摘 要： 設(shè)計了基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)中。通過對BIM Server進行二次開發(fā)，以及對IFC和City GML進行數(shù)據(jù)標準擴展，實現(xiàn)了BIM+GIS的技術(shù)融合，并將其運用到橋梁管養(yǎng)中，優(yōu)化了橋梁信息的表達方法。同時制定評估決策機制，生成橋梁養(yǎng)護方案，實現(xiàn)橋梁管養(yǎng)自動化。系統(tǒng)實現(xiàn)了橋梁的信息化、可視化和精細化管理，提高了橋梁管養(yǎng)工作的效率。

關(guān)鍵詞： BIM; GIS; 橋梁檢測; 三維可視化

中圖分類號： TP311 ? ? ?文獻標志碼： 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

道路橋梁在我國交通運輸網(wǎng)中擔任著重要的角色。改革開放以來，我國橋梁總數(shù)急劇增長。然而迅猛發(fā)展的經(jīng)濟也給社會基礎(chǔ)設(shè)施帶來了重大的負擔，隨著橋梁的建成使用時間增長，橋梁的技術(shù)狀況呈現(xiàn)下降趨數(shù)，會出現(xiàn)種類不同、程度不同的結(jié)構(gòu)損傷和病害。若不能及時對這些損傷和病害進行維修養(yǎng)護，一旦發(fā)生垮塌，可能會造成無法挽回的損失。為保障橋梁的安全性，及早規(guī)避風險，需要對橋梁進行科學的檢測，并為養(yǎng)護人員制定出及時有效的養(yǎng)護措施。

目前，國內(nèi)外無數(shù)研究學者在橋梁管養(yǎng)方面進行了大量研究并取得了重大突破。Brendan McGuire等人通過BIM模型實現(xiàn)對橋梁技術(shù)狀況的評估和跟蹤，該方法表明BIM可以有效地提高橋梁檢查效率和促進自動化評估[1];Rebecca Atadero等人利用BIM模型跟蹤和評估橋梁的結(jié)構(gòu)狀況，認為BIM模型為捕獲損壞位置信息提供了新的機會，推進了對退化模式及其對橋梁構(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)防性維護中，創(chuàng)建了基于圖像的橋梁維護系統(tǒng)[3-4];王子（Saud Mohammed）將組件式GIS與橋梁監(jiān)測相結(jié)合，提出并設(shè)計了監(jiān)測管理系統(tǒng)，推進了GIS在橋梁監(jiān)測管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[5];劉玲將BIM+GIS技術(shù)運用到公路養(yǎng)護中，提出了公路預(yù)防性養(yǎng)護的新方法[6]。柴干等人將Web-GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)中，實現(xiàn)了橋梁養(yǎng)護中的信息共享和區(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BIM+GIS融合技術(shù)方法和集成應(yīng)用進行了討論，提出了通過發(fā)展新型數(shù)據(jù)模型，優(yōu)化信息表達形式實現(xiàn) BIM+GIS融合[12]，為本文實現(xiàn)BIM+GIS融合提供了理論基礎(chǔ)。在閱讀大量文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合應(yīng)用實踐，本文將BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用到橋梁管養(yǎng)之中，提出并設(shè)計了基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，以期實現(xiàn)橋梁管養(yǎng)的信息化、可視化、精細化管理。

1 BIM+GIS融合技術(shù)

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）理念于2002年在美國被提出并得到各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[13]，它通過將工程項目的相關(guān)數(shù)據(jù)集成在一個三維模型中，實現(xiàn)工程項目“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建模平臺有Autodesk、Bentley、Tekla等，其中Autodesk Revit由于其龐大的族庫，應(yīng)用最為廣泛。BIM理念在2004年被引入中國，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[14]，到目前為止應(yīng)用廣泛，在橋梁養(yǎng)護過程中應(yīng)用的效果也十分顯著。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種集成性計算機信息系統(tǒng)，它以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以地理空間數(shù)據(jù)為對象，以系統(tǒng)工程和信息科學等相關(guān)方法為手段，實現(xiàn)對地理信息的采集、存儲、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80—90年代，由于計算機的普及，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”的表達方式，側(cè)重于建筑物局部信息精細化表達，但在宏觀建模方面表現(xiàn)差強人意，無法加載大范圍地理空間數(shù)據(jù);GIS是一種“宏觀+大場景”表達模式，側(cè)重于空間拓撲全局表達，但是在創(chuàng)建精細化內(nèi)部微觀模型方面表現(xiàn)的差強人意。BIM與GIS的關(guān)系如圖1所示。

它們存在一種互補關(guān)系，將BIM與GIS進行融合，GIS提供基礎(chǔ)框架，BIM提供精準信息模型，進一步加強信息共享。

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

實現(xiàn)BIM+GIS技術(shù)融合，也就要實現(xiàn)IFC和City GML兩個標準之間的互聯(lián)互通，目前常用的方法有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標準擴展和基于本體的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，并對其功能進行擴展。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，并對其進行輕量化處理，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IFC標準和CityGML標準進行語義擴展，實現(xiàn)BIM模型與GIS模型的融合，實現(xiàn)BIM+GIS模型與數(shù)據(jù)的整合，在整合模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對ArcGIS、BIMSever的二次開發(fā)，實現(xiàn)模型的信息查看與展示。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

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

一般來說，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計可分為使用需求分析、總體概念設(shè)計、實現(xiàn)設(shè)計、物理設(shè)計等4個階段。本系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫，MySQL數(shù)據(jù)庫由于其運行速度快而使用廣泛。根據(jù)橋梁病害管養(yǎng)系統(tǒng)需要，我們在bridgeinfo_manager database數(shù)據(jù)庫添加以下數(shù)據(jù)庫表，如表2所示。

項目管理信息主要包含項目名稱、項目起止時間、設(shè)計單位、建設(shè)單位、管養(yǎng)單位，以及項目詳細信息，如表3所示。

檔案管理信息主要包括設(shè)計圖紙、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)的各個方面信息，有利于實現(xiàn)橋梁一體化管理和全生命周期管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計

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_數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫存儲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)，對數(shù)據(jù)進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)計圖紙等資料，用Revit建立三維模型，為了可以實現(xiàn)BIM模型的Web端顯示，利用三維模型輕量化技術(shù)對BIM模型進行處理。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入橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)。通過電子巡檢上傳橋梁檢測數(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標識，并于現(xiàn)實橋梁的構(gòu)件掛接，將檢測到的病害在BIM+GIS模型上進行標識和三維展示，不同病害記錄的唯一標識是病害記錄ID，每完成一次橋梁檢測，對現(xiàn)有的橋梁病害記錄進行自動更新。系統(tǒng)根據(jù)巡檢數(shù)據(jù)，對橋梁技術(shù)狀況進行評定[16-18]，依據(jù)公路、橋梁、涵洞評定養(yǎng)護規(guī)范[19-21]規(guī)定，根據(jù)構(gòu)件各種檢測指標進行計算，計算公式如式（1）。

（1）式中：SPCI—橋梁上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分;SBCI—橋梁下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分;BDCI—橋面系技術(shù)狀況評分;Dr—橋梁總體技術(shù)狀況評分;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)狀況評定結(jié)果提出相應(yīng)的養(yǎng)護意見，橋梁管養(yǎng)部門可結(jié)合橋梁現(xiàn)場情況對養(yǎng)護意見進行修改優(yōu)化，制定出完整的養(yǎng)護方案，養(yǎng)護結(jié)束后，需要對維修結(jié)果進行驗收，保證維修的質(zhì)量，驗收合格則本次維修結(jié)束，進入下一階段的橋梁養(yǎng)護工作，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，可以實現(xiàn)橋梁模型的三維展示，同時通過上位機操作菜單對橋梁BIM模型進行動態(tài)觀察、平移、剖切、爆炸、測量、第一視角漫游、顯示選中組件特性、設(shè)置模型、場景渲染等操作，將橋梁病害信息在BIM模型上進行標記，通過點擊病害標記點，查看病害詳情;通過GIS模塊，通過坐標標記的方式，對橋梁區(qū)域布局進行宏觀展示;通過BIM+GIS模塊，將單一橋梁模型結(jié)合其地理環(huán)境進行展示，優(yōu)化信息表達方式。BIM+GIS模型，如圖5所示。

4.2 輔助決策機制

通過橋梁管養(yǎng)相關(guān)技術(shù)標準，對采集到的橋梁病害數(shù)據(jù)進行整理分析，根據(jù)各部分得分及相應(yīng)權(quán)值計算橋梁技術(shù)狀況得分，劃分橋梁評定等級，提出相應(yīng)的養(yǎng)護建議，橋梁管養(yǎng)部門可通過本系統(tǒng)查詢并打印橋梁檢查報告，下發(fā)管養(yǎng)指令，實現(xiàn)橋梁管養(yǎng)自動化。

4.3 項目管理

管理多個項目資源，每個項目獨立存在，配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，互不干擾。每個項目的相關(guān)設(shè)計圖紙資料、施工資料、竣工資料、驗收資料、以及不同批次的管養(yǎng)維修記錄存儲在云端數(shù)據(jù)庫，可以通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫的方式進行查詢，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)計了基于BIM+GIS的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)，進一步加強橋梁信息共享，實現(xiàn)了橋梁信息化、可視化、精細化管理，同時可以作為橋梁養(yǎng)護管理部門的輔助決策工具，是橋梁管養(yǎng)自動化具體實踐。目前，BIM+GIS融合還存在部分數(shù)據(jù)丟失的情況，還有待改進。

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（收稿日期： 2019.07.19）

基金項目：校級科研創(chuàng)新實踐項目（300103002070）

作者簡介：簡容梅（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：1007-757X（2020）02-0067-04