基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 設(shè)計(jì)了基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)中。通過對(duì)BIM Server進(jìn)行二次開發(fā)，以及對(duì)IFC和City GML進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了BIM+GIS的技術(shù)融合，并將其運(yùn)用到橋梁管養(yǎng)中，優(yōu)化了橋梁信息的表達(dá)方法。同時(shí)制定評(píng)估決策機(jī)制，生成橋梁養(yǎng)護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)橋梁管養(yǎng)自動(dòng)化。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁的信息化、可視化和精細(xì)化管理，提高了橋梁管養(yǎng)工作的效率。

關(guān)鍵詞： BIM; GIS; 橋梁檢測(cè); 三維可視化

中圖分類號(hào)： TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of a Bridge Maintenance System Based on BIM+GIS

JIAN Rongmei

（School of Electronic and Control Engineering， Changan University， Xian 710064）

Abstract： This paper applies BIM+GIS technology to bridge management and maintenance， and designs a bridge management and maintenance system based on BIM+GIS. The integration of BIM and GIS is realized by the secondary development of BIM Server and the expansion of data standard for IFC and City GML. BIM+GIS is applied to bridge management and maintenance to optimized the expression method of bridge information. At the same time， the evaluation decision-making mechanism is established， and the bridge maintenance plan is generated to realize the automation of bridge management. The system improves the efficiency of bridge management through the informationization， visualization and refined management of the bridge.

Key words： BIM; GIS; Bridge detection; Three-dimensional visualization

0 引言

道路橋梁在我國(guó)交通運(yùn)輸網(wǎng)中擔(dān)任著重要的角色。改革開放以來，我國(guó)橋梁總數(shù)急劇增長(zhǎng)。然而迅猛發(fā)展的經(jīng)濟(jì)也給社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施帶來了重大的負(fù)擔(dān)，隨著橋梁的建成使用時(shí)間增長(zhǎng)，橋梁的技術(shù)狀況呈現(xiàn)下降趨數(shù)，會(huì)出現(xiàn)種類不同、程度不同的結(jié)構(gòu)損傷和病害。若不能及時(shí)對(duì)這些損傷和病害進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，一旦發(fā)生垮塌，可能會(huì)造成無法挽回的損失。為保障橋梁的安全性，及早規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)橋梁進(jìn)行科學(xué)的檢測(cè)，并為養(yǎng)護(hù)人員制定出及時(shí)有效的養(yǎng)護(hù)措施。

目前，國(guó)內(nèi)外無數(shù)研究學(xué)者在橋梁管養(yǎng)方面進(jìn)行了大量研究并取得了重大突破。Brendan McGuire等人通過BIM模型實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁技術(shù)狀況的評(píng)估和跟蹤，該方法表明BIM可以有效地提高橋梁檢查效率和促進(jìn)自動(dòng)化評(píng)估[1];Rebecca Atadero等人利用BIM模型跟蹤和評(píng)估橋梁的結(jié)構(gòu)狀況，認(rèn)為BIM模型為捕獲損壞位置信息提供了新的機(jī)會(huì)，推進(jìn)了對(duì)退化模式及其對(duì)橋梁構(gòu)件容量的研究[2];N S Dang等人將BIM技術(shù)應(yīng)用到橋梁預(yù)防性維護(hù)中，創(chuàng)建了基于圖像的橋梁維護(hù)系統(tǒng)[3-4];王子（Saud Mohammed）將組件式GIS與橋梁監(jiān)測(cè)相結(jié)合，提出并設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，推進(jìn)了GIS在橋梁監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[5];劉玲將BIM+GIS技術(shù)運(yùn)用到公路養(yǎng)護(hù)中，提出了公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的新方法[6]。柴干等人將Web-GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)中，實(shí)現(xiàn)了橋梁養(yǎng)護(hù)中的信息共享和區(qū)域性管理[7];徐剛，劉延宏等人討論了BIM+GIS 技術(shù)在城市和鐵路建設(shè)之中的具體應(yīng)用[8-9]，為本文將BIM+GIS應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)提供了思路。湯圣君等人通過研究IFC到City GML的語義映射規(guī)則，提出了一種語義信息互操作方法[10]，郝蕊等人采用快速建模方法，將BIM+GIS應(yīng)用到鐵路建設(shè)和管理中，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)信息化、可視化管理[11];武鵬飛等人對(duì)BIM+GIS融合技術(shù)方法和集成應(yīng)用進(jìn)行了討論，提出了通過發(fā)展新型數(shù)據(jù)模型，優(yōu)化信息表達(dá)形式實(shí)現(xiàn) BIM+GIS融合[12]，為本文實(shí)現(xiàn)BIM+GIS融合提供了理論基礎(chǔ)。在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，本文將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)之中，提出并設(shè)計(jì)了基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)橋梁管養(yǎng)的信息化、可視化、精細(xì)化管理。

1 BIM+GIS融合技術(shù)

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）理念于2002年在美國(guó)被提出并得到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[13]，它通過將工程項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)集成在一個(gè)三維模型中，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目“所見即所得”，是全生命周期管理的重要手段，是CAD繪圖技術(shù)的一次革命性突破。目前常用的BIM建模平臺(tái)有Autodesk、Bentley、Tekla等，其中Autodesk Revit由于其龐大的族庫(kù)，應(yīng)用最為廣泛。BIM理念在2004年被引入中國(guó)，由于其具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性和可視化等眾多特點(diǎn)[14]，到目前為止應(yīng)用廣泛，在橋梁養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)用的效果也十分顯著。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種集成性計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以地理空間數(shù)據(jù)為對(duì)象，以系統(tǒng)工程和信息科學(xué)等相關(guān)方法為手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的采集、存儲(chǔ)、和管理分析等功能[15]。GIS技術(shù)起源較早，最早由加拿大Roger Tomlinson 1963年提出，20世紀(jì)80—90年代，由于計(jì)算機(jī)的普及，GIS快速發(fā)展，到目前為止，廣泛應(yīng)用到電信、交通、城市規(guī)劃和軍事等眾多領(lǐng)域。

BIM是一種“中觀+微觀”的表達(dá)方式，側(cè)重于建筑物局部信息精細(xì)化表達(dá)，但在宏觀建模方面表現(xiàn)差強(qiáng)人意，無法加載大范圍地理空間數(shù)據(jù);GIS是一種“宏觀+大場(chǎng)景”表達(dá)模式，側(cè)重于空間拓?fù)淙直磉_(dá)，但是在創(chuàng)建精細(xì)化內(nèi)部微觀模型方面表現(xiàn)的差強(qiáng)人意。BIM與GIS的關(guān)系如圖1所示。

它們存在一種互補(bǔ)關(guān)系，將BIM與GIS進(jìn)行融合，GIS提供基礎(chǔ)框架，BIM提供精準(zhǔn)信息模型，進(jìn)一步加強(qiáng)信息共享。

BIM和GIS分別使用IFC（Industry Foundation Classes）和City GML（City Geography Markup Language）兩種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，兩種標(biāo)準(zhǔn)存在著較大的差異，如下表1所示。

實(shí)現(xiàn)BIM+GIS技術(shù)融合，也就要實(shí)現(xiàn)IFC和City GML兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的互聯(lián)互通，目前常用的方法有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展和基于本體的GIS與BIM融合。

本系統(tǒng)通過開發(fā)二次接口，在BIM Sever中集成BIM模型和GIS模型，開發(fā)基于BIM模型的GIS應(yīng)用模塊，并對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展。BIM+GIS技術(shù)融合路線如圖2所示。

通過Autodesk Revit 2016建立橋梁模型，并對(duì)其進(jìn)行輕量化處理，使其能在web端快速顯示，通過傾斜攝影和世界地圖，得到GIS模型。通過對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)和CityGML標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行語義擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)BIM模型與GIS模型的融合，實(shí)現(xiàn)BIM+GIS模型與數(shù)據(jù)的整合，在整合模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)ArcGIS、BIMSever的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)模型的信息查看與展示。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)（Database）的作用是將數(shù)據(jù)按照特定規(guī)律進(jìn)行存儲(chǔ)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)的組織和管理。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)可以稱得上是目前運(yùn)行速度最快的SQL語言數(shù)據(jù)庫(kù)。相比較于其他數(shù)據(jù)庫(kù)，mysql數(shù)據(jù)庫(kù)具有數(shù)據(jù)處理量大、支持常見SQL語句規(guī)范、運(yùn)行效率快，可移植性高等特點(diǎn)，以及便捷的調(diào)試管理功能。

一般來說，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)可分為使用需求分析、總體概念設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)等4個(gè)階段。本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)由于其運(yùn)行速度快而使用廣泛。根據(jù)橋梁病害管養(yǎng)系統(tǒng)需要，我們?cè)赽ridgeinfo_manager database數(shù)據(jù)庫(kù)添加以下數(shù)據(jù)庫(kù)表，如表2所示。

項(xiàng)目管理信息主要包含項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目起止時(shí)間、設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、管養(yǎng)單位，以及項(xiàng)目詳細(xì)信息，如表3所示。

檔案管理信息主要包括設(shè)計(jì)圖紙、施工圖紙、竣工材料、加固圖紙等，如表4所示。

橋梁病害信息包括病害位置、病害類型、病害范圍等，如表5所示。

技術(shù)評(píng)定反饋表包括各部分橋梁技術(shù)狀況、整體橋梁技術(shù)狀況、評(píng)定結(jié)果以及維修方案等。

這些數(shù)據(jù)表涵蓋橋梁管養(yǎng)的各個(gè)方面信息，有利于實(shí)現(xiàn)橋梁一體化管理和全生命周期管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，通過電子巡檢、傳感器以及監(jiān)控視頻的方式采集數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)BIM數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、用戶信息、工程信息和業(yè)務(wù)信息，前臺(tái)應(yīng)用通過數(shù)據(jù)接口和組件訪問服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維展示和可視化操作，如圖3所示。

3.2 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖3.2所示，首先根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙等資料，用Revit建立三維模型，為了可以實(shí)現(xiàn)BIM模型的Web端顯示，利用三維模型輕量化技術(shù)對(duì)BIM模型進(jìn)行處理。通過傾斜攝影等技術(shù)得到GIS模型，通過BIM+GIS融合技術(shù)，將帶有地理信息的橋梁模型導(dǎo)入橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)。通過電子巡檢上傳橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括橋梁病害圖片，病害信息描述等信息。橋梁模型構(gòu)件通過唯一ID標(biāo)識(shí)，并于現(xiàn)實(shí)橋梁的構(gòu)件掛接，將檢測(cè)到的病害在BIM+GIS模型上進(jìn)行標(biāo)識(shí)和三維展示，不同病害記錄的唯一標(biāo)識(shí)是病害記錄ID，每完成一次橋梁檢測(cè)，對(duì)現(xiàn)有的橋梁病害記錄進(jìn)行自動(dòng)更新。系統(tǒng)根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定[16-18]，依據(jù)公路、橋梁、涵洞評(píng)定養(yǎng)護(hù)規(guī)范[19-21]規(guī)定，根據(jù)構(gòu)件各種檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如式（1）。

（1）式中：SPCI—橋梁上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分;SBCI—橋梁下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分;BDCI—橋面系技術(shù)狀況評(píng)分;Dr—橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分;m—部件種類數(shù);WD—橋面系權(quán)重;Wi—部件權(quán)重;WSP—上部結(jié)構(gòu)權(quán)重;WSB—下部結(jié)構(gòu)權(quán)重。

系統(tǒng)根據(jù)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)意見，橋梁管養(yǎng)部門可結(jié)合橋梁現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)養(yǎng)護(hù)意見進(jìn)行修改優(yōu)化，制定出完整的養(yǎng)護(hù)方案，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，需要對(duì)維修結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收，保證維修的質(zhì)量，驗(yàn)收合格則本次維修結(jié)束，進(jìn)入下一階段的橋梁養(yǎng)護(hù)工作，如圖4所示。

4 系統(tǒng)主要功能

4.1 橋梁信息可視化

通過BIM模塊，可以實(shí)現(xiàn)橋梁模型的三維展示，同時(shí)通過上位機(jī)操作菜單對(duì)橋梁BIM模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察、平移、剖切、爆炸、測(cè)量、第一視角漫游、顯示選中組件特性、設(shè)置模型、場(chǎng)景渲染等操作，將橋梁病害信息在BIM模型上進(jìn)行標(biāo)記，通過點(diǎn)擊病害標(biāo)記點(diǎn)，查看病害詳情;通過GIS模塊，通過坐標(biāo)標(biāo)記的方式，對(duì)橋梁區(qū)域布局進(jìn)行宏觀展示;通過BIM+GIS模塊，將單一橋梁模型結(jié)合其地理環(huán)境進(jìn)行展示，優(yōu)化信息表達(dá)方式。BIM+GIS模型，如圖5所示。

4.2 輔助決策機(jī)制

通過橋梁管養(yǎng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采集到的橋梁病害數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，根據(jù)各部分得分及相應(yīng)權(quán)值計(jì)算橋梁技術(shù)狀況得分，劃分橋梁評(píng)定等級(jí)，提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)建議，橋梁管養(yǎng)部門可通過本系統(tǒng)查詢并打印橋梁檢查報(bào)告，下發(fā)管養(yǎng)指令，實(shí)現(xiàn)橋梁管養(yǎng)自動(dòng)化。

4.3 項(xiàng)目管理

管理多個(gè)項(xiàng)目資源，每個(gè)項(xiàng)目獨(dú)立存在，配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，互不干擾。每個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙資料、施工資料、竣工資料、驗(yàn)收資料、以及不同批次的管養(yǎng)維修記錄存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)庫(kù)，可以通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行查詢，也可以為管養(yǎng)部門制定最終維修方案，提供數(shù)據(jù)支撐。

5 總結(jié)

本文介紹了BIM技術(shù)和GIS技術(shù)結(jié)合的方法路線，并將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)中，提出并設(shè)計(jì)了基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，進(jìn)一步加強(qiáng)橋梁信息共享，實(shí)現(xiàn)了橋梁信息化、可視化、精細(xì)化管理，同時(shí)可以作為橋梁養(yǎng)護(hù)管理部門的輔助決策工具，是橋梁管養(yǎng)自動(dòng)化具體實(shí)踐。目前，BIM+GIS融合還存在部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失的情況，還有待改進(jìn)。

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（收稿日期： 2019.07.19）

基金項(xiàng)目：校級(jí)科研創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目（300103002070）

作者簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)容梅（1995-），女，陜西漢中人，碩士研究生。研究方向：交通BIM技術(shù)及應(yīng)用。文章編號(hào)：1007-757X（2020）02-0067-04