基于GIS+BIM技术的营运高速公路桥梁养护管理技术研究

陈晓敏 李焕强

(浙江数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)是基础设施的物理特性和功能特性的数字化表达，包括了设计、施工、运营等过程的产生的各种类型信息。相比于传统的信息管理方式， BIM 模型能够整合分散信息源[1]，为高速公路桥梁的数字化运维提供了唯一的数据载体和可视化展示平台[2]。

GIS(地理信息系统，Geographic Information System)是以空间分析、空间数据库和三维可视化为核心，以地理空间数据为对象进行采集、存储、管理、分析、显示和描述的技术系统。GIS 对于宏观的地理空间信息表达有着天然的优势，而BIM 模型在构建高速公路三维空间信息和结构性能方面有着强大的能力。将 BIM 模型和 GIS 技术结合起来，实现 BIM 模型与二维、三维地理信息的交互融合，可以极大地提高公路等线性工程和城市等区域工程的智慧化管理能力。

桥梁是公路工程的重要节点，桥梁安全可靠的运营对区域社会经济稳定发展起着至关重要的作用，而桥梁养护维修则是维持桥梁结构健康的重要手段。桥梁定期检测结果是桥梁技术状况评定和桥梁养护决策的主要依据[3]，桥梁健康监测则是桥梁在复杂运营环境、重载交通条件下或当运营状况发生异常时会发出预警信息，为桥梁的安全运营和维修方案提供数据指导[4]。

目前，BIM技术大多被用于桥梁的设计阶段与施工阶段[5-8]，而将其运用到桥梁养护阶段的研究应用较少。宋华[9]提出了基于BIM技术的桥梁健康状态的三维可视化展示分析方案，通过Dynamo建立桥梁轻量化模型,将桥梁健康监测系统传感器采集的监测数据与BIM模型动态关联，实现健康监测数据在模型上的三维可视化，升级了监测数据曲线动态查看功能以及自动报警功能。曹海盛[10]通过分析桥梁监测的特点，提出了基于BIM的桥梁健康监测系统设计方案与应用，并通过实际工程案例搭建了基于BIM的桥梁健康监测养护管理平台。李成涛[11]提出了一种基于BIM技术的桥梁病害三维可视化展示分析的方案，该方案研究了桥梁病害标记体属性、维度的匹配问题，并基于WebGL技术开发了桥梁病害三维可视化在线软件，实现了对结构裂缝、一般局部病害、构件对象损伤程度和病害历史等病害演化的三维可视化展示。陈宁[12]针对目前桥梁病害分布散乱、缺乏全局观察判断方法的问题, 利用BIM技术对桥梁病害分布情况开发了一种三维可视化桥梁病害信息采集、管理和展示分析系统。

这些研究在桥梁养护工作的数字化方面取得了一些成果，但在桥梁的基础数据、监测数据与监测数据的融合以及数字化应用方面仍缺乏系统的研究。因此，本文通过融合桥梁BIM数据、桥梁检测、监测、养护历史等数据，在桥梁病害溯源分析和发展趋势分析、桥梁养护维修决策分析及桥梁养护效果后评价等方面做了积极有效的探索。

2 基于GIS+BIM的桥梁养护平台整体架构

桥梁养护系统平台结合了实际养护管理需求，基于成熟的数据库技术、文档管控技术、云平台搭建技术、GIS+BIM平台技术等，在现有的GIS+BIM平台基础上进行开发。桥梁养护管理系统平台系统总体架构如图1所示，业务层包括日常巡查、小修保养、定期检测、专项养护、健康监测、智联管控。

图1 系统总体架构

系统终端包括电脑终端、移动端和Web端，具体功能如表1所示。

表1 基于GIS+BIM桥梁养护管理系统各终端功能部署

桥梁养护管理系统的数据库主要组成如图2所示，主要包括：系统信息数据库、结构信息数据库、检查信息数据库(日常巡检和定期检测)、健康监测信息数据库、桥梁技术状况评定信息数据库和养护维修信息数据库(日常小修保养和专项工程)。

图2 桥梁养护管理系统数据库

3 工程实例

杭金衢高速红垦枢纽位于杭金衢高速公路杭绍段，是杭金衢高(G60)、杭甬高速(G92)和杭州绕城高速公路(G2504)三条高速交汇处，交通繁忙。由于匝道桥梁上部结构出现中等功能性病害且发展较快，故在2019年7月进行了应急性改建。改建后应用了GIS+BIM技术对桥梁养护进行管理，实现了数字化的养护数据采集、管理和分析。

3.1 桥梁BIM模型建立

本项目采用Bentley OpenBridge Modeler进行桥梁建模并附加构建编码属性(如图3所示)，按照养护实际需求对箱梁按照底板、腹板、顶板进行构件拆分独立(如图4所示)。

图3 桥梁构件属性表

图4 箱梁底板单独拆分示意

3.2 BIM模型、检测数据、监测数据和GIS平台融合

在桥梁数字化养护系统中，桥梁养护的数据信息集成及应用是核心，BIM模型是数据承载的载体，BIM模型构件编码是唯一身份ID，GIS平台是管理集群化桥梁的基础。因此，BIM模型、桥梁养护数据(主要包括检测、监测、养护施工数据)及GIS平台融合是实现系统运作的关键。针对红垦枢纽桥梁运营维护的应用需求，桥梁养护数据融合架构设计如图 5所示。

图5 桥梁养护数据融合设计图

轻量化的BIM模型是实现大体量模型在Web端、移动端使用的前提。因此,桥梁BIM模型首先要轻量化再导入GIS平台。

依据桥梁养护管理中的对桥梁构件划分标准，对检测信息、监测设备进行编码重构，使其与BIM模型构件编码保持一致。根据现有养护数据类型，建立桥梁基础信息数据库、桥梁检测数据库、桥梁监测数据库。桥梁基础信息数据库包含桥梁卡片信息、图纸资料、施工信息、材料信息等； 桥梁监测数据库包括监测系统各种传感器参数、传感器位置、维护信息； 桥梁检测数据库包括日常检查、定期检测、日常小修、专项养护等信息。

3.3 系统应用

(1)可视化桥梁周边地理信息展示和GIS测量

通过与GIS系统关联，可以迅速查询了解桥梁所处环境周边地理信息，并且提供基本三维测量功能(如图6所示)，例如：距离测量、高度测量、面积测量、体积测量。通过GIS地理信息和测量功能，对日常巡查方案进行提前规划，对重点检测部位进行可视化规划，提高养护工作效率。

图6 系统基本测量功能

(2)基于BIM模型的桥梁巡检系统应用

基于BIM+GIS 标准化人工巡查系统(如图7所示)利用移动终端不仅可以显示桥梁BIM模型及其构件， 还可以随时查询桥梁构件设计信息、巡查历史信息以及养护维修信息； 在录入桥梁病害信息时可以直接在三维界面上直接选中构件，定位病害相对准确位置，提高巡检的效率。

图7 桥梁巡检系统主界面

(3)GIS+BIM+IoT桥梁健康监测技术应用

传统监测系统对传感器位置描述通常采用文字+GIS平面图示方式，对于传感器布置密集桥梁，无法准确定位传感器位置。在引入GIS+BIM技术之后，传感器位置与桥梁构件绑定关联，即监测数据、检测数据与桥梁构件养护历史等关键信息关联，监测系统不局限与阈值预警单项功能(如图8所示)。通过GIS+BIM技术扩展健康监测系统的应用范围，为桥梁全生命周期的养护维修提供可靠的数据载体。

图8 桥梁监测设备与BIM模型融合

(4)桥梁病害快速查询和统计分析

通过目录树查询构件，或者直接在三维场景右键构件显示属性框，显示构件病害查询功能，即可显示该构件全部病害、构件得分、位置信息、检测人员信息、检测时间、现场病害图片等关键信息(如图9所示)。桥梁隐蔽部位较多，基于BIM模型可视化展示病害功能，对桥梁结构病害进行全方位展示；对病害的缺损程度以不同颜色形式进行展示并且对提供病害分类展示功能；了解不同病害类型的分布情况，并且关联现场照片，历史养护信息及其检测数据，并基于4D时间动态展示功能掌握桥梁病害的发展趋势。

图9 基于BIM模型的桥梁构件病害信息

(5)桥梁养护可视化辅助决策

基于GIS+BIM的桥梁养护辅助决策系统可以做到决策的可视化。对于单桥方面，在桥梁BIM模型的基础上，记录病害现场照片的图像数据库能够为养护决策者在病害成因分析提供初步判断，同时将不同检测时间的病害图像相互关联，能够对病害的发展进行全面的分析，制定更全面准确的养护方案。对于桥梁群来讲，基于3D GIS的桥梁技术状况展示分析，可以为路网级的桥梁养护决策提供更广泛的分析平台。

(6)桥梁养护效果后评价

基于GIS+BIM的桥梁可视化技术以病害类型和维修措施为索引，建立单桥级构件养护效果后评价机制，通过对养护维修后构件病害进行可视化追溯，为后续养护维修措施优化提供参考。具体实施步骤为：以维修后为时间轴起点，对于同类型构件维修后的技术状况评分随时间的变化进行统计，通过趋势图并结合BIM模型上展示进行可视化分析展示，如图10所示。

图10 维修后桥墩技术状况评分变化趋势图

4 结论

针对传统桥梁养护管理中桥梁基础资料系统、桥梁定期检测系统、桥梁日常巡检养护系统、桥梁健康监测系统各自相互独立以及基础数据不互通所造成的数据孤岛问题，本文基于GIS+BIM技术，以桥梁构件为基本单位，将桥梁基础资料数据、日常巡检数据及桥梁健康检测数据进行整合，取得了以下成果：

(1)通过依托项目，建立一套基于GIS+BIM桥梁养护管理平台，通过接口开发整合现存的桥梁日常检查与定期检测，提供桥梁健康监测数据，同时开发移动端采集系统，及进上传日常巡检数据；

(2)通过多方桥梁养护数据整合及桥梁BIM模型可视化特点，在桥梁病害溯源分析和发展趋势分析，以及桥梁养护维修决策分析和桥梁养护效果后评价的过程中，打破了原有工作模式中存在的数据孤岛问题，做了积极有效的探索。