基于GIS+BIM技術(shù)的營(yíng)運(yùn)高速公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)研究

陳曉敏 李煥強(qiáng)

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030)

引言

BIM(建筑信息模型，Building Information Modeling)是基礎(chǔ)設(shè)施的物理特性和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，包括了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等過(guò)程的產(chǎn)生的各種類(lèi)型信息。相比于傳統(tǒng)的信息管理方式， BIM 模型能夠整合分散信息源[1]，為高速公路橋梁的數(shù)字化運(yùn)維提供了唯一的數(shù)據(jù)載體和可視化展示平臺(tái)[2]。

GIS(地理信息系統(tǒng)，Geographic Information System)是以空間分析、空間數(shù)據(jù)庫(kù)和三維可視化為核心，以地理空間數(shù)據(jù)為對(duì)象進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS 對(duì)于宏觀的地理空間信息表達(dá)有著天然的優(yōu)勢(shì)，而B(niǎo)IM 模型在構(gòu)建高速公路三維空間信息和結(jié)構(gòu)性能方面有著強(qiáng)大的能力。將 BIM 模型和 GIS 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn) BIM 模型與二維、三維地理信息的交互融合，可以極大地提高公路等線性工程和城市等區(qū)域工程的智慧化管理能力。

橋梁是公路工程的重要節(jié)點(diǎn)，橋梁安全可靠的運(yùn)營(yíng)對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，而橋梁養(yǎng)護(hù)維修則是維持橋梁結(jié)構(gòu)健康的重要手段。橋梁定期檢測(cè)結(jié)果是橋梁技術(shù)狀況評(píng)定和橋梁養(yǎng)護(hù)決策的主要依據(jù)[3]，橋梁健康監(jiān)測(cè)則是橋梁在復(fù)雜運(yùn)營(yíng)環(huán)境、重載交通條件下或當(dāng)運(yùn)營(yíng)狀況發(fā)生異常時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和維修方案提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)[4]。

目前，BIM技術(shù)大多被用于橋梁的設(shè)計(jì)階段與施工階段[5-8]，而將其運(yùn)用到橋梁養(yǎng)護(hù)階段的研究應(yīng)用較少。宋華[9]提出了基于BIM技術(shù)的橋梁健康狀態(tài)的三維可視化展示分析方案，通過(guò)Dynamo建立橋梁輕量化模型,將橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在模型上的三維可視化，升級(jí)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線動(dòng)態(tài)查看功能以及自動(dòng)報(bào)警功能。曹海盛[10]通過(guò)分析橋梁監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，提出了基于BIM的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)際工程案例搭建了基于BIM的橋梁健康監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)。李成濤[11]提出了一種基于BIM技術(shù)的橋梁病害三維可視化展示分析的方案，該方案研究了橋梁病害標(biāo)記體屬性、維度的匹配問(wèn)題，并基于WebGL技術(shù)開(kāi)發(fā)了橋梁病害三維可視化在線軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫、一般局部病害、構(gòu)件對(duì)象損傷程度和病害歷史等病害演化的三維可視化展示。陳寧[12]針對(duì)目前橋梁病害分布散亂、缺乏全局觀察判斷方法的問(wèn)題, 利用BIM技術(shù)對(duì)橋梁病害分布情況開(kāi)發(fā)了一種三維可視化橋梁病害信息采集、管理和展示分析系統(tǒng)。

這些研究在橋梁養(yǎng)護(hù)工作的數(shù)字化方面取得了一些成果，但在橋梁的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合以及數(shù)字化應(yīng)用方面仍缺乏系統(tǒng)的研究。因此，本文通過(guò)融合橋梁BIM數(shù)據(jù)、橋梁檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)歷史等數(shù)據(jù)，在橋梁病害溯源分析和發(fā)展趨勢(shì)分析、橋梁養(yǎng)護(hù)維修決策分析及橋梁養(yǎng)護(hù)效果后評(píng)價(jià)等方面做了積極有效的探索。

2 基于GIS+BIM的橋梁養(yǎng)護(hù)平臺(tái)整體架構(gòu)

橋梁養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)合了實(shí)際養(yǎng)護(hù)管理需求，基于成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、文檔管控技術(shù)、云平臺(tái)搭建技術(shù)、GIS+BIM平臺(tái)技術(shù)等，在現(xiàn)有的GIS+BIM平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)平臺(tái)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，業(yè)務(wù)層包括日常巡查、小修保養(yǎng)、定期檢測(cè)、專(zhuān)項(xiàng)養(yǎng)護(hù)、健康監(jiān)測(cè)、智聯(lián)管控。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)終端包括電腦終端、移動(dòng)端和Web端，具體功能如表1所示。

表1 基于GIS+BIM橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)各終端功能部署

橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要組成如圖2所示，主要包括：系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、檢查信息數(shù)據(jù)庫(kù)(日常巡檢和定期檢測(cè))、健康監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、橋梁技術(shù)狀況評(píng)定信息數(shù)據(jù)庫(kù)和養(yǎng)護(hù)維修信息數(shù)據(jù)庫(kù)(日常小修保養(yǎng)和專(zhuān)項(xiàng)工程)。

圖2 橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

3 工程實(shí)例

杭金衢高速紅墾樞紐位于杭金衢高速公路杭紹段，是杭金衢高(G60)、杭甬高速(G92)和杭州繞城高速公路(G2504)三條高速交匯處，交通繁忙。由于匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)中等功能性病害且發(fā)展較快，故在2019年7月進(jìn)行了應(yīng)急性改建。改建后應(yīng)用了GIS+BIM技術(shù)對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)采集、管理和分析。

3.1 橋梁BIM模型建立

本項(xiàng)目采用Bentley OpenBridge Modeler進(jìn)行橋梁建模并附加構(gòu)建編碼屬性(如圖3所示)，按照養(yǎng)護(hù)實(shí)際需求對(duì)箱梁按照底板、腹板、頂板進(jìn)行構(gòu)件拆分獨(dú)立(如圖4所示)。

圖3 橋梁構(gòu)件屬性表

圖4 箱梁底板單獨(dú)拆分示意

3.2 BIM模型、檢測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和GIS平臺(tái)融合

在橋梁數(shù)字化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)中，橋梁養(yǎng)護(hù)的數(shù)據(jù)信息集成及應(yīng)用是核心，BIM模型是數(shù)據(jù)承載的載體，BIM模型構(gòu)件編碼是唯一身份ID，GIS平臺(tái)是管理集群化橋梁的基礎(chǔ)。因此，BIM模型、橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)(主要包括檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)施工數(shù)據(jù))及GIS平臺(tái)融合是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)作的關(guān)鍵。針對(duì)紅墾樞紐橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)的應(yīng)用需求，橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)融合架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 5所示。

圖5 橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)圖

輕量化的BIM模型是實(shí)現(xiàn)大體量模型在Web端、移動(dòng)端使用的前提。因此,橋梁BIM模型首先要輕量化再導(dǎo)入GIS平臺(tái)。

依據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)管理中的對(duì)橋梁構(gòu)件劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)信息、監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行編碼重構(gòu)，使其與BIM模型構(gòu)件編碼保持一致。根據(jù)現(xiàn)有養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)類(lèi)型，建立橋梁基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。橋梁基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)包含橋梁卡片信息、圖紙資料、施工信息、材料信息等； 橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各種傳感器參數(shù)、傳感器位置、維護(hù)信息； 橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括日常檢查、定期檢測(cè)、日常小修、專(zhuān)項(xiàng)養(yǎng)護(hù)等信息。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

(1)可視化橋梁周邊地理信息展示和GIS測(cè)量

通過(guò)與GIS系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，可以迅速查詢了解橋梁所處環(huán)境周邊地理信息，并且提供基本三維測(cè)量功能(如圖6所示)，例如：距離測(cè)量、高度測(cè)量、面積測(cè)量、體積測(cè)量。通過(guò)GIS地理信息和測(cè)量功能，對(duì)日常巡查方案進(jìn)行提前規(guī)劃，對(duì)重點(diǎn)檢測(cè)部位進(jìn)行可視化規(guī)劃，提高養(yǎng)護(hù)工作效率。

圖6 系統(tǒng)基本測(cè)量功能

(2)基于BIM模型的橋梁巡檢系統(tǒng)應(yīng)用

基于BIM+GIS 標(biāo)準(zhǔn)化人工巡查系統(tǒng)(如圖7所示)利用移動(dòng)終端不僅可以顯示橋梁BIM模型及其構(gòu)件， 還可以隨時(shí)查詢橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)信息、巡查歷史信息以及養(yǎng)護(hù)維修信息； 在錄入橋梁病害信息時(shí)可以直接在三維界面上直接選中構(gòu)件，定位病害相對(duì)準(zhǔn)確位置，提高巡檢的效率。

圖7 橋梁巡檢系統(tǒng)主界面

(3)GIS+BIM+IoT橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器位置描述通常采用文字+GIS平面圖示方式，對(duì)于傳感器布置密集橋梁，無(wú)法準(zhǔn)確定位傳感器位置。在引入GIS+BIM技術(shù)之后，傳感器位置與橋梁構(gòu)件綁定關(guān)聯(lián)，即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)與橋梁構(gòu)件養(yǎng)護(hù)歷史等關(guān)鍵信息關(guān)聯(lián)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不局限與閾值預(yù)警單項(xiàng)功能(如圖8所示)。通過(guò)GIS+BIM技術(shù)擴(kuò)展健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，為橋梁全生命周期的養(yǎng)護(hù)維修提供可靠的數(shù)據(jù)載體。

圖8 橋梁監(jiān)測(cè)設(shè)備與BIM模型融合

(4)橋梁病害快速查詢和統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)目錄樹(shù)查詢構(gòu)件，或者直接在三維場(chǎng)景右鍵構(gòu)件顯示屬性框，顯示構(gòu)件病害查詢功能，即可顯示該構(gòu)件全部病害、構(gòu)件得分、位置信息、檢測(cè)人員信息、檢測(cè)時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)病害圖片等關(guān)鍵信息(如圖9所示)。橋梁隱蔽部位較多，基于BIM模型可視化展示病害功能，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行全方位展示；對(duì)病害的缺損程度以不同顏色形式進(jìn)行展示并且對(duì)提供病害分類(lèi)展示功能；了解不同病害類(lèi)型的分布情況，并且關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)照片，歷史養(yǎng)護(hù)信息及其檢測(cè)數(shù)據(jù)，并基于4D時(shí)間動(dòng)態(tài)展示功能掌握橋梁病害的發(fā)展趨勢(shì)。

圖9 基于BIM模型的橋梁構(gòu)件病害信息

(5)橋梁養(yǎng)護(hù)可視化輔助決策

基于GIS+BIM的橋梁養(yǎng)護(hù)輔助決策系統(tǒng)可以做到?jīng)Q策的可視化。對(duì)于單橋方面，在橋梁BIM模型的基礎(chǔ)上，記錄病害現(xiàn)場(chǎng)照片的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?yàn)轲B(yǎng)護(hù)決策者在病害成因分析提供初步判斷，同時(shí)將不同檢測(cè)時(shí)間的病害圖像相互關(guān)聯(lián)，能夠?qū)Σ『Φ陌l(fā)展進(jìn)行全面的分析，制定更全面準(zhǔn)確的養(yǎng)護(hù)方案。對(duì)于橋梁群來(lái)講，基于3D GIS的橋梁技術(shù)狀況展示分析，可以為路網(wǎng)級(jí)的橋梁養(yǎng)護(hù)決策提供更廣泛的分析平臺(tái)。

(6)橋梁養(yǎng)護(hù)效果后評(píng)價(jià)

基于GIS+BIM的橋梁可視化技術(shù)以病害類(lèi)型和維修措施為索引，建立單橋級(jí)構(gòu)件養(yǎng)護(hù)效果后評(píng)價(jià)機(jī)制，通過(guò)對(duì)養(yǎng)護(hù)維修后構(gòu)件病害進(jìn)行可視化追溯，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)維修措施優(yōu)化提供參考。具體實(shí)施步驟為：以維修后為時(shí)間軸起點(diǎn)，對(duì)于同類(lèi)型構(gòu)件維修后的技術(shù)狀況評(píng)分隨時(shí)間的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)趨勢(shì)圖并結(jié)合BIM模型上展示進(jìn)行可視化分析展示，如圖10所示。

圖10 維修后橋墩技術(shù)狀況評(píng)分變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)管理中橋梁基礎(chǔ)資料系統(tǒng)、橋梁定期檢測(cè)系統(tǒng)、橋梁日常巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各自相互獨(dú)立以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不互通所造成的數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，本文基于GIS+BIM技術(shù)，以橋梁構(gòu)件為基本單位，將橋梁基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)、日常巡檢數(shù)據(jù)及橋梁健康檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，取得了以下成果：

(1)通過(guò)依托項(xiàng)目，建立一套基于GIS+BIM橋梁養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)，通過(guò)接口開(kāi)發(fā)整合現(xiàn)存的橋梁日常檢查與定期檢測(cè)，提供橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)移動(dòng)端采集系統(tǒng)，及進(jìn)上傳日常巡檢數(shù)據(jù)；

(2)通過(guò)多方橋梁養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)整合及橋梁BIM模型可視化特點(diǎn)，在橋梁病害溯源分析和發(fā)展趨勢(shì)分析，以及橋梁養(yǎng)護(hù)維修決策分析和橋梁養(yǎng)護(hù)效果后評(píng)價(jià)的過(guò)程中，打破了原有工作模式中存在的數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，做了積極有效的探索。