基于BIM+GIS的桥梁数字化管理系统的研究

侯丁语 董银军 黄金艳 刘兴通 李江梅

摘 要：桥梁数字化管理系统，是基于BIM技術、GIS技术、数据库技术和软件平台技术，集桥梁基础数据、养护检测、桥梁评估、状况劣化预测、维修决策建议和维修造价估算于一体，依托桥梁结构工程、病害机理、检测技术、评定标准和数据采集技术，运用计算机技术数的据处理功能，将评价决策方法和管理学理论应用于系统中，从而实现集桥梁技术状况评定、桥梁运营状况评价分析和养护决策等功能的为一体的综合管理系统。

关键词：GIS;BIM;桥梁数字化管理;管理系统

中图分类号：U445 文献标识码：A

0 引言

20世纪90年代以来，在中国以“快速、安全、经济、舒适”为特征的高速公路建设得到了飞速发展。伴随着高速公路的大量修建，高速公路上的桥梁工程亦越来越多。然而，由于桥梁服役期间材料与结构的自然老化、交通量的不断增大、超重（或超限）车辆造成的不可恢复损伤，以及不可预测的自然环境灾害的影响，严重影响了桥梁的正常工作状态，桥梁的使用寿命受到了严峻威胁，在用桥梁的运营安全问题令人担忧。随着科学技术的不断进步，将网络通信技术、计算机技术、GIS技术、BIM技术等新技术、新手段应用在桥梁管养领域，通过数字化的管理提升桥梁管养水平，确保桥梁运营安全，具有重要的意义。

1 系统的总体架构

数字化桥梁管理系统是关于桥梁基础数据、桥梁养护检测、结构状态评估、结构退化预测、维护决策的计算机信息系统，基于BIM+GIS的桥梁数字化管理系统采用B/S和C/S架构来进行设计，整个系统集成BIM技术、GIS技术、WebService技术、AJAX技术、Silverlight技术，以Windows操作系统作为支撑，利用SqlServer为的数据库管理系统，以.NET平台作为系统开发平台，C#为开发语言，在Internet Information Server（IIS）上部署，以浏览器作为系统的前端，来获取、更新和制作所需的各种数据资料。系统架构分为感知层、传输层、平台层（大数据云计算）、应用层。感知层通过多种途径获取信息数据，传输层将收集数据上传至平台库，平台层大数据云计算功能对数据进行分析处理，应用层通过WEB端、PC终端、移动APP实现各项功能模块。

2 桥梁BIM模型

BIM具有以三维几何模型为基础以面向对象的方式来表示结构物构件的特征，桥梁BIM模型是以BIM模型为载体，通过BIM模型的数据管理功能将桥梁管养过程中各种不同的数据进行整理和储存，从而消除信息孤岛，以BIM模型为以统一的载体来实现数据的管理，根据桥梁数字化管理系统的需要，桥梁BIM模型主要包括基础构件模型、病害模型、桥梁加固模型三类。

（1）基础构件模型。基础构件模型是桥梁基础信息的载体，是工作的基础，确定一套桥梁的基础构件模型非常重要。本系统根据悬索桥、拱桥、斜拉桥、梁桥等不同桥梁的结构类型，利用BIM建立桥梁基础构件模型库，并为每个构件建立唯一的编码，形成一套标准的BIM构件编码体系。利用建立的BIM构件模型库，通过构件的组合，形成不同结构类型的桥梁，桥梁的相关信息与BIM构件相关联，实现以BIM为载体的桥梁信息库。

（2）病害模型。病害模型作为桥梁病害信息的载体，以养护检测数据为基础，以基础构件模型为载体，对不同的构件的病害以及同一构件的不同病害建立模型，模型中数据包含病害类型、病害等级、扣分值、病害尺寸、病害坐标、病害照片、病害编号、检查日期等信息，通过病害模型的建立，可实现病害的发展趋势的时间维度信息展示。

（3）桥梁加固模型。基于BIM的精细化桥梁加固设计，需要先在数据库中建立常用的维修加固方法，针对不同桥型、不同结构、不同设施、不同位置、不同使用时间等多种情况按逻辑层次进行分门别类，并赋予唯一的ID编号，比如增大截面法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、体外预应力加固法、植筋、灌缝、更换桥面铺装、更换伸缩缝、更换支座等;另外，存储常用的加固材料，包含材料类型、材料规格、材料物理特征、材料使用方法、材料品牌、材料价格等内容。建立BIM模型后，将根据桥梁构件位置、病害类型、病害程度自动匹配相应的维修加固方法、加固材料。

3 GIS应用

GIS是用于管理地理空间数据的计算机信息系统，其基本特征是对地理空间、时间特征数据及属性数据进行管理，空间数据表达了实体的地理位置，时间数据表达了某空间数据的时间段，属性数据表示对实体的描述。GIS强大的数据管理能力可对桥梁地理位置信息、养护过程信息的数据进行管理，可存储面向交通行业应用的各种专题地理数据。

（1）基础地理信息。基础地理数据为与桥梁地理位置相关的周边环境地理信息，如地形、境界、河流、地形、居民点等相关数据。尤其对于工程地质数据，可建立不同的工程地质层，形成三维地质GIS模型，利用三维地质GIS模型及工程地质数据，可谓桥梁养护决策提供数据支持。

（2）专题地理信息。专题地理信息库为公路工程相关构造物及运营过程中数据的专题图层，根据GIS管理地理数据的特点，依托地理位置信息进行图层叠加，包括桥梁、隧道、边坡等构造物图层以及交通流、气象、视频监控等独立的图层，通过专题地理信息可对桥梁结构的周边地理信息以及运营过程中的相关数据进行查询、统计、分析及显示。

4 数据库建立

数据库是数字化桥梁管理系统的核心，利用系统进行桥梁的评估、维修建议及造价估算都需调用各类数据，本系统通过GIS与BIM为载体，根据桥梁结构养护及运营特点，将数据库分为基础数据库、病害数据库、养护措施数据库、维修造价四个方面，各数据库之间通过桥梁唯一编码关联，实现数据的共享。

（1）桥梁基础数据库。桥梁基础数据库是参照《公路桥涵养护规范》（JTG H11—2004）中桥梁卡片所要求所建立，对每座桥建立唯一的编码，同时对桥梁的结构信息包括桥梁的上部结构、下部结构、桥面系等基础信息以及桥梁的检查、检测、监测等结构物技术状况等信息进行存储，信息存储与BIM关联，可在BIM上进行基础信息的查询。

（2）病害数據库。针对公路桥梁，综合考虑各类不同桥型可能出现的各种病害，参照《城市桥梁养护技术规范》和《公路桥梁技术状况评定标准》，按照病害的编码标准，整理出一套全面的病害数据库，包含病害类型、病害成因、病害程度表现、检测方法等内容，病害数据库与病害BIM模型关联。

（3）养护措施数据库。对应桥梁病害数据库，根据规范及养护经验建立一套全面的养护措施数据库，养护措施数据库是对不同病害类型的处治方案，主要包含各类病害的养护维修办法、维修示意图、维修注意事项，该数据库是一个动态更新的过程，随着新技术新方法的出现，新的养护措施也不断更新。

（4）维修造价数据库。不同的病害采取不同的维修办法，同一病害也有不同的维修方式，维修造价包含直接费用、间接费用，直接费用要考虑材料费、人工费、机械费，间接费用尚需考虑行车过路时间成本、行人绕道车辆成本、行人绕道时间成本，另外还需综合考虑当地物价调整指数和折现率，因此，维修造价数据库是一个动态更新的过程，需要大量的数据做支撑。该数据库依据不同的维修加固处治方法，结合桥梁各部位缺陷状况，通过费率折算及用户在实际养护加固中的工作需求，确定不同结构类型的桥梁的维修费用组成及资金数量。

5 BIM与GIS集成

GIS注重宏观，BIM注重微观，BIM一般针对单体结构模型，而GIS描述的对象通常是区域的数字信息，因此，通过GIS的宏观数据管理与BIM的微观数据管理可实现桥梁的数字化与可视化。BIM与GIS具有各自的技术优点，两者的集成主要包括数据集成、系统集成或者应用集成，对于桥梁数字化管理系统来说，通过系统的集成的方法在软件系统层面实现集成。桥梁BIM与GIS数据分开存储，通过在BIM和GIS数据库上搭接接口平台层，实现BIM数据和GIS数据的集成应用，包括查询、提取、更新等操作。

6 结束语

根据国家“一带一路”的发展战略，云南作为面向南亚、东南亚的辐射中心，近年来，高速公路的建设步伐加快，据不完全统计，2020年底云南高速公路通车里程达8 000公里，由于云贵高原特殊地形条件的原因，桥梁在云南高速公路总里程中的比例较大，因此，利用先进的技术手段建立数字化的桥梁管理系统是时代发展的需要，也是保证公路运营安全的需要。

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