字化管理与服务带来了新的机遇与挑战,针对目前旅游公路BIM应用中存在的需求分析不足、缺少适用框架与案例参考等问题,本文在分析旅游公路BIM应用现状的基础上,系统梳理了旅游公路在可研、设计、施工、管养等阶段及全生命周期的BIM应用需求;对旅游公路BIM策划与实施过程进行了分析,明确了BIM应用目标、内容、模型要求和集成平台功能之间的关系,并结合应用需求分析结果,给出了旅游公路BIM的应用内容与成果形式;最后,结合研究团队前期的研究成果与实践经验,对BIM技术在旅游公路的BIM构建、规划可视化、慢行系统选线、景观设计评价、人本感知、停车区仿真分析、环境动态演化模拟、数字资产管理等方面的创新应用案例进行分析,为旅游公路BIM应用实践与创新发展提供参考。下一步将从旅游公路数字孪生构建、旅游公路BIM综合示范应用、基于Web BIM的旅游出行信息服务等方面开展研究工作。
