基于BIM+GIS的重载铁路桥梁设备管理研究与应用

闫啸坤 李子龙 尹京 孙培培

1.国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁0 62350；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

重载铁路桥梁实行检查与养护维修分开的管理体制。通过人工检查、专项检查和检定试验对桥梁状态进行评估。根据桥梁设备竣工图纸、自建台账、病害履历、桥梁设备状态等信息并结合维修周期，制定年度维修计划。朔黄铁路建成已有20余年，形成了海量的设备台账信息、设备履历信息。大量的运营维护信息存在如下问题，造成海量数据无法直接指导桥梁设备的检修：①竣工图纸为手绘，随着时间推移，竣工图纸部分内容褪色、模糊，造成设备竣工信息丢失；竣工图纸、验收资料等信息分散，运营维护单位无法多维度、直观地了解设备状况。②桥梁设备病害信息由人工记录，由于病害记录不统一，致使桥梁设备信息断层、不可查，存在一定程度的信息缺失。③运营维护单位通过电子表格管理桥梁设备履历信息，设备信息的统计汇总以人工为主，存在桥梁设备信息更新不及时、信息不完整等问题。

以 BIM（Building Information Models）+ GIS（Geographic Information System）为核心的信息化技术正广泛应用于铁路运营维护阶段。目前，国家能源投资集团提出了智慧重载铁路系统框架及重点建设内容，其中搭建基于BIM+GIS的工务设备智能管理系统是实现工务设备智能运维的途径之一。倾斜摄影模型、影像图能够提供宏观地理尺度的空间数据，BIM能够提供微观部件级的人工构筑物数据，两者通过GIS实现多源异构数据融合，形成完整的信息资源综合展示与分析计算。因此，应从BIM+GIS的理念出发，研发基于BIM+GIS的重载铁路桥梁设备管理系统，实现对铁路桥梁设备的可视化管理、台账信息的集成管理，为桥梁运营部门提供日常管理和决策服务。

本文通过研究桥梁设备台账信息化、桥梁快速建模技术、BIM+GIS融合技术与方法，搭建基于BIM+GIS的桥梁设备管理系统，探索BIM+GIS技术在重载铁路桥梁设备管理中的应用。

1 桥梁设备台账信息化管理

铁路桥梁设备信息管理采用铁路工务管理信息系统（Permanent Way Management Information System of Railway，PWMIS）。PWMIS系统已具备了桥隧设备及病害的数据管理、统计、查询等功能，一定阶段内满足了使用需求。随着BIM技术在铁路行业内的推广，传统的数据管理、统计、查询等功能难以满足铁路桥梁设备智能管理的需要。PWMIS中桥梁设备管理主要分为三张表：桥梁设备简表、桥梁主区信息表、桥梁次区信息表。桥梁设备简表记录桥梁全长、桥孔总长、孔跨式样、立交类别、加固信息等桥梁基础信息。桥梁主区信息表记录整桥属性信息，包括桥台式样、水文资料、轨道类型、线路坡度、曲线半径、曲线长、桥建成年度、轨底高等无法细分到具体孔跨的全桥信息。桥梁次区表记录孔跨、墩台、支座等构件属性信息。上述三张表的属性信息主要存在三个问题：①数据、图表只能抽象地反映桥梁设备的状态，无法直观、准确地了解病害发生的具体位置。②现有桥梁设备信息表无法将桥梁全部构件进行精细化管理，例如由多片T梁组成的简支梁只记录到孔跨，没有具体到一片T梁。③桥梁病害信息以人工记录为主，病害程度的描述不够规范，现场无法关联病害照片与人工记录的病害信息。对于需长期观测的病害，不能及时反映病害发展的具体过程。

2 基于BIM+GIS的桥梁设备智能管理系统

2.1 总体架构

根据业务需求，通过分析既有桥梁台账信息、病害信息、桥梁养护维修管理方式之间的关系，提出基于BIM+GIS的桥梁智能设备管理系统。采用基于B/S框架设计，总体架构（图1）分为三层：①数据层。BIM数据、GIS数据为桥隧设备的可视化提供支撑，桥梁设备台账、病害信息、竣工资料、大修信息等为具体业务提供数据支撑。②应用层。③展示层。

图1 总体架构

2.2 功能模块

平台的功能模块包括基础功能和应用功能两部分。基础功能模块主要是平台的基本操作设置，包括三维漫游、模型剖切、构件查询、距离测量等内容；应用功能模块是实现平台功能的载体，主要包括设备信息管理、病害信息管理和大修信息管理三大模块，每个模块对应相应的子功能，通过这些功能模块实现对桥梁设备的可视化管理。

2.2.1 基础应用模块

1）视图剖切。通过设置剖面框在场景模型中查看剖面框内模型，反映局部模型的相互位置关系。

2）地形显示。切换地形显示状态，可查看实体地形，也可将地形半透明或隐藏地形，从而满足不同的浏览需求。

3）测量距离。测量场景模型中任意构件间的距离，点到点的距离。

4）视图定位。针对桥梁检查的习惯，设置默认视角，方便查看，主要方向包括顺桥向、横桥向、俯视。

5）漫游浏览。通过设定漫游路线，可沿路线进行漫游浏览，支持暂停功能。

2.2.2 应用功能模块

1）设备管理。前端桥梁BIM模型通过构件编码与后台台账数据关联，根据用户需求展示设备关键信息，如图2所示。

图2 设备管理示意

2）病害管理。工队作业人员通过巡检APP记录桥梁设备病害信息，并同步至后台数据库，前端即可展示相关病害信息，并关联到相关构件。

3）大修管理。显示管段内正在大修的桥梁工点信息，如施工单位、工期计划、维修加固项目等，并通过GIS地图进行定位、提醒。

3 项目应用

桥梁设备的智能运营维护管理，首先需要对既有桥梁进行精细化BIM建模，然后通过模型轻量化技术设置多细节层次（Levels of Detail，LOD）等级，将桥梁BIM模型、周边环境倾斜摄影模型导入GIS平台中进行融合。为了提升用户的Web端访问体验，采用BIM模型轻量化、实例化、缓存切分等技术提高渲染能力，高效显示桥梁设备BIM模型和周边三维场景。

选取朔黄铁路桥梁设备开展BIM+GIS技术应用，进行桥梁参数化快速建模，采用超图GIS平台进行BIM、GIS融合，并基于超图GIS平台开发桥梁设备智能管理系统，实现桥梁设备的可视化、精细化管理。

3.1 桥梁快速建模技术

重载铁路梁式桥截面多变、参数多，传统手工建模重复工作多，模型利用性差，建模效率低。针对这一问题，建立了一种基于BIM技术的重载铁路梁式桥参数化快速建模方法。基本思路（图3）为：①将桥梁结构合理拆分，明确各构件的控制参数，建立构件的参数化族库；②将桥梁基本特征参数信息整理成表格输入建模软件，自动化、批量化完成桥梁模型创建与拼装；③根据线路平曲线、竖曲线生成三维线路中心线，作为桥梁BIM模型的定位中心线。

图3 桥梁快速建模基本思路

3.1.1 桥梁构件拆分

根据朔黄铁路桥梁既有一桥一档资料、履历分析表及运维管理需要，对朔黄桥梁结构进行合理拆分，为每个构件建立相应的编码，桥梁BIM模型精度也按此规则拆分。前端桥梁BIM模型通过构件编码与后台桥梁台账信息建立一一对应的关系，从而实现前后端的关联［1］。桥梁构件拆分见图4。

图4 桥梁构件拆分

3.1.2 桥梁快速建模流程

朔黄铁路常用桥梁结构以双片式T形简支梁结构、预应力混凝土梁为主，合计占全线桥梁的93.07%。根据朔黄铁路桥梁分布特点，收集典型梁桥竣工图纸等技术资料，建立桥梁BIM构件库，包括T梁、箱梁、支座、桥墩等标准化部件，实现典型桥梁成段落BIM快速建模。整体建模流程如图5所示。

图5 整体建模流程

具体建模流程为：

1）创建线路中心线。导入线路平曲线、竖曲线数据，开发算法自动拟合生成线路三维中心线，并导入建模平台，如图6所示。

图6 创建线路中心线

2）创建BIM构件（图7）。根据构件拆分规则，创建桥梁设备参数化构件，如梁体、桥墩、支座、垫石、桥台等。为了展示效果，建立低精度线路、四电BIM模型。

图7 创建BIM构件库

3）创建桥梁BIM模型。以线路三维中心线为定位线，BIM构件库为数据源，根据梁体几何定位信息对桥梁结构进行构建。通过输入相关参数，一键生成桥梁BIM模型。

4）构件编码。框选构件进行编码，分为基于族的框选、基于族类型的框选、任意框选三种。

3.2 BIM与GIS数据集成技术

GIS系统的数据源包括倾斜摄影模型、DEM与DOM数据，侧重反映宏观的铁路沿线周边环境。高精度BIM模型作为GIS系统的一个重要的数据来源，一方面提升了BIM应用的深度，将桥梁BIM的应用从单工点延伸到铁路全线，另一方面将GIS应用到更微观的层面。BIM与GIS的数据集成，实现了铁路沿线周边环境和桥梁结构的有机融合，同时带来了一些挑战，主要包括BIM与GIS数据的集成技术、BIM模型的高效可视化技术。

3.2.1 BIM与GIS数据的集成

铁路桥梁BIM建模软件主要有Autodesk Revit、CATIA、Bentley等，这些软件形成了不同的数据格式，如*.rvt、*.stp、*.dgn等。不同格式的BIM数据所表达的语义信息、几何信息并不相同。通过调用BIM平台的底层接口进行二次开发，将BIM模型转换成GIS平台需要的数据格式，实现BIM与GIS的融合。融合过程包括BIM数据入库、BIM模型优化等步骤。

1）BIM数据入库。使用超图BIM模型三维插件导出数据，在导出时进行坐标系设置，使BIM模型坐标为桥梁设备所在位置真实坐标，确保桥梁设备BIM模型与铁路沿线周边倾斜摄影模型的精确融合。

2）BIM模型优化。BIM模型导出后生成*.udb数据，将此数据导入超图iDesktop平台进行数据简化及轻量化处理，提高BIM模型的可视化效率。BIM模型入库流程如图8所示。

图8 BIM模型入库流程图

3.2.2 BIM模型高效可视化

朔黄铁路正线桥梁设备382座，BIM模型数据量在100 GB左右，给计算机GPU、内存带来很大压力。精细的BIM模型包含许多形状相同的几何实体，增大了用户端渲染的压力。为实现大规模桥梁设备BIM模型的加载，需要利用模型轻量化、实例化、LOD、缓存切片等技术，实现大规模桥梁BIM模型的高效加载与渲染。以庄里滹沱河大桥BIM模型为例，BIM模型数据量为123 MB，转换为*.udb格式后为316 MB，经过优化后为296 MB，优化后数据量减小了6%。

BIM模型高效可视化需应用如下技术：

1）BIM模型轻量化。BIM模型轻量化是指根据BIM模型的语义信息，对模型的某些骨架进行删除或者简化，达到通过减少数据量提高渲染效率的目的［2］。如支座、垫石、钢轨、接触网立柱、腕臂等构件，这些构件几何结构复杂、顶点数及三角面片数多，可以采取删除或者简化这些构件BIM模型骨架来达到模型轻量化的目的［3-4］。

2）实例化技术。实例化是针对形状相同的几何模型，抽象其示例存储在内存中，减少内存空间的占用，重复构件的渲染绘制通过在GPU中对实例进行矩阵变换实现［5］。针对桥梁BIM模型的特点，存在大量重复的构件，如简支梁体BIM模型、支座BIM模型等，若每个构件都是实体，将占用大量存储空间，因此采用实例化技术优化BIM模型的渲染，降低GPU等硬件设备的压力。

3）基于LOD的渲染技术。LOD技术是在不影响画面视觉效果的前提条件下，根据地形的不同复杂程度和人眼观察地形的特点，对地形的不同区域采取不同细节的描述和绘制，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率［6］。为提高渲染效率，LOD方法能够灵活地调度资源，处理数据，既减少了运算量，又不会降低图像的显示效果［7］。

4）BIM模型缓存切片技术。缓存切片技术是对BIM数据的预先生成技术，对适量BIM缓存数据进行切片并作为缓存服务，在用户检索BIM数据时通过缓存返回用户的请求，从而降低系统在反复生成BIM模型时的负担并提高用户体验［8］。一般对简化处理后的BIM模型进行LOD分层和八叉树金字塔剖分［9-10］，对不同BIM模型类型进行瓦片边长、纹理大小设定和切分。铁路桥梁长线性的BIM模型适合选择八叉树剖分。对剖分的每一个区域内的BIM数据按照100~300 m的瓦片边长进行存储。存储的格式为不同分辨率（如2 048×2 048，1 024×1 024，512×512，256×256，128×128，64×64）的三维切片缓存文件。设置像素过滤阈值为2，低于2像素的子对象被过滤掉，从而提高加载效率。

4 结语

本文实现了桥梁设备多源数据的集成，通过建立统一的后台系统，集成桥梁设备台账、检查病害信息、大修信息，同时开放接口，为线路、隧道、路基等专业提供数据，实现专业间数据互通。通过建立桥梁设备的精细化BIM模型、铁路沿线周边环境模型，基于GIS平台对上述数据进行融合，实现了设备的三维可视化，便于运维人员直观了解设备及沿线环境的状态。