陳曉敏 李煥強

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030)

引言

BIM(建筑信息模型，Building Information Modeling)是基礎設施的物理特性和功能特性的數(shù)字化表達，包括了設計、施工、運營等過程的產(chǎn)生的各種類型信息。相比于傳統(tǒng)的信息管理方式， BIM 模型能夠整合分散信息源[1]，為高速公路橋梁的數(shù)字化運維提供了唯一的數(shù)據(jù)載體和可視化展示平臺[2]。

GIS(地理信息系統(tǒng)，Geographic Information System)是以空間分析、空間數(shù)據(jù)庫和三維可視化為核心，以地理空間數(shù)據(jù)為對象進行采集、存儲、管理、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。GIS 對于宏觀的地理空間信息表達有著天然的優(yōu)勢，而BIM 模型在構(gòu)建高速公路三維空間信息和結(jié)構(gòu)性能方面有著強大的能力。將 BIM 模型和 GIS 技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn) BIM 模型與二維、三維地理信息的交互融合，可以極大地提高公路等線性工程和城市等區(qū)域工程的智慧化管理能力。

橋梁是公路工程的重要節(jié)點，橋梁安全可靠的運營對區(qū)域社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展起著至關重要的作用，而橋梁養(yǎng)護維修則是維持橋梁結(jié)構(gòu)健康的重要手段。橋梁定期檢測結(jié)果是橋梁技術(shù)狀況評定和橋梁養(yǎng)護決策的主要依據(jù)[3]，橋梁健康監(jiān)測則是橋梁在復雜運營環(huán)境、重載交通條件下或當運營狀況發(fā)生異常時會發(fā)出預警信息，為橋梁的安全運營和維修方案提供數(shù)據(jù)指導[4]。

目前，BIM技術(shù)大多被用于橋梁的設計階段與施工階段[5-8]，而將其運用到橋梁養(yǎng)護階段的研究應用較少。宋華[9]提出了基于BIM技術(shù)的橋梁健康狀態(tài)的三維可視化展示分析方案，通過Dynamo建立橋梁輕量化模型,將橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型動態(tài)關聯(lián)，實現(xiàn)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)在模型上的三維可視化，升級了監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線動態(tài)查看功能以及自動報警功能。曹海盛[10]通過分析橋梁監(jiān)測的特點，提出了基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計方案與應用，并通過實際工程案例搭建了基于BIM的橋梁健康監(jiān)測養(yǎng)護管理平臺。李成濤[11]提出了一種基于BIM技術(shù)的橋梁病害三維可視化展示分析的方案，該方案研究了橋梁病害標記體屬性、維度的匹配問題，并基于WebGL技術(shù)開發(fā)了橋梁病害三維可視化在線軟件，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)裂縫、一般局部病害、構(gòu)件對象損傷程度和病害歷史等病害演化的三維可視化展示。陳寧[12]針對目前橋梁病害分布散亂、缺乏全局觀察判斷方法的問題, 利用BIM技術(shù)對橋梁病害分布情況開發(fā)了一種三維可視化橋梁病害信息采集、管理和展示分析系統(tǒng)。

這些研究在橋梁養(yǎng)護工作的數(shù)字化方面取得了一些成果，但在橋梁的基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合以及數(shù)字化應用方面仍缺乏系統(tǒng)的研究。因此，本文通過融合橋梁BIM數(shù)據(jù)、橋梁檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護歷史等數(shù)據(jù)，在橋梁病害溯源分析和發(fā)展趨勢分析、橋梁養(yǎng)護維修決策分析及橋梁養(yǎng)護效果后評價等方面做了積極有效的探索。

2 基于GIS+BIM的橋梁養(yǎng)護平臺整體架構(gòu)

橋梁養(yǎng)護系統(tǒng)平臺結(jié)合了實際養(yǎng)護管理需求，基于成熟的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、文檔管控技術(shù)、云平臺搭建技術(shù)、GIS+BIM平臺技術(shù)等，在現(xiàn)有的GIS+BIM平臺基礎上進行開發(fā)。橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，業(yè)務層包括日常巡查、小修保養(yǎng)、定期檢測、專項養(yǎng)護、健康監(jiān)測、智聯(lián)管控。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)終端包括電腦終端、移動端和Web端，具體功能如表1所示。

表1 基于GIS+BIM橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)各終端功能部署

橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要組成如圖2所示，主要包括：系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫、檢查信息數(shù)據(jù)庫(日常巡檢和定期檢測)、健康監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫、橋梁技術(shù)狀況評定信息數(shù)據(jù)庫和養(yǎng)護維修信息數(shù)據(jù)庫(日常小修保養(yǎng)和專項工程)。

圖2 橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

3 工程實例

杭金衢高速紅墾樞紐位于杭金衢高速公路杭紹段，是杭金衢高(G60)、杭甬高速(G92)和杭州繞城高速公路(G2504)三條高速交匯處，交通繁忙。由于匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)中等功能性病害且發(fā)展較快，故在2019年7月進行了應急性改建。改建后應用了GIS+BIM技術(shù)對橋梁養(yǎng)護進行管理，實現(xiàn)了數(shù)字化的養(yǎng)護數(shù)據(jù)采集、管理和分析。

3.1 橋梁BIM模型建立

本項目采用Bentley OpenBridge Modeler進行橋梁建模并附加構(gòu)建編碼屬性(如圖3所示)，按照養(yǎng)護實際需求對箱梁按照底板、腹板、頂板進行構(gòu)件拆分獨立(如圖4所示)。

圖3 橋梁構(gòu)件屬性表

圖4 箱梁底板單獨拆分示意

3.2 BIM模型、檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和GIS平臺融合

在橋梁數(shù)字化養(yǎng)護系統(tǒng)中，橋梁養(yǎng)護的數(shù)據(jù)信息集成及應用是核心，BIM模型是數(shù)據(jù)承載的載體，BIM模型構(gòu)件編碼是唯一身份ID，GIS平臺是管理集群化橋梁的基礎。因此，BIM模型、橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)(主要包括檢測、監(jiān)測、養(yǎng)護施工數(shù)據(jù))及GIS平臺融合是實現(xiàn)系統(tǒng)運作的關鍵。針對紅墾樞紐橋梁運營維護的應用需求，橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)融合架構(gòu)設計如圖 5所示。

圖5 橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)融合設計圖

輕量化的BIM模型是實現(xiàn)大體量模型在Web端、移動端使用的前提。因此,橋梁BIM模型首先要輕量化再導入GIS平臺。

依據(jù)橋梁養(yǎng)護管理中的對橋梁構(gòu)件劃分標準，對檢測信息、監(jiān)測設備進行編碼重構(gòu)，使其與BIM模型構(gòu)件編碼保持一致。根據(jù)現(xiàn)有養(yǎng)護數(shù)據(jù)類型，建立橋梁基礎信息數(shù)據(jù)庫、橋梁檢測數(shù)據(jù)庫、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。橋梁基礎信息數(shù)據(jù)庫包含橋梁卡片信息、圖紙資料、施工信息、材料信息等； 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測系統(tǒng)各種傳感器參數(shù)、傳感器位置、維護信息； 橋梁檢測數(shù)據(jù)庫包括日常檢查、定期檢測、日常小修、專項養(yǎng)護等信息。

3.3 系統(tǒng)應用

(1)可視化橋梁周邊地理信息展示和GIS測量

通過與GIS系統(tǒng)關聯(lián)，可以迅速查詢了解橋梁所處環(huán)境周邊地理信息，并且提供基本三維測量功能(如圖6所示)，例如：距離測量、高度測量、面積測量、體積測量。通過GIS地理信息和測量功能，對日常巡查方案進行提前規(guī)劃，對重點檢測部位進行可視化規(guī)劃，提高養(yǎng)護工作效率。

圖6 系統(tǒng)基本測量功能

(2)基于BIM模型的橋梁巡檢系統(tǒng)應用

基于BIM+GIS 標準化人工巡查系統(tǒng)(如圖7所示)利用移動終端不僅可以顯示橋梁BIM模型及其構(gòu)件， 還可以隨時查詢橋梁構(gòu)件設計信息、巡查歷史信息以及養(yǎng)護維修信息； 在錄入橋梁病害信息時可以直接在三維界面上直接選中構(gòu)件，定位病害相對準確位置，提高巡檢的效率。

圖7 橋梁巡檢系統(tǒng)主界面

(3)GIS+BIM+IoT橋梁健康監(jiān)測技術(shù)應用

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)對傳感器位置描述通常采用文字+GIS平面圖示方式，對于傳感器布置密集橋梁，無法準確定位傳感器位置。在引入GIS+BIM技術(shù)之后，傳感器位置與橋梁構(gòu)件綁定關聯(lián)，即監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)與橋梁構(gòu)件養(yǎng)護歷史等關鍵信息關聯(lián)，監(jiān)測系統(tǒng)不局限與閾值預警單項功能(如圖8所示)。通過GIS+BIM技術(shù)擴展健康監(jiān)測系統(tǒng)的應用范圍，為橋梁全生命周期的養(yǎng)護維修提供可靠的數(shù)據(jù)載體。

圖8 橋梁監(jiān)測設備與BIM模型融合

(4)橋梁病害快速查詢和統(tǒng)計分析

通過目錄樹查詢構(gòu)件，或者直接在三維場景右鍵構(gòu)件顯示屬性框，顯示構(gòu)件病害查詢功能，即可顯示該構(gòu)件全部病害、構(gòu)件得分、位置信息、檢測人員信息、檢測時間、現(xiàn)場病害圖片等關鍵信息(如圖9所示)。橋梁隱蔽部位較多，基于BIM模型可視化展示病害功能，對橋梁結(jié)構(gòu)病害進行全方位展示；對病害的缺損程度以不同顏色形式進行展示并且對提供病害分類展示功能；了解不同病害類型的分布情況，并且關聯(lián)現(xiàn)場照片，歷史養(yǎng)護信息及其檢測數(shù)據(jù)，并基于4D時間動態(tài)展示功能掌握橋梁病害的發(fā)展趨勢。

圖9 基于BIM模型的橋梁構(gòu)件病害信息

(5)橋梁養(yǎng)護可視化輔助決策

基于GIS+BIM的橋梁養(yǎng)護輔助決策系統(tǒng)可以做到?jīng)Q策的可視化。對于單橋方面，在橋梁BIM模型的基礎上，記錄病害現(xiàn)場照片的圖像數(shù)據(jù)庫能夠為養(yǎng)護決策者在病害成因分析提供初步判斷，同時將不同檢測時間的病害圖像相互關聯(lián)，能夠?qū)Σ『Φ陌l(fā)展進行全面的分析，制定更全面準確的養(yǎng)護方案。對于橋梁群來講，基于3D GIS的橋梁技術(shù)狀況展示分析，可以為路網(wǎng)級的橋梁養(yǎng)護決策提供更廣泛的分析平臺。

(6)橋梁養(yǎng)護效果后評價

基于GIS+BIM的橋梁可視化技術(shù)以病害類型和維修措施為索引，建立單橋級構(gòu)件養(yǎng)護效果后評價機制，通過對養(yǎng)護維修后構(gòu)件病害進行可視化追溯，為后續(xù)養(yǎng)護維修措施優(yōu)化提供參考。具體實施步驟為：以維修后為時間軸起點，對于同類型構(gòu)件維修后的技術(shù)狀況評分隨時間的變化進行統(tǒng)計，通過趨勢圖并結(jié)合BIM模型上展示進行可視化分析展示，如圖10所示。

圖10 維修后橋墩技術(shù)狀況評分變化趨勢圖

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護管理中橋梁基礎資料系統(tǒng)、橋梁定期檢測系統(tǒng)、橋梁日常巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)、橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)各自相互獨立以及基礎數(shù)據(jù)不互通所造成的數(shù)據(jù)孤島問題，本文基于GIS+BIM技術(shù)，以橋梁構(gòu)件為基本單位，將橋梁基礎資料數(shù)據(jù)、日常巡檢數(shù)據(jù)及橋梁健康檢測數(shù)據(jù)進行整合，取得了以下成果：

(1)通過依托項目，建立一套基于GIS+BIM橋梁養(yǎng)護管理平臺，通過接口開發(fā)整合現(xiàn)存的橋梁日常檢查與定期檢測，提供橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時開發(fā)移動端采集系統(tǒng)，及進上傳日常巡檢數(shù)據(jù)；

(2)通過多方橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)整合及橋梁BIM模型可視化特點，在橋梁病害溯源分析和發(fā)展趨勢分析，以及橋梁養(yǎng)護維修決策分析和橋梁養(yǎng)護效果后評價的過程中，打破了原有工作模式中存在的數(shù)據(jù)孤島問題，做了積極有效的探索。