基于GIS+BIM的城市橋梁信息管理系統設計與應用

文｜安徽省高速公路試驗檢測科研中心有限公司 丁緒聰 葉志文；安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 梁柱

隨著我國城市基礎設施建設的飛速發展，城市橋梁的數量也在不斷增加，橋梁是城市交通的重要樞紐，伴隨著與日俱增的交通量，和隨著服役年限增加而導致的橋梁結構老化，部分橋梁的承載能力已經不滿足要求，甚至成為危橋，因此加強對城市橋梁的管理養護，保證橋梁的安全運營是管理單位最重要的職責。

2021年，安徽省住房和城鄉建設廳在全省范圍內開始城市橋梁基本數據及運行管理現狀調查工作，根據調查結果，存在以下問題：

一是由于部分橋梁建設年代較久遠，城市橋梁“建管分離”較多，橋梁移交管理不規范等原因，城市橋梁竣工檔案資料缺失現象較為普遍，導致橋梁基本信息不完整。

二是隨著城市建設的不斷發展和城市管理范圍不斷擴大，城市管養的橋梁數量不斷增長，橋梁管養技術難度日益增大，對橋梁管養人員提出了更高的要求。全省半數以上城市存在橋梁管養專業技術人員配備不足的現象，部分區縣管理方式相對比較落后，缺少更先進科學的管理手段，現有橋梁管養人員技術水平需要進一步提升。

三是城市橋梁建設單位繁多，“建管分離”現象較為普遍，各地工程檔案資料移交程序不同，根據調研，其他地市城市橋梁管養移交制度各有不同，移交周期無明確規定，存在橋梁移交過程持續數年的狀況。移交期間橋梁疏于管養，存在一定安全隱患。

四是部分區、縣受橋梁數量較少，財政資金緊張等因素影響，獨立建設橋梁信息管理系統難度較大；尚無統一的橋梁信息管理平臺，無法對各地市歷年的管養數據進行有效的管理。

基于此，城市橋梁管理的信息化管理平臺建設得到了社會的廣泛關注，許多橋梁養管部門都在為橋梁信息化管理不斷努力[1]，以本轄區橋梁管養的特點以及對系統的需求為導向，建立能更好的滿足橋梁管理需要的信息系統，大大提高橋梁養護質量和工作效率，養護管理也更加規范化和科學化。

1.BIM+GIS 介紹

BIM 是對建筑信息、結構信息、病害信息等以模型的形式進行可視化展示，可以提供豐富的建筑物微觀信息，使用三維的真實建筑代替在傳統 CAD 時代的二維圖紙進行表達，能更好的展示橋梁真實面貌、構件細節、空間信息及屬性信息，具有強大的表達能力[2]。

GIS 空間信息技術是在傳統二維地理系統基礎上發展而來的新一代三維空間信息技術，GIS 對于宏觀的地理空間信息表達有著天然的優勢，可作為包括 BIM 模型、無人機傾斜攝影、地面傳感器等在內的多源數據的載體，以地理坐標為基準搭建一套橋址處的高還原度虛擬環境，具有十分優異的可視化效果和地理空間分析基礎。

在橋梁信息管理系統中應用BIM+GIS技術，是一種橋梁管理手段創新，也有助于橋梁管理效率的提升[3]，具有重要意義。

2.應用案例

繁昌區位于安徽省蕪湖市西南部，地處長江下游南岸，城區內主要河流為峨溪河及其支流，繁昌區城市橋梁20 座，橋型多樣，有梁橋、拱橋、懸索橋等。圍繞提升城區橋梁日常管養信息化工作，綜合利用GIS、BIM、云計算等技術，建立城市橋梁數字化檔案，為繁昌區建立一整套技術先進、功能齊全、實用性強、可擴展的城市橋梁信息管理系統。

2.1 系統功能架構

在系統設計時，應橋梁管理自身的特點以及橋梁管養單位的需求，在系統功能需求分析的基礎上，將整個系統劃分為若干功能模塊。系統功能架構如圖1所示：

圖1 系統功能架構

2.2 橋梁地理信息展示

本模塊作為平臺的入口模塊，展示給用戶首先便是到基于GIS 地圖的橋梁地理信息模塊，在地理信息系統中實現橋梁的查詢、定位、基本信息展示以及接口模塊跳轉等功能[4]。

地圖交互的基本功能包括地圖的展示、縮放、平移、拖拽等功能。通過點擊地圖上的橋梁選項顯示橋梁基本信息，內容包括橋梁名稱、橋梁照片、文字介紹、當前技術狀態和最近一次檢測橋梁完好狀態等級等信息。

可以通過橋梁基本信息面板上的相關鏈接跳轉至相應的該橋梁基本信息管理系統（圖2）。

圖2 地理信息界面

2.3 橋梁基本信息管理子系統

2.3.1 橋梁信息收集

對轄區內的20 座城市橋梁的基礎數據進行收集。包括：橋梁基礎信息、橋梁資料卡（橋梁一般資料、橋梁上部結構、橋梁下部結構、附屬工程、附掛管線）、歷史維修加固信息、歷史定期檢測報告、橋梁圖紙信息等。

2.3.2 橋梁基礎數據加工整理

通過橋梁基礎信息的解讀，梳理結構數據，形成橋梁各部位的結構數據。結合橋梁竣工圖紙與歷史維修加固資料對橋梁紙質版圖紙進行電子化處理，將紙質版圖紙進行重新繪制及CAD 處理。通過對橋梁檢測報告、維修加固等報告的整理、加工、數據結構化處理，將處理后的數據整理得到橋梁病害數據與對應的維修養護數據。

2.3.3 數據整理入庫

提取加工整理完成的基礎數據，采用統一的數據庫結構，將數據提取結果錄入至橋梁信息數據庫、養護管理信息數據庫中。

通過對橋梁信息檔案等信息的收集整理，能全面提升對建設信息、檢測信息、監測信息、維修信息、加固信息、日常巡檢信息的整合和精細化管理能力。

2.4 橋梁檢測評估管理子系統

橋梁的巡查與養護在橋梁的日常管養工作中占有很大的比重，是橋梁管養工作的重點，橋梁檢測制度按照可分為經常性檢查、定期檢測以及特殊檢測。經常性檢查往往是使用肉眼在查看橋梁的缺損情況。對于經常性檢查發現處于危險狀態的橋梁，橋梁管養單位會中止行車，組織專業人員進行橋梁定期檢測[5]，在定期檢測中難以判明是否安全的情況，需要對組織橋梁特殊檢測，以判斷橋梁的安全狀況，為下一步橋梁的維修加固提供方案。在橋梁檢測系統中加入巡檢數據管理系統，接入巡檢數據信息，可以實現計算機系統輔助管理。

檢測評估管理子系統作為橋梁檢測數據的管理服務平臺，包括檢測計劃與檢測數據記錄管理，它包含數據的建立、存儲、查閱、修改與刪除的功能，并且能夠實現檢測數據的數字化與紙質化之間的轉換與調用。通過人工錄入結構化、標準化的檢測數據，各類用戶能夠很好地根據需求在檢測評估管理子系統中提取數據，用于數據分析、報告撰寫與決策實施。

2.5 三維BIM 建模

繁昌區項目采用無人機傾斜攝影技術結合橋梁圖紙、現場照片、位置信息等建立20 座橋梁三維可視化模型（BIM），并將BIM 模型與三維GIS 地圖相結合，進行橋梁三維模型及基本信息展示。

2.5.1 無人機傾斜攝影

傾斜攝影測量技術是一種全自動的攝影模式，借助無人機進行數據測量和影像拍攝，能有效提高效率。傾斜攝影測量技術可以真實反映地物的真實面貌，通過五個角度對地面情況進行拍攝[6]，獲得城市地面建筑基本資料，包括位置、形狀大小、高度、表面形貌、樓層等信息，真實的反映地物的本來面貌，客觀的再現了地物的外觀、結構以及高度等屬性[7]。

圖3 提取無人機攝影圖片信息

2.5.2 模型制作

使用專業三維軟件按照1∶1 的比例制作三維數據，還原橋梁現場實際情況。同時根據橋梁的不同，需要建設橋梁與橋梁周邊地物的相關模型。

BIM 模型制作需嚴格保證BIM 模型與二維CAD 圖紙的信息一致，模型制作時以M 為單位，按1∶1 制作，保持建筑物方向與實際一致，所有模型必須清除未使用項，刪除所有導入文件和外部參照鏈接，同時模型中的所有視圖必須經過整理，只保留默認的視圖和視點，其它都刪除[8]。

圖4 BIM 建模示意圖

圖5 效果展示

在完成三維模型后，將完成的三維數據導入專業GIS 平臺中，優化三維數據量和調整場景美觀性，并在系統中通過Iframe頁面集成嵌入三維建模頁面，采用http 的API 接口協議，實現用戶與三維建模的交互，提高用戶的使用體驗效果。

2.6 后臺管理

城市橋梁信息管理系統系統是一個集橋梁檔案管理、檢測評估、巡檢養護于一體的大型管理信息平臺，它包括各種有訪問需求的用戶，且信息量巨大，具有不同程度的信息敏感度，安全管理非常復雜。后臺管理主要是用于對橋梁信息管理系統的信息管理和權限管理，如橋梁基礎信息、圖片和其他日常使用文件的發布、更新、刪除等操作，同時也包括用戶的系統賬戶查看、修改和授權，用戶操作記錄的統計和管理。簡單來說就是后臺數據的管理配置，以使得應用平臺內容能夠得到及時更新和調整。

3.總結

針對傳統城市橋梁管養方式相對比較落后，缺少更先進科學的管理手段的現狀，本文依托繁昌區城市橋梁信息系統建設項目，建立了集地理信息系統、基本信息管理、檢測評估管理、BIM 模型等功能模塊的城市橋梁信息管理系統，系統將為每座橋梁建立數字化、信息化的“橋梁檔案”，解決信息分散問題，將傳統的粗放型管理模式轉化為可視化、精細化管理，全面掌握橋梁結構橋梁結構運營安全狀況，提升橋梁管養科學化水平，為管養決策提供科學依據。