基于BIM+GIS的桥梁管养系统设计

2020-05-11简容梅

微型电脑应用 2020年2期

摘要：设计了基于BIM+GIS的桥梁管养系统，实现了将BIM+GIS技术应用到桥梁管养中。通过对BIM Server进行二次开发，以及对IFC和City GML进行数据标准扩展，实现了BIM+GIS的技术融合，并将其运用到桥梁管养中，优化了桥梁信息的表达方法。同时制定评估决策机制，生成桥梁养护方案，实现桥梁管养自动化。系统实现了桥梁的信息化、可视化和精细化管理，提高了桥梁管养工作的效率。

关键词： BIM; GIS; 桥梁检测; 三维可视化

中图分类号： TP311 文献标志码： 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

道路橋梁在我国交通运输网中担任着重要的角色。改革开放以来，我国桥梁总数急剧增长。然而迅猛发展的经济也给社会基础设施带来了重大的负担，随着桥梁的建成使用时间增长，桥梁的技术状况呈现下降趋数，会出现种类不同、程度不同的结构损伤和病害。若不能及时对这些损伤和病害进行维修养护，一旦发生垮塌，可能会造成无法挽回的损失。为保障桥梁的安全性，及早规避风险，需要对桥梁进行科学的检测，并为养护人员制定出及时有效的养护措施。

目前，国内外无数研究学者在桥梁管养方面进行了大量研究并取得了重大突破。Brendan McGuire等人通过BIM模型实现对桥梁技术状况的评估和跟踪，该方法表明BIM可以有效地提高桥梁检查效率和促进自动化评估[1];Rebecca Atadero等人利用BIM模型跟踪和评估桥梁的结构状况，认为BIM模型为捕获损坏位置信息提供了新的机会，推进了对退化模式及其对桥梁构件容量的研究[2];N S Dang等人将BIM技术应用到桥梁预防性维护中，创建了基于图像的桥梁维护系统[3-4];王子（Saud Mohammed）将组件式GIS与桥梁监测相结合，提出并设计了监测管理系统，推进了GIS在桥梁监测管理系统中的应用[5];刘玲将BIM+GIS技术运用到公路养护中，提出了公路预防性养护的新方法[6]。柴干等人将Web-GIS技术应用到桥梁管养中，实现了桥梁养护中的信息共享和区域性管理[7];徐刚，刘延宏等人讨论了BIM+GIS 技术在城市和铁路建设之中的具体应用[8-9]，为本文将BIM+GIS应用到桥梁管养提供了思路。汤圣君等人通过研究IFC到City GML的语义映射规则，提出了一种语义信息互操作方法[10]，郝蕊等人采用快速建模方法，将BIM+GIS应用到铁路建设和管理中，实现了铁路工程建设信息化、可视化管理[11];武鹏飞等人对BIM+GIS融合技术方法和集成应用进行了讨论，提出了通过发展新型数据模型，优化信息表达形式实现 BIM+GIS融合[12]，为本文实现BIM+GIS融合提供了理论基础。在阅读大量文献的基础上结合应用实践，本文将BIM+GIS技术应用到桥梁管养之中，提出并设计了基于BIM+GIS的桥梁管养系统，以期实现桥梁管养的信息化、可视化、精细化管理。

1 BIM+GIS融合技术

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）理念于2002年在美国被提出并得到各个领域的广泛应用[13]，它通过将工程项目的相关数据集成在一个三维模型中，实现工程项目“所见即所得”，是全生命周期管理的重要手段，是CAD绘图技术的一次革命性突破。目前常用的BIM建模平台有Autodesk、Bentley、Tekla等，其中Autodesk Revit由于其庞大的族库，应用最为广泛。BIM理念在2004年被引入中国，由于其具有信息完备性、信息关联性、信息一致性和可视化等众多特点[14]，到目前为止应用广泛，在桥梁养护过程中应用的效果也十分显著。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种集成性计算机信息系统，它以计算机技术为基础，以地理空间数据为对象，以系统工程和信息科学等相关方法为手段，实现对地理信息的采集、存储、和管理分析等功能[15]。GIS技术起源较早，最早由加拿大Roger Tomlinson 1963年提出，20世纪80—90年代，由于计算机的普及，GIS快速发展，到目前为止，广泛应用到电信、交通、城市规划和军事等众多领域。

BIM是一种“中观+微观”的表达方式，侧重于建筑物局部信息精细化表达，但在宏观建模方面表现差强人意，无法加载大范围地理空间数据;GIS是一种“宏观+大场景”表达模式，侧重于空间拓扑全局表达，但是在创建精细化内部微观模型方面表现的差强人意。BIM与GIS的关系如图1所示。

它们存在一种互补关系，将BIM与GIS进行融合，GIS提供基础框架，BIM提供精准信息模型，进一步加强信息共享。

BIM和GIS分别使用IFC（Industry Foundation Classes）和City GML（City Geography Markup Language）两种数据标准，两种标准存在着较大的差异，如下表1所示。

实现BIM+GIS技术融合，也就要实现IFC和City GML两个标准之间的互联互通，目前常用的方法有数据格式转换、数据标准扩展和基于本体的GIS与BIM融合。

本系统通过开发二次接口，在BIM Sever中集成BIM模型和GIS模型，开发基于BIM模型的GIS应用模块，并对其功能进行扩展。BIM+GIS技术融合路线如图2所示。

通过Autodesk Revit 2016建立桥梁模型，并对其进行轻量化处理，使其能在web端快速显示，通过倾斜摄影和世界地图，得到GIS模型。通过对IFC标准和CityGML标准进行语义扩展，实现BIM模型与GIS模型的融合，实现BIM+GIS模型与数据的整合，在整合模型的基础上，实现对ArcGIS、BIMSever的二次开发，实现模型的信息查看与展示。

2 数据库设计

数据库（Database）的作用是将数据按照特定规律进行存储，通过数据库管理系统，便于数据的组织和管理。MySQL数据库可以称得上是目前运行速度最快的SQL语言数据库。相比较于其他数据库，mysql数据库具有数据处理量大、支持常见SQL语句规范、运行效率快，可移植性高等特点，以及便捷的调试管理功能。

一般来说，数据库的设计可分为使用需求分析、总体概念设计、实现设计、物理设计等4个阶段。本系统采用MySQL数据库，MySQL数据库由于其运行速度快而使用广泛。根据桥梁病害管养系统需要，我们在bridgeinfo_manager database數据库添加以下数据库表，如表2所示。

项目管理信息主要包含项目名称、项目起止时间、设计单位、建设单位、管养单位，以及项目详细信息，如表3所示。

档案管理信息主要包括设计图纸、施工图纸、竣工材料、加固图纸等，如表4所示。

桥梁病害信息包括病害位置、病害类型、病害范围等，如表5所示。

技术评定反馈表包括各部分桥梁技术状况、整体桥梁技术状况、评定结果以及维修方案等。

这些数据表涵盖桥梁管养的各个方面信息，有利于实现桥梁一体化管理和全生命周期管理。

3 系统设计

3.1 系统架构

基于BIM+GIS的桥梁管养系统，通过电子巡检、传感器以及监控视频的方式采集数据，通过网络传输到云平台数据库，数据库存储BIM数据、GIS数据、用户信息、工程信息和业务信息，前台应用通过数据接口和组件访问服务器获取数据，对数据进行三维展示和可视化操作，如图3所示。

3.2 技术路线

技术路线如图3.2所示，首先根据桥梁设计图纸等资料，用Revit建立三维模型，为了可以实现BIM模型的Web端显示，利用三维模型轻量化技术对BIM模型进行处理。通过倾斜摄影等技术得到GIS模型，通过BIM+GIS融合技术，将带有地理信息的桥梁模型导入桥梁管养系统。通过电子巡检上传桥梁检测数据，主要包括桥梁病害图片，病害信息描述等信息。桥梁模型构件通过唯一ID标识，并于现实桥梁的构件挂接，将检测到的病害在BIM+GIS模型上进行标识和三维展示，不同病害记录的唯一标识是病害记录ID，每完成一次桥梁检测，对现有的桥梁病害记录进行自动更新。系统根据巡检数据，对桥梁技术状况进行评定[16-18]，依据公路、桥梁、涵洞评定养护规范[19-21]规定，根据构件各种检测指标进行计算，计算公式如式（1）。

（1）式中：SPCI—桥梁上部结构技术状况评分;SBCI—桥梁下部结构技术状况评分;BDCI—桥面系技术状况评分;Dr—桥梁总体技术状况评分;m—部件种类数;WD—桥面系权重;Wi—部件权重;WSP—上部结构权重;WSB—下部结构权重。

系统根据桥梁技术状况评定结果提出相应的养护意见，桥梁管养部门可结合桥梁现场情况对养护意见进行修改优化，制定出完整的养护方案，养护结束后，需要对维修结果进行验收，保证维修的质量，验收合格则本次维修结束，进入下一阶段的桥梁养护工作，如图4所示。

4 系统主要功能

4.1 桥梁信息可视化

通过BIM模块，可以实现桥梁模型的三维展示，同时通过上位机操作菜单对桥梁BIM模型进行动态观察、平移、剖切、爆炸、测量、第一视角漫游、显示选中组件特性、设置模型、场景渲染等操作，将桥梁病害信息在BIM模型上进行标记，通过点击病害标记点，查看病害详情;通过GIS模块，通过坐标标记的方式，对桥梁区域布局进行宏观展示;通过BIM+GIS模块，将单一桥梁模型结合其地理环境进行展示，优化信息表达方式。BIM+GIS模型，如图5所示。

4.2 辅助决策机制

通过桥梁管养相关技术标准，对采集到的桥梁病害数据进行整理分析，根据各部分得分及相应权值计算桥梁技术状况得分，划分桥梁评定等级，提出相应的养护建议，桥梁管养部门可通过本系统查询并打印桥梁检查报告，下发管养指令，实现桥梁管养自动化。

4.3 项目管理

管理多个项目资源，每个项目独立存在，配备相应的数据库，互不干扰。每个项目的相关设计图纸资料、施工资料、竣工资料、验收资料、以及不同批次的管养维修记录存储在云端数据库，可以通过浏览器访问数据库的方式进行查询，也可以为管养部门制定最终维修方案，提供数据支撑。

5 总结

本文介绍了BIM技术和GIS技术结合的方法路线，并将BIM+GIS技术应用到桥梁管养中，提出并设计了基于BIM+GIS的桥梁管养系统，进一步加强桥梁信息共享，实现了桥梁信息化、可视化、精细化管理，同时可以作为桥梁养护管理部门的辅助决策工具，是桥梁管养自动化具体实践。目前，BIM+GIS融合还存在部分数据丢失的情况，还有待改进。

参考文献

[1] Brendan McGuire， Rebecca Atadero， Caroline Clevenger， et al. Bridge Information Modeling for Inspection and Evaluation[J]. Journal of Bridge Engineering， 2016， 21（4）： 1-9.

[2] Rebecca Atadero， Caroline Clevenger， Brendan Michael McGuire， et al. Using Buiding Information Modeling to Track and Assess the Structural Condition of Bridges [M]. The V.S. Mountain-Plains Consortium， 2016.

[3] N S Dang， Shim， CS， et al. BIM authoring for an image-based bridge maintenance system of existing cable-supported bridges[J].Earth and Environmental Scienc， 2018（143）： 1-9.

[4] Rafiee A， Dias E， Fruijtier S， et al. From BIM to geo-analysis： View coverage and shadow analysis by BIM/GIS integration[J]. Procedia Environ Sci.， 2014（22）： 397-402.

[5] 王子（Saud Mohammed）. 基于GIS的桥梁巡检养护系统[D].大连：大连海事大学，2017.

[6] 刘玲，孟庆昕，刘晓东，等.基于BIM+GIS技术的公路预防性养护研究[J].公路交通科技（应用技术版）， 2015，11（4）：13-15.

[7] 柴干，万水，钱振东，等.桥梁养护管理系统的设计与开发[J].公路交通科技，2008（3）：84-87.

[8] 徐刚，戴柱天.建筑类GIS与BIM的融合应用研究[J].工程建设与设计，2018（8）：279-280.

[9] 刘延宏.BIM技术在铁路桥梁建设中的应用[J].铁路技术创新，2015（3）：47-50.

[10] 汤圣君，朱庆，赵君峤，等.BIM与GIS数据集成：IFC与City GML建筑几何语义信息互操作技术[J].土木建筑工程信息技术，2014，6（4）：11-17.

[11] 郝蕊，王辉麟，卢文龙，等.GIS-BIM在铁路工程建设管理中的应用研究[J].铁路计算机应用，2018，27（4）：46-50.

[12] 武鹏飞，刘玉身，谭毅，等.GIS与BIM融合的研究进展与发展趋势[J].测绘与空间地理信息，2019，42（1）：1-6.

[13] 沈海华.基于BIM的桥梁养护管理研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[14] 段小雨，陈卓，等.基于BIM的装配式建筑全生命周期管理问题的分析研究[J].建筑技术开发，2018，45（1）：3-5.

[15] 刘发勇，犹珀玉，艾玉.基于GIS的配电网地理接线图绘制系统研究与应用[J].电力大数据，2018，21（1）：6-9.

[16] 郝浩. 基于BIM的桥梁检测与安全评估系统研究[J].自动化与仪器仪表， 2016（12）：8-12.