基于BIM+GIS的重載鐵路橋梁設備管理研究與應用

閆嘯坤 李子龍 尹京 孫培培

1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧0 62350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路橋梁實行檢查與養護維修分開的管理體制。通過人工檢查、專項檢查和檢定試驗對橋梁狀態進行評估。根據橋梁設備竣工圖紙、自建臺賬、病害履歷、橋梁設備狀態等信息并結合維修周期，制定年度維修計劃。朔黃鐵路建成已有20余年，形成了海量的設備臺賬信息、設備履歷信息。大量的運營維護信息存在如下問題，造成海量數據無法直接指導橋梁設備的檢修：①竣工圖紙為手繪，隨著時間推移，竣工圖紙部分內容褪色、模糊，造成設備竣工信息丟失；竣工圖紙、驗收資料等信息分散，運營維護單位無法多維度、直觀地了解設備狀況。②橋梁設備病害信息由人工記錄，由于病害記錄不統一，致使橋梁設備信息斷層、不可查，存在一定程度的信息缺失。③運營維護單位通過電子表格管理橋梁設備履歷信息，設備信息的統計匯總以人工為主，存在橋梁設備信息更新不及時、信息不完整等問題。

以 BIM（Building Information Models）+ GIS（Geographic Information System）為核心的信息化技術正廣泛應用于鐵路運營維護階段。目前，國家能源投資集團提出了智慧重載鐵路系統框架及重點建設內容，其中搭建基于BIM+GIS的工務設備智能管理系統是實現工務設備智能運維的途徑之一。傾斜攝影模型、影像圖能夠提供宏觀地理尺度的空間數據，BIM能夠提供微觀部件級的人工構筑物數據，兩者通過GIS實現多源異構數據融合，形成完整的信息資源綜合展示與分析計算。因此，應從BIM+GIS的理念出發，研發基于BIM+GIS的重載鐵路橋梁設備管理系統，實現對鐵路橋梁設備的可視化管理、臺賬信息的集成管理，為橋梁運營部門提供日常管理和決策服務。

本文通過研究橋梁設備臺賬信息化、橋梁快速建模技術、BIM+GIS融合技術與方法，搭建基于BIM+GIS的橋梁設備管理系統，探索BIM+GIS技術在重載鐵路橋梁設備管理中的應用。

1 橋梁設備臺賬信息化管理

鐵路橋梁設備信息管理采用鐵路工務管理信息系統（Permanent Way Management Information System of Railway，PWMIS）。PWMIS系統已具備了橋隧設備及病害的數據管理、統計、查詢等功能，一定階段內滿足了使用需求。隨著BIM技術在鐵路行業內的推廣，傳統的數據管理、統計、查詢等功能難以滿足鐵路橋梁設備智能管理的需要。PWMIS中橋梁設備管理主要分為三張表：橋梁設備簡表、橋梁主區信息表、橋梁次區信息表。橋梁設備簡表記錄橋梁全長、橋孔總長、孔跨式樣、立交類別、加固信息等橋梁基礎信息。橋梁主區信息表記錄整橋屬性信息，包括橋臺式樣、水文資料、軌道類型、線路坡度、曲線半徑、曲線長、橋建成年度、軌底高等無法細分到具體孔跨的全橋信息。橋梁次區表記錄孔跨、墩臺、支座等構件屬性信息。上述三張表的屬性信息主要存在三個問題：①數據、圖表只能抽象地反映橋梁設備的狀態，無法直觀、準確地了解病害發生的具體位置。②現有橋梁設備信息表無法將橋梁全部構件進行精細化管理，例如由多片T梁組成的簡支梁只記錄到孔跨，沒有具體到一片T梁。③橋梁病害信息以人工記錄為主，病害程度的描述不夠規范，現場無法關聯病害照片與人工記錄的病害信息。對于需長期觀測的病害，不能及時反映病害發展的具體過程。

2 基于BIM+GIS的橋梁設備智能管理系統

2.1 總體架構

根據業務需求，通過分析既有橋梁臺賬信息、病害信息、橋梁養護維修管理方式之間的關系，提出基于BIM+GIS的橋梁智能設備管理系統。采用基于B/S框架設計，總體架構（圖1）分為三層：①數據層。BIM數據、GIS數據為橋隧設備的可視化提供支撐，橋梁設備臺賬、病害信息、竣工資料、大修信息等為具體業務提供數據支撐。②應用層。③展示層。

圖1 總體架構

2.2 功能模塊

平臺的功能模塊包括基礎功能和應用功能兩部分。基礎功能模塊主要是平臺的基本操作設置，包括三維漫游、模型剖切、構件查詢、距離測量等內容；應用功能模塊是實現平臺功能的載體，主要包括設備信息管理、病害信息管理和大修信息管理三大模塊，每個模塊對應相應的子功能，通過這些功能模塊實現對橋梁設備的可視化管理。

2.2.1 基礎應用模塊

1）視圖剖切。通過設置剖面框在場景模型中查看剖面框內模型，反映局部模型的相互位置關系。

2）地形顯示。切換地形顯示狀態，可查看實體地形，也可將地形半透明或隱藏地形，從而滿足不同的瀏覽需求。

3）測量距離。測量場景模型中任意構件間的距離，點到點的距離。

4）視圖定位。針對橋梁檢查的習慣，設置默認視角，方便查看，主要方向包括順橋向、橫橋向、俯視。

5）漫游瀏覽。通過設定漫游路線，可沿路線進行漫游瀏覽，支持暫停功能。

2.2.2 應用功能模塊

1）設備管理。前端橋梁BIM模型通過構件編碼與后臺臺賬數據關聯，根據用戶需求展示設備關鍵信息，如圖2所示。

圖2 設備管理示意

2）病害管理。工隊作業人員通過巡檢APP記錄橋梁設備病害信息，并同步至后臺數據庫，前端即可展示相關病害信息，并關聯到相關構件。

3）大修管理。顯示管段內正在大修的橋梁工點信息，如施工單位、工期計劃、維修加固項目等，并通過GIS地圖進行定位、提醒。

3 項目應用

橋梁設備的智能運營維護管理，首先需要對既有橋梁進行精細化BIM建模，然后通過模型輕量化技術設置多細節層次（Levels of Detail，LOD）等級，將橋梁BIM模型、周邊環境傾斜攝影模型導入GIS平臺中進行融合。為了提升用戶的Web端訪問體驗，采用BIM模型輕量化、實例化、緩存切分等技術提高渲染能力，高效顯示橋梁設備BIM模型和周邊三維場景。

選取朔黃鐵路橋梁設備開展BIM+GIS技術應用，進行橋梁參數化快速建模，采用超圖GIS平臺進行BIM、GIS融合，并基于超圖GIS平臺開發橋梁設備智能管理系統，實現橋梁設備的可視化、精細化管理。

3.1 橋梁快速建模技術

重載鐵路梁式橋截面多變、參數多，傳統手工建模重復工作多，模型利用性差，建模效率低。針對這一問題，建立了一種基于BIM技術的重載鐵路梁式橋參數化快速建模方法。基本思路（圖3）為：①將橋梁結構合理拆分，明確各構件的控制參數，建立構件的參數化族庫；②將橋梁基本特征參數信息整理成表格輸入建模軟件，自動化、批量化完成橋梁模型創建與拼裝；③根據線路平曲線、豎曲線生成三維線路中心線，作為橋梁BIM模型的定位中心線。

圖3 橋梁快速建模基本思路

3.1.1 橋梁構件拆分

根據朔黃鐵路橋梁既有一橋一檔資料、履歷分析表及運維管理需要，對朔黃橋梁結構進行合理拆分，為每個構件建立相應的編碼，橋梁BIM模型精度也按此規則拆分。前端橋梁BIM模型通過構件編碼與后臺橋梁臺賬信息建立一一對應的關系，從而實現前后端的關聯［1］。橋梁構件拆分見圖4。

圖4 橋梁構件拆分

3.1.2 橋梁快速建模流程

朔黃鐵路常用橋梁結構以雙片式T形簡支梁結構、預應力混凝土梁為主，合計占全線橋梁的93.07%。根據朔黃鐵路橋梁分布特點，收集典型梁橋竣工圖紙等技術資料，建立橋梁BIM構件庫，包括T梁、箱梁、支座、橋墩等標準化部件，實現典型橋梁成段落BIM快速建模。整體建模流程如圖5所示。

圖5 整體建模流程

具體建模流程為：

1）創建線路中心線。導入線路平曲線、豎曲線數據，開發算法自動擬合生成線路三維中心線，并導入建模平臺，如圖6所示。

圖6 創建線路中心線

2）創建BIM構件（圖7）。根據構件拆分規則，創建橋梁設備參數化構件，如梁體、橋墩、支座、墊石、橋臺等。為了展示效果，建立低精度線路、四電BIM模型。

圖7 創建BIM構件庫

3）創建橋梁BIM模型。以線路三維中心線為定位線，BIM構件庫為數據源，根據梁體幾何定位信息對橋梁結構進行構建。通過輸入相關參數，一鍵生成橋梁BIM模型。

4）構件編碼。框選構件進行編碼，分為基于族的框選、基于族類型的框選、任意框選三種。

3.2 BIM與GIS數據集成技術

GIS系統的數據源包括傾斜攝影模型、DEM與DOM數據，側重反映宏觀的鐵路沿線周邊環境。高精度BIM模型作為GIS系統的一個重要的數據來源，一方面提升了BIM應用的深度，將橋梁BIM的應用從單工點延伸到鐵路全線，另一方面將GIS應用到更微觀的層面。BIM與GIS的數據集成，實現了鐵路沿線周邊環境和橋梁結構的有機融合，同時帶來了一些挑戰，主要包括BIM與GIS數據的集成技術、BIM模型的高效可視化技術。

3.2.1 BIM與GIS數據的集成

鐵路橋梁BIM建模軟件主要有Autodesk Revit、CATIA、Bentley等，這些軟件形成了不同的數據格式，如*.rvt、*.stp、*.dgn等。不同格式的BIM數據所表達的語義信息、幾何信息并不相同。通過調用BIM平臺的底層接口進行二次開發，將BIM模型轉換成GIS平臺需要的數據格式，實現BIM與GIS的融合。融合過程包括BIM數據入庫、BIM模型優化等步驟。

1）BIM數據入庫。使用超圖BIM模型三維插件導出數據，在導出時進行坐標系設置，使BIM模型坐標為橋梁設備所在位置真實坐標，確保橋梁設備BIM模型與鐵路沿線周邊傾斜攝影模型的精確融合。

2）BIM模型優化。BIM模型導出后生成*.udb數據，將此數據導入超圖iDesktop平臺進行數據簡化及輕量化處理，提高BIM模型的可視化效率。BIM模型入庫流程如圖8所示。

圖8 BIM模型入庫流程圖

3.2.2 BIM模型高效可視化

朔黃鐵路正線橋梁設備382座，BIM模型數據量在100 GB左右，給計算機GPU、內存帶來很大壓力。精細的BIM模型包含許多形狀相同的幾何實體，增大了用戶端渲染的壓力。為實現大規模橋梁設備BIM模型的加載，需要利用模型輕量化、實例化、LOD、緩存切片等技術，實現大規模橋梁BIM模型的高效加載與渲染。以莊里滹沱河大橋BIM模型為例，BIM模型數據量為123 MB，轉換為*.udb格式后為316 MB，經過優化后為296 MB，優化后數據量減小了6%。

BIM模型高效可視化需應用如下技術：

1）BIM模型輕量化。BIM模型輕量化是指根據BIM模型的語義信息，對模型的某些骨架進行刪除或者簡化，達到通過減少數據量提高渲染效率的目的［2］。如支座、墊石、鋼軌、接觸網立柱、腕臂等構件，這些構件幾何結構復雜、頂點數及三角面片數多，可以采取刪除或者簡化這些構件BIM模型骨架來達到模型輕量化的目的［3-4］。

2）實例化技術。實例化是針對形狀相同的幾何模型，抽象其示例存儲在內存中，減少內存空間的占用，重復構件的渲染繪制通過在GPU中對實例進行矩陣變換實現［5］。針對橋梁BIM模型的特點，存在大量重復的構件，如簡支梁體BIM模型、支座BIM模型等，若每個構件都是實體，將占用大量存儲空間，因此采用實例化技術優化BIM模型的渲染，降低GPU等硬件設備的壓力。

3）基于LOD的渲染技術。LOD技術是在不影響畫面視覺效果的前提條件下，根據地形的不同復雜程度和人眼觀察地形的特點，對地形的不同區域采取不同細節的描述和繪制，通過逐次簡化景物的表面細節來減少場景的幾何復雜性，從而提高繪制算法的效率［6］。為提高渲染效率，LOD方法能夠靈活地調度資源，處理數據，既減少了運算量，又不會降低圖像的顯示效果［7］。

4）BIM模型緩存切片技術。緩存切片技術是對BIM數據的預先生成技術，對適量BIM緩存數據進行切片并作為緩存服務，在用戶檢索BIM數據時通過緩存返回用戶的請求，從而降低系統在反復生成BIM模型時的負擔并提高用戶體驗［8］。一般對簡化處理后的BIM模型進行LOD分層和八叉樹金字塔剖分［9-10］，對不同BIM模型類型進行瓦片邊長、紋理大小設定和切分。鐵路橋梁長線性的BIM模型適合選擇八叉樹剖分。對剖分的每一個區域內的BIM數據按照100~300 m的瓦片邊長進行存儲。存儲的格式為不同分辨率（如2 048×2 048，1 024×1 024，512×512，256×256，128×128，64×64）的三維切片緩存文件。設置像素過濾閾值為2，低于2像素的子對象被過濾掉，從而提高加載效率。

4 結語

本文實現了橋梁設備多源數據的集成，通過建立統一的后臺系統，集成橋梁設備臺賬、檢查病害信息、大修信息，同時開放接口，為線路、隧道、路基等專業提供數據，實現專業間數據互通。通過建立橋梁設備的精細化BIM模型、鐵路沿線周邊環境模型，基于GIS平臺對上述數據進行融合，實現了設備的三維可視化，便于運維人員直觀了解設備及沿線環境的狀態。