基于BIM+GIS的橋梁數字化管理系統的研究

侯丁語 董銀軍 黃金艷 劉興通 李江梅

摘 要：橋梁數字化管理系統，是基于BIM技術、GIS技術、數據庫技術和軟件平臺技術，集橋梁基礎數據、養護檢測、橋梁評估、狀況劣化預測、維修決策建議和維修造價估算于一體，依托橋梁結構工程、病害機理、檢測技術、評定標準和數據采集技術，運用計算機技術數的據處理功能，將評價決策方法和管理學理論應用于系統中，從而實現集橋梁技術狀況評定、橋梁運營狀況評價分析和養護決策等功能的為一體的綜合管理系統。

關鍵詞：GIS;BIM;橋梁數字化管理;管理系統

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A

0 引言

20世紀90年代以來，在中國以“快速、安全、經濟、舒適”為特征的高速公路建設得到了飛速發展。伴隨著高速公路的大量修建，高速公路上的橋梁工程亦越來越多。然而，由于橋梁服役期間材料與結構的自然老化、交通量的不斷增大、超重（或超限）車輛造成的不可恢復損傷，以及不可預測的自然環境災害的影響，嚴重影響了橋梁的正常工作狀態，橋梁的使用壽命受到了嚴峻威脅，在用橋梁的運營安全問題令人擔憂。隨著科學技術的不斷進步，將網絡通信技術、計算機技術、GIS技術、BIM技術等新技術、新手段應用在橋梁管養領域，通過數字化的管理提升橋梁管養水平，確保橋梁運營安全，具有重要的意義。

1 系統的總體架構

數字化橋梁管理系統是關于橋梁基礎數據、橋梁養護檢測、結構狀態評估、結構退化預測、維護決策的計算機信息系統，基于BIM+GIS的橋梁數字化管理系統采用B/S和C/S架構來進行設計，整個系統集成BIM技術、GIS技術、WebService技術、AJAX技術、Silverlight技術，以Windows操作系統作為支撐，利用SqlServer為的數據庫管理系統，以.NET平臺作為系統開發平臺，C#為開發語言，在Internet Information Server（IIS）上部署，以瀏覽器作為系統的前端，來獲取、更新和制作所需的各種數據資料。系統架構分為感知層、傳輸層、平臺層（大數據云計算）、應用層。感知層通過多種途徑獲取信息數據，傳輸層將收集數據上傳至平臺庫，平臺層大數據云計算功能對數據進行分析處理，應用層通過WEB端、PC終端、移動APP實現各項功能模塊。

2 橋梁BIM模型

BIM具有以三維幾何模型為基礎以面向對象的方式來表示結構物構件的特征，橋梁BIM模型是以BIM模型為載體，通過BIM模型的數據管理功能將橋梁管養過程中各種不同的數據進行整理和儲存，從而消除信息孤島，以BIM模型為以統一的載體來實現數據的管理，根據橋梁數字化管理系統的需要，橋梁BIM模型主要包括基礎構件模型、病害模型、橋梁加固模型三類。

（1）基礎構件模型。基礎構件模型是橋梁基礎信息的載體，是工作的基礎，確定一套橋梁的基礎構件模型非常重要。本系統根據懸索橋、拱橋、斜拉橋、梁橋等不同橋梁的結構類型，利用BIM建立橋梁基礎構件模型庫，并為每個構件建立唯一的編碼，形成一套標準的BIM構件編碼體系。利用建立的BIM構件模型庫，通過構件的組合，形成不同結構類型的橋梁，橋梁的相關信息與BIM構件相關聯，實現以BIM為載體的橋梁信息庫。

（2）病害模型。病害模型作為橋梁病害信息的載體，以養護檢測數據為基礎，以基礎構件模型為載體，對不同的構件的病害以及同一構件的不同病害建立模型，模型中數據包含病害類型、病害等級、扣分值、病害尺寸、病害坐標、病害照片、病害編號、檢查日期等信息，通過病害模型的建立，可實現病害的發展趨勢的時間維度信息展示。

（3）橋梁加固模型?；贐IM的精細化橋梁加固設計，需要先在數據庫中建立常用的維修加固方法，針對不同橋型、不同結構、不同設施、不同位置、不同使用時間等多種情況按邏輯層次進行分門別類，并賦予唯一的ID編號，比如增大截面法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法、體外預應力加固法、植筋、灌縫、更換橋面鋪裝、更換伸縮縫、更換支座等;另外，存儲常用的加固材料，包含材料類型、材料規格、材料物理特征、材料使用方法、材料品牌、材料價格等內容。建立BIM模型后，將根據橋梁構件位置、病害類型、病害程度自動匹配相應的維修加固方法、加固材料。

3 GIS應用

GIS是用于管理地理空間數據的計算機信息系統，其基本特征是對地理空間、時間特征數據及屬性數據進行管理，空間數據表達了實體的地理位置，時間數據表達了某空間數據的時間段，屬性數據表示對實體的描述。GIS強大的數據管理能力可對橋梁地理位置信息、養護過程信息的數據進行管理，可存儲面向交通行業應用的各種專題地理數據。

（1）基礎地理信息?；A地理數據為與橋梁地理位置相關的周邊環境地理信息，如地形、境界、河流、地形、居民點等相關數據。尤其對于工程地質數據，可建立不同的工程地質層，形成三維地質GIS模型，利用三維地質GIS模型及工程地質數據，可謂橋梁養護決策提供數據支持。

（2）專題地理信息。專題地理信息庫為公路工程相關構造物及運營過程中數據的專題圖層，根據GIS管理地理數據的特點，依托地理位置信息進行圖層疊加，包括橋梁、隧道、邊坡等構造物圖層以及交通流、氣象、視頻監控等獨立的圖層，通過專題地理信息可對橋梁結構的周邊地理信息以及運營過程中的相關數據進行查詢、統計、分析及顯示。

4 數據庫建立

數據庫是數字化橋梁管理系統的核心，利用系統進行橋梁的評估、維修建議及造價估算都需調用各類數據，本系統通過GIS與BIM為載體，根據橋梁結構養護及運營特點，將數據庫分為基礎數據庫、病害數據庫、養護措施數據庫、維修造價四個方面，各數據庫之間通過橋梁唯一編碼關聯，實現數據的共享。

（1）橋梁基礎數據庫。橋梁基礎數據庫是參照《公路橋涵養護規范》（JTG H11—2004）中橋梁卡片所要求所建立，對每座橋建立唯一的編碼，同時對橋梁的結構信息包括橋梁的上部結構、下部結構、橋面系等基礎信息以及橋梁的檢查、檢測、監測等結構物技術狀況等信息進行存儲，信息存儲與BIM關聯，可在BIM上進行基礎信息的查詢。

（2）病害數據庫。針對公路橋梁，綜合考慮各類不同橋型可能出現的各種病害，參照《城市橋梁養護技術規范》和《公路橋梁技術狀況評定標準》，按照病害的編碼標準，整理出一套全面的病害數據庫，包含病害類型、病害成因、病害程度表現、檢測方法等內容，病害數據庫與病害BIM模型關聯。

（3）養護措施數據庫。對應橋梁病害數據庫，根據規范及養護經驗建立一套全面的養護措施數據庫，養護措施數據庫是對不同病害類型的處治方案，主要包含各類病害的養護維修辦法、維修示意圖、維修注意事項，該數據庫是一個動態更新的過程，隨著新技術新方法的出現，新的養護措施也不斷更新。

（4）維修造價數據庫。不同的病害采取不同的維修辦法，同一病害也有不同的維修方式，維修造價包含直接費用、間接費用，直接費用要考慮材料費、人工費、機械費，間接費用尚需考慮行車過路時間成本、行人繞道車輛成本、行人繞道時間成本，另外還需綜合考慮當地物價調整指數和折現率，因此，維修造價數據庫是一個動態更新的過程，需要大量的數據做支撐。該數據庫依據不同的維修加固處治方法，結合橋梁各部位缺陷狀況，通過費率折算及用戶在實際養護加固中的工作需求，確定不同結構類型的橋梁的維修費用組成及資金數量。

5 BIM與GIS集成

GIS注重宏觀，BIM注重微觀，BIM一般針對單體結構模型，而GIS描述的對象通常是區域的數字信息，因此，通過GIS的宏觀數據管理與BIM的微觀數據管理可實現橋梁的數字化與可視化。BIM與GIS具有各自的技術優點，兩者的集成主要包括數據集成、系統集成或者應用集成，對于橋梁數字化管理系統來說，通過系統的集成的方法在軟件系統層面實現集成。橋梁BIM與GIS數據分開存儲，通過在BIM和GIS數據庫上搭接接口平臺層，實現BIM數據和GIS數據的集成應用，包括查詢、提取、更新等操作。

6 結束語

根據國家“一帶一路”的發展戰略，云南作為面向南亞、東南亞的輻射中心，近年來，高速公路的建設步伐加快，據不完全統計，2020年底云南高速公路通車里程達8 000公里，由于云貴高原特殊地形條件的原因，橋梁在云南高速公路總里程中的比例較大，因此，利用先進的技術手段建立數字化的橋梁管理系統是時代發展的需要，也是保證公路運營安全的需要。

參考文獻：

[1]曹海盛.BIM技術在橋梁健康養護監測中的應用探索[J].公路交通科技（應用技術版），2020（9）：183-186.

[2]吳華勇.既有橋梁數字化運維管理平臺集成研究[J].上海建設科技，2020（4）：81-84.

[3]王歡.基于BIM技術的三維數字化橋梁設計與管理[J].城市建設理論研究（電子版），2018（19）：126.

[4]孫莉，戴瑋.基于BIM的公路橋梁工程數字化交付方法初探[J].工程與建設，2015（6）：749-752.

[5]戴瑋，鄭崗.基于BIM技術的三維數字化橋梁設計與管理[J].工程與建設，2014（6）：724-726.

[6]陳明憲.新一代數字化、智能化橋梁設計系統[Z].湖南省，湖南省交通規劃勘察設計院，2011-09-27.

[7]梁躍虹.GIS在橋梁數字化管養系統中的應用研究[D].武漢理工大學，2006.

[8]黃穎，許永吉.預應力混凝土連續梁橋支座更換及梁體復位施工監控研究[J].四川理工學院學報（自然科學版），2013（6）：68-73.