BIM＋GIS技術(shù)應(yīng)用于在役橋梁智慧運營平臺的架構(gòu)功能研究

摘要：為有效提升橋梁運維效率與安全性，文章深入探討了BIM與GIS技術(shù)的融合，分析了其在橋梁運維數(shù)據(jù)管理、可視化展示以及決策支持等方面的應(yīng)用，探討了在役橋梁智慧運營平臺主要功能的實現(xiàn)，以期為橋梁智慧運營領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持，并為橋梁運維智慧化、智能化發(fā)展指明方向。

關(guān)鍵詞：BIM；GIS；在役橋梁；智慧運營平臺

中圖分類號：U445.4A511613

0 引言

在役橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，其智慧運營對于保障交通暢通與橋梁安全至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)橋梁運營管理模式面臨著效率低下、數(shù)據(jù)孤島等挑戰(zhàn)，不能很好地滿足現(xiàn)代化運營的需求。BIM與GIS技術(shù)的融合應(yīng)用為橋梁智慧運營帶來了新的契機與可能。BIM技術(shù)能夠提供精細(xì)化的橋梁信息模型，而GIS技術(shù)則能實現(xiàn)對橋梁地理空間信息的全面感知與分析。二者結(jié)合有望解決傳統(tǒng)模式中的痛點，顯著提升橋梁運營管理的智能化水平。

1 BIM與GIS技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)

BIM（建筑信息模型）作為一種數(shù)字化的工具，主要功能為表達(dá)建筑、基礎(chǔ)設(shè)施等物理與功能特性的綜合信息。目前，BIM技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)領(lǐng)域中，其借助三維模型的方式，有效集成工程項目的材料屬性、構(gòu)件連接、幾何與空間關(guān)系等詳細(xì)信息。該技術(shù)提高了設(shè)計的精確性與協(xié)同效率，有助于項目參與者在各個階段都可以更好地理解與溝通設(shè)計意圖。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，BIM技術(shù)的應(yīng)用在提高項目質(zhì)量、優(yōu)化設(shè)計流程及減少錯誤與沖突等方面具有顯著優(yōu)勢［1］。尤其是在復(fù)雜的橋梁工程中，BIM技術(shù)可以助力實現(xiàn)更精細(xì)化的設(shè)計與管理，并為工程項目的成功實施奠定堅實的基礎(chǔ)。

1.2 GIS技術(shù)

GIS（地理信息系統(tǒng)）作為一種專門用于收集、存儲、管理、分析與表達(dá)地理空間信息的系統(tǒng)，核心主要在于對空間數(shù)據(jù)的處理與分析能力，有效整合多種來源的地理數(shù)據(jù)，并利用地圖、圖表等形式來直觀呈現(xiàn)空間分布、關(guān)聯(lián)及變化。在地理空間信息分析與表達(dá)方面，GIS擁有強大的能力，能夠完成空間分析、空間統(tǒng)計、空間查詢等操作，從而為后續(xù)決策提供重要依據(jù)［2］。與此同時，該技術(shù)還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，從而幫助使用者更好地理解空間信息。在橋梁智慧運營平臺中，應(yīng)用GIS技術(shù)可以實現(xiàn)對橋梁周邊環(huán)境、地理位置等空間信息的全面感知與分析，以此為橋梁的運維管理、安全監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

1.3 BIM與GIS融合

BIM與GIS的融合已經(jīng)成為工程建設(shè)領(lǐng)域信息技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。其中，BIM技術(shù)以精細(xì)化的三維模型為基礎(chǔ)，重點關(guān)注建筑構(gòu)件的詳細(xì)信息及其相互關(guān)系；而GIS技術(shù)則具有宏觀的空間視角，側(cè)重于整合與分析地理空間信息。二者的融合點在于有效結(jié)合BIM的微觀模型數(shù)據(jù)與GIS的宏觀空間數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)多維度的信息交互與共享。在橋梁智慧運營方面，BIM與GIS的融合潛力巨大，借助BIM模型能夠精確管理橋梁的維護歷史、構(gòu)件信息等數(shù)據(jù)；而融合GIS則可以準(zhǔn)確提供橋梁的地理位置、周邊環(huán)境等空間信息［3］。二者有效結(jié)合，可以顯著提升橋梁運維的精細(xì)化管理水平，有助于實現(xiàn)對橋梁運營環(huán)境的全面感知與分析，從而為橋梁的應(yīng)急響應(yīng)、安全監(jiān)測等提供技術(shù)支撐。

2 在役橋梁智慧運營平臺需求分析

在役橋梁智慧運營平臺的建設(shè)，旨在利用信息技術(shù)手段來提升橋梁運營管理的效率與安全性。在功能性需求方面，平臺應(yīng)具備基本的數(shù)據(jù)管理功能，能夠高效存儲、查詢與更新橋梁運維相關(guān)的各類數(shù)據(jù)；同時，還應(yīng)提供如可視化展示等高級功能，將復(fù)雜的運維數(shù)據(jù)以直觀的圖表、圖像等形式展現(xiàn)，方便用戶快速理解與分析；決策支持功能也至關(guān)重要，平臺應(yīng)充分利用數(shù)據(jù)挖掘與分析技術(shù)，為橋梁運維決策提供科學(xué)依據(jù)與輔助支持［4］。在性能需求上，平臺需具備高穩(wěn)定性、良好的響應(yīng)時間、強大的數(shù)據(jù)處理能力，以確保在面對大量數(shù)據(jù)與復(fù)雜運算時可以快速、準(zhǔn)確地做出響應(yīng)。此外，安全性是平臺運行的基石，平臺必須確保數(shù)據(jù)的安全性與完整性，通過采取嚴(yán)格的安全策略與措施，如數(shù)據(jù)加密、訪問控制等，有效防范與避免各類安全風(fēng)險與挑戰(zhàn)。

3 在役橋梁智慧運營平臺架構(gòu)設(shè)計

在深入研究BIM+GIS技術(shù)融合應(yīng)用于在役橋梁智慧運營平臺時，平臺架構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。該平臺總體架構(gòu)由展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層及硬件設(shè)備構(gòu)成，且每一層都承載著不同的功能與任務(wù)。平臺總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示，展示層作為與用戶直接交互的界面，集成了養(yǎng)護計劃制定、技術(shù)狀況評定、地理信息展示、橋梁三維可視化、病害展示、報表管理、系統(tǒng)配置管理、用戶信息管理與項目信息等功能。該層充分利用BIM與GIS的可視化技術(shù)，為用戶提供了便捷、直觀的操作體驗。

業(yè)務(wù)層則作為平臺的核心處理層，主要負(fù)責(zé)處理項目信息化管理、病害可視化分析、技術(shù)狀況評定計算、實時健康監(jiān)測數(shù)據(jù)流、養(yǎng)護計劃的制定邏輯、電子化巡檢流程、用戶權(quán)限管理等業(yè)務(wù)邏輯［5］。該層通過調(diào)用數(shù)據(jù)層的服務(wù)接口，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)的高效處理。

數(shù)據(jù)層作為平臺的信息倉庫，存儲了用戶信息、工程信息、業(yè)務(wù)信息、BIM精細(xì)化模型數(shù)據(jù)與GIS地理空間數(shù)據(jù)等。同時，該層還提供了應(yīng)用服務(wù)接口、公共服務(wù)組件及基礎(chǔ)功能服務(wù)，為業(yè)務(wù)層提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層作為整個平臺的“信息高速公路”，深度融合互聯(lián)網(wǎng)與通信網(wǎng)，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸與共享。而硬件設(shè)備層則是整個平臺的基礎(chǔ)支撐，為在役橋梁智慧運營平臺的穩(wěn)定運行提供必要的硬件保障。通過有效整合BIM與GIS技術(shù)，并將其應(yīng)用于在役橋梁智慧運營平臺架構(gòu)中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成、可視化展示以及業(yè)務(wù)的高效處理，為橋梁智慧運營提供有力的技術(shù)支持。

4 在役橋梁智慧運營平臺功能的實現(xiàn)

在役橋梁智慧運營平臺通過集成BIM與GIS技術(shù)，實現(xiàn)了多個功能模塊的高效協(xié)同，主要涵蓋運維管理集成與優(yōu)化模塊、感知與傳輸模塊、運維BIM+GIS模型、評估與預(yù)警決策模塊以及數(shù)字化巡檢模塊。[JP1]其中，運維BIM+GIS模型充分發(fā)掘BIM技術(shù)的精細(xì)化管理能力與GIS技術(shù)的地理空間分析能力，為橋梁智慧運維提供全面的數(shù)字化支持；感知與傳輸模塊借助傳感器網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了橋梁運維狀態(tài)信息的實時獲取，為后續(xù)分析與決策提供了實時數(shù)據(jù)支持；數(shù)字化巡檢模塊實現(xiàn)了全面數(shù)字化管理橋梁巡檢工作，顯著提高了巡檢工作的效率與質(zhì)量；評估與預(yù)警決策模塊借助大數(shù)據(jù)與分析技術(shù)完成數(shù)據(jù)挖掘與深度分析，為橋梁的安全評估與預(yù)警提供必要依據(jù)；運維管理集成與優(yōu)化模塊則通過集成各種運維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了信息共享與協(xié)同工作，大幅提高橋梁運維管理的效率與質(zhì)量［6］。這些功能模塊相互配合與協(xié)作，共同為在役橋梁智慧運營平臺的正?？煽窟\行提供堅實基礎(chǔ)。平臺功能模塊框圖如圖2所示。

4.1 運維BIM+GIS模型構(gòu)建

在構(gòu)建運維BIM+GIS模型時，需對橋梁空間模型進(jìn)行精細(xì)化構(gòu)建。橋梁空間模型以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對施工階段模型的校核與完善，確保模型的準(zhǔn)確性與完整性，進(jìn)而獲得工程驗收模型及其所處區(qū)域的精確空間表達(dá)。與此同時，監(jiān)測模型的構(gòu)建同樣重要，其涵蓋了荷載、環(huán)境、響應(yīng)等多方面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要來源于采購記錄、維護記錄、傳感器位置信息以及多種監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)，具體涉及傾角傳感器、GPS+BDS定位、結(jié)構(gòu)振動加速度計等設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)［7］。通過BIM與GIS技術(shù)的深度融合，運維BIM+GIS模型成功將橋梁的微觀結(jié)構(gòu)信息與宏觀地理環(huán)境信息相結(jié)合，從而為橋梁的智慧運營提供了精準(zhǔn)、全面的數(shù)據(jù)支持。運維BIM+GIS模型示意圖如圖3所示。

4.2 感知與傳輸

感知與傳輸功能于在役橋梁智慧運營平臺中扮演著舉足輕重的角色。通過在橋梁的關(guān)鍵部位部署傳感器與采集設(shè)備，平臺能夠?qū)崟r捕捉車輛通行、震動、風(fēng)速、雨量、水流等多種荷載與環(huán)境信息。經(jīng)過高效遠(yuǎn)程傳輸，數(shù)據(jù)被整合進(jìn)橋梁動態(tài)數(shù)據(jù)庫。并借助多災(zāi)變耦合分析技術(shù)，該平臺可精確監(jiān)測橋梁整體與局部的實時反應(yīng)，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)判潛在的災(zāi)害行為，確保橋梁安全。該功能提升了橋梁運維的智能化水平，為橋梁的安全運營提供有力保障。通過深度融合BIM與GIS技術(shù)，感知與傳輸功能在橋梁智慧運營中發(fā)揮著不可或缺的作用。

4.3 數(shù)字化巡檢

數(shù)字化巡檢是在役橋梁智慧運營平臺的重要功能之一，該功能深度集成了移動測繪、智能識別、BIM及GIS等高端技術(shù)，在巡檢途中能實時捕獲人員、時間、位置及路線信息，進(jìn)而為相關(guān)巡檢人員提供所需的技術(shù)手冊與支持。平臺接收上傳的巡檢數(shù)據(jù)后，即可實現(xiàn)快速的可視化查詢，便于工作人員精確定位與高效管理。此外，此功能還細(xì)化出三項子功能：（1）管理缺陷病害，用于維護巡檢中識別的病害信息，與BIM三維模型相結(jié)合，完成狀態(tài)的可視化監(jiān)控；（2）提供巡檢支持，借助手持設(shè)備為現(xiàn)場人員提供歷史病害、模型及信息查詢服務(wù)，并同時保留現(xiàn)場圖片；（3）管理巡檢作業(yè)，引入移動技術(shù)來實時追蹤巡檢路徑，以保證作業(yè)的高效與規(guī)范［8］。

4.4 評估與預(yù)警決策

評估與預(yù)警決策作為在役橋梁智慧運營平臺中的核心功能，該功能集安全預(yù)警評估、管理與決策支持及大數(shù)據(jù)挖掘識別等子功能于一體。通過運用尖端大數(shù)據(jù)技術(shù)，平臺能夠預(yù)設(shè)橋梁災(zāi)害觸發(fā)閾值與預(yù)警級別，深入綜合分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)、環(huán)境信息及荷載等關(guān)鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)。憑借數(shù)據(jù)支持，平臺得以實時完成橋梁的在線安全評估，并適時發(fā)送預(yù)警信息。此外，該功能還為相關(guān)部門與工作人員提供了涵蓋綜合策略、專項規(guī)劃、日常運維及應(yīng)急處置在內(nèi)的全方位決策支持，從而有力保障橋梁的安全高效運營。

4.5 運維管理集成與優(yōu)化

運維管理集成與優(yōu)化功能綜合運用了移動智能測繪、BIM技術(shù)，實現(xiàn)了運維管理的集成與優(yōu)化。憑借養(yǎng)護管理過程中的作業(yè)信息，結(jié)合BIM的可視化特性，為維修養(yǎng)護施工提供了有力輔助。同時，該功能還提供設(shè)備維修養(yǎng)護信息的便捷查詢服務(wù)。工作人員可手持終端來檢索缺陷病害的可視化信息、養(yǎng)護現(xiàn)場的竣工資料等，并能隨時獲取現(xiàn)場圖片資料。此外，通過結(jié)合橋梁技術(shù)狀況評估結(jié)論，該功能能夠提出針對性的養(yǎng)護建議，進(jìn)而形成切實可行的養(yǎng)護方案。這一功能的實現(xiàn)與應(yīng)用，使橋梁運維管理實現(xiàn)了信息的可視化、集成化與優(yōu)化，顯著提升了運維效率與決策的科學(xué)性。

5 結(jié)語

綜上所述，BIM與GIS技術(shù)在在役橋梁智慧運營管理中具有巨大的潛在價值與應(yīng)用前景。通過有效融合BIM的精細(xì)化管理能力與GIS的地理空間分析能力，為橋梁智慧運營提供了創(chuàng)新的解決方案與思路。然而，該研究仍存在局限性與不足之處，如實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)共享與安全性問題、技術(shù)融合難題等，仍需進(jìn)一步研究與改進(jìn)。未來，伴隨技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，BIM與GIS技術(shù)有望在橋梁智慧運營領(lǐng)域得到更廣泛且深入的應(yīng)用，從而為提升橋梁運維效率、確保交通安全作出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］黃 穎，許永吉，劉冠國.基于BIM+GIS的在役橋梁智慧運管平臺架構(gòu)研究［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2022，14（2）：90-95.

［2］任曉春，王 瑋，周 權(quán).基于BIM+GIS的橋梁智慧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.四川建筑，2023，43（5）：72-74.

［3］夏承明，彭運動，芮文建，等.基于BIM+GIS的沙溪大橋項目管理平臺研發(fā)和應(yīng)用［J］.中國港灣建設(shè)，2023，43（4）：99-104.

［4］申 威，覃延春.基于BIM+GIS的公路工程數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用［J］.中國交通信息化，2023（5）：130-135.

［5］張大寶，楊承昊.融合BIM與GIS橋梁勘察設(shè)計方法及其應(yīng)用研究［J］.中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2023（6）：105-107.

［6］呂 東，王 婧，楊璟林，等.基于WebGL引擎的鐵路工程BIM+GIS平臺研發(fā)及（設(shè)計階段）應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2023，67（10）：62-69.

［7］但 晨，朱 明，肖春紅.基于BIM+GIS技術(shù)的常規(guī)橋梁設(shè)計信息數(shù)字化交付方法研究［J］.中外公路，2023，43（5）：141-147.

［8］張 鑫.GIS+BIM技術(shù)在營運高速公路橋梁養(yǎng)護管理中的作用分析［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2023（1）：141-143.

收稿日期：2024-03-12

作者簡介：張小鳳（1990—），工程師，研究方向：項目概預(yù)算、合同成本、投標(biāo)等。