BIM＋GIS技術應用于在役橋梁智慧運營平臺的架構功能研究

摘要：為有效提升橋梁運維效率與安全性，文章深入探討了BIM與GIS技術的融合，分析了其在橋梁運維數據管理、可視化展示以及決策支持等方面的應用，探討了在役橋梁智慧運營平臺主要功能的實現，以期為橋梁智慧運營領域的創新與發展提供理論基礎與技術支持，并為橋梁運維智慧化、智能化發展指明方向。

關鍵詞：BIM；GIS；在役橋梁；智慧運營平臺

中圖分類號：U445.4A511613

0 引言

在役橋梁作為交通網絡的關鍵節點，其智慧運營對于保障交通暢通與橋梁安全至關重要。然而，傳統橋梁運營管理模式面臨著效率低下、數據孤島等挑戰，不能很好地滿足現代化運營的需求。BIM與GIS技術的融合應用為橋梁智慧運營帶來了新的契機與可能。BIM技術能夠提供精細化的橋梁信息模型，而GIS技術則能實現對橋梁地理空間信息的全面感知與分析。二者結合有望解決傳統模式中的痛點，顯著提升橋梁運營管理的智能化水平。

1 BIM與GIS技術概述

1.1 BIM技術

BIM（建筑信息模型）作為一種數字化的工具，主要功能為表達建筑、基礎設施等物理與功能特性的綜合信息。目前，BIM技術已被廣泛應用到工程建設領域中，其借助三維模型的方式，有效集成工程項目的材料屬性、構件連接、幾何與空間關系等詳細信息。該技術提高了設計的精確性與協同效率，有助于項目參與者在各個階段都可以更好地理解與溝通設計意圖。從應用現狀來看，BIM技術的應用在提高項目質量、優化設計流程及減少錯誤與沖突等方面具有顯著優勢［1］。尤其是在復雜的橋梁工程中，BIM技術可以助力實現更精細化的設計與管理，并為工程項目的成功實施奠定堅實的基礎。

1.2 GIS技術

GIS（地理信息系統）作為一種專門用于收集、存儲、管理、分析與表達地理空間信息的系統，核心主要在于對空間數據的處理與分析能力，有效整合多種來源的地理數據，并利用地圖、圖表等形式來直觀呈現空間分布、關聯及變化。在地理空間信息分析與表達方面，GIS擁有強大的能力，能夠完成空間分析、空間統計、空間查詢等操作，從而為后續決策提供重要依據［2］。與此同時，該技術還可以實現數據的可視化表達，從而幫助使用者更好地理解空間信息。在橋梁智慧運營平臺中，應用GIS技術可以實現對橋梁周邊環境、地理位置等空間信息的全面感知與分析，以此為橋梁的運維管理、安全監測提供技術支撐。

1.3 BIM與GIS融合

BIM與GIS的融合已經成為工程建設領域信息技術發展的重要趨勢。其中，BIM技術以精細化的三維模型為基礎，重點關注建筑構件的詳細信息及其相互關系；而GIS技術則具有宏觀的空間視角，側重于整合與分析地理空間信息。二者的融合點在于有效結合BIM的微觀模型數據與GIS的宏觀空間數據，以此實現多維度的信息交互與共享。在橋梁智慧運營方面，BIM與GIS的融合潛力巨大，借助BIM模型能夠精確管理橋梁的維護歷史、構件信息等數據；而融合GIS則可以準確提供橋梁的地理位置、周邊環境等空間信息［3］。二者有效結合，可以顯著提升橋梁運維的精細化管理水平，有助于實現對橋梁運營環境的全面感知與分析，從而為橋梁的應急響應、安全監測等提供技術支撐。

2 在役橋梁智慧運營平臺需求分析

在役橋梁智慧運營平臺的建設，旨在利用信息技術手段來提升橋梁運營管理的效率與安全性。在功能性需求方面，平臺應具備基本的數據管理功能，能夠高效存儲、查詢與更新橋梁運維相關的各類數據；同時，還應提供如可視化展示等高級功能，將復雜的運維數據以直觀的圖表、圖像等形式展現，方便用戶快速理解與分析；決策支持功能也至關重要，平臺應充分利用數據挖掘與分析技術，為橋梁運維決策提供科學依據與輔助支持［4］。在性能需求上，平臺需具備高穩定性、良好的響應時間、強大的數據處理能力，以確保在面對大量數據與復雜運算時可以快速、準確地做出響應。此外，安全性是平臺運行的基石，平臺必須確保數據的安全性與完整性，通過采取嚴格的安全策略與措施，如數據加密、訪問控制等，有效防范與避免各類安全風險與挑戰。

3 在役橋梁智慧運營平臺架構設計

在深入研究BIM+GIS技術融合應用于在役橋梁智慧運營平臺時，平臺架構設計顯得尤為重要。該平臺總體架構由展示層、業務層、數據層、網絡傳輸層及硬件設備構成，且每一層都承載著不同的功能與任務。平臺總體架構示意圖如圖1所示。

如圖1所示，展示層作為與用戶直接交互的界面，集成了養護計劃制定、技術狀況評定、地理信息展示、橋梁三維可視化、病害展示、報表管理、系統配置管理、用戶信息管理與項目信息等功能。該層充分利用BIM與GIS的可視化技術，為用戶提供了便捷、直觀的操作體驗。

業務層則作為平臺的核心處理層，主要負責處理項目信息化管理、病害可視化分析、技術狀況評定計算、實時健康監測數據流、養護計劃的制定邏輯、電子化巡檢流程、用戶權限管理等業務邏輯［5］。該層通過調用數據層的服務接口，實現了業務的高效處理。

數據層作為平臺的信息倉庫，存儲了用戶信息、工程信息、業務信息、BIM精細化模型數據與GIS地理空間數據等。同時，該層還提供了應用服務接口、公共服務組件及基礎功能服務，為業務層提供了穩定的數據支持。

網絡傳輸層作為整個平臺的“信息高速公路”，深度融合互聯網與通信網，從而實現了數據的快速傳輸與共享。而硬件設備層則是整個平臺的基礎支撐，為在役橋梁智慧運營平臺的穩定運行提供必要的硬件保障。通過有效整合BIM與GIS技術，并將其應用于在役橋梁智慧運營平臺架構中，實現了數據的集成、可視化展示以及業務的高效處理，為橋梁智慧運營提供有力的技術支持。

4 在役橋梁智慧運營平臺功能的實現

在役橋梁智慧運營平臺通過集成BIM與GIS技術，實現了多個功能模塊的高效協同，主要涵蓋運維管理集成與優化模塊、感知與傳輸模塊、運維BIM+GIS模型、評估與預警決策模塊以及數字化巡檢模塊。[JP1]其中，運維BIM+GIS模型充分發掘BIM技術的精細化管理能力與GIS技術的地理空間分析能力，為橋梁智慧運維提供全面的數字化支持；感知與傳輸模塊借助傳感器網絡與數據傳輸技術，實現了橋梁運維狀態信息的實時獲取，為后續分析與決策提供了實時數據支持；數字化巡檢模塊實現了全面數字化管理橋梁巡檢工作，顯著提高了巡檢工作的效率與質量；評估與預警決策模塊借助大數據與分析技術完成數據挖掘與深度分析，為橋梁的安全評估與預警提供必要依據；運維管理集成與優化模塊則通過集成各種運維數據，實現了信息共享與協同工作，大幅提高橋梁運維管理的效率與質量［6］。這些功能模塊相互配合與協作，共同為在役橋梁智慧運營平臺的正常可靠運行提供堅實基礎。平臺功能模塊框圖如圖2所示。

4.1 運維BIM+GIS模型構建

在構建運維BIM+GIS模型時，需對橋梁空間模型進行精細化構建。橋梁空間模型以BIM技術為基礎，通過對施工階段模型的校核與完善，確保模型的準確性與完整性，進而獲得工程驗收模型及其所處區域的精確空間表達。與此同時，監測模型的構建同樣重要，其涵蓋了荷載、環境、響應等多方面的監測數據。數據主要來源于采購記錄、維護記錄、傳感器位置信息以及多種監測系統參數，具體涉及傾角傳感器、GPS+BDS定位、結構振動加速度計等設備的實時監測數據［7］。通過BIM與GIS技術的深度融合，運維BIM+GIS模型成功將橋梁的微觀結構信息與宏觀地理環境信息相結合，從而為橋梁的智慧運營提供了精準、全面的數據支持。運維BIM+GIS模型示意圖如圖3所示。

4.2 感知與傳輸

感知與傳輸功能于在役橋梁智慧運營平臺中扮演著舉足輕重的角色。通過在橋梁的關鍵部位部署傳感器與采集設備，平臺能夠實時捕捉車輛通行、震動、風速、雨量、水流等多種荷載與環境信息。經過高效遠程傳輸，數據被整合進橋梁動態數據庫。并借助多災變耦合分析技術，該平臺可精確監測橋梁整體與局部的實時反應，進而準確預判潛在的災害行為，確保橋梁安全。該功能提升了橋梁運維的智能化水平，為橋梁的安全運營提供有力保障。通過深度融合BIM與GIS技術，感知與傳輸功能在橋梁智慧運營中發揮著不可或缺的作用。

4.3 數字化巡檢

數字化巡檢是在役橋梁智慧運營平臺的重要功能之一，該功能深度集成了移動測繪、智能識別、BIM及GIS等高端技術，在巡檢途中能實時捕獲人員、時間、位置及路線信息，進而為相關巡檢人員提供所需的技術手冊與支持。平臺接收上傳的巡檢數據后，即可實現快速的可視化查詢，便于工作人員精確定位與高效管理。此外，此功能還細化出三項子功能：（1）管理缺陷病害，用于維護巡檢中識別的病害信息，與BIM三維模型相結合，完成狀態的可視化監控；（2）提供巡檢支持，借助手持設備為現場人員提供歷史病害、模型及信息查詢服務，并同時保留現場圖片；（3）管理巡檢作業，引入移動技術來實時追蹤巡檢路徑，以保證作業的高效與規范［8］。

4.4 評估與預警決策

評估與預警決策作為在役橋梁智慧運營平臺中的核心功能，該功能集安全預警評估、管理與決策支持及大數據挖掘識別等子功能于一體。通過運用尖端大數據技術，平臺能夠預設橋梁災害觸發閾值與預警級別，深入綜合分析結構響應、環境信息及荷載等關鍵監測數據。憑借數據支持，平臺得以實時完成橋梁的在線安全評估，并適時發送預警信息。此外，該功能還為相關部門與工作人員提供了涵蓋綜合策略、專項規劃、日常運維及應急處置在內的全方位決策支持，從而有力保障橋梁的安全高效運營。

4.5 運維管理集成與優化

運維管理集成與優化功能綜合運用了移動智能測繪、BIM技術，實現了運維管理的集成與優化。憑借養護管理過程中的作業信息，結合BIM的可視化特性，為維修養護施工提供了有力輔助。同時，該功能還提供設備維修養護信息的便捷查詢服務。工作人員可手持終端來檢索缺陷病害的可視化信息、養護現場的竣工資料等，并能隨時獲取現場圖片資料。此外，通過結合橋梁技術狀況評估結論，該功能能夠提出針對性的養護建議，進而形成切實可行的養護方案。這一功能的實現與應用，使橋梁運維管理實現了信息的可視化、集成化與優化，顯著提升了運維效率與決策的科學性。

5 結語

綜上所述，BIM與GIS技術在在役橋梁智慧運營管理中具有巨大的潛在價值與應用前景。通過有效融合BIM的精細化管理能力與GIS的地理空間分析能力，為橋梁智慧運營提供了創新的解決方案與思路。然而，該研究仍存在局限性與不足之處，如實際應用中的數據共享與安全性問題、技術融合難題等，仍需進一步研究與改進。未來，伴隨技術的創新與發展，BIM與GIS技術有望在橋梁智慧運營領域得到更廣泛且深入的應用，從而為提升橋梁運維效率、確保交通安全作出重要貢獻。

參考文獻

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［8］張 鑫.GIS+BIM技術在營運高速公路橋梁養護管理中的作用分析［J］.工程建設與設計，2023（1）：141-143.

收稿日期：2024-03-12

作者簡介：張小鳳（1990—），工程師，研究方向：項目概預算、合同成本、投標等。