基于BIM+GIS的重載鐵路橋梁設(shè)備管理研究與應(yīng)用

閆嘯坤 李子龍 尹京 孫培培

1.國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧0 62350；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

重載鐵路橋梁實(shí)行檢查與養(yǎng)護(hù)維修分開(kāi)的管理體制。通過(guò)人工檢查、專(zhuān)項(xiàng)檢查和檢定試驗(yàn)對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)橋梁設(shè)備竣工圖紙、自建臺(tái)賬、病害履歷、橋梁設(shè)備狀態(tài)等信息并結(jié)合維修周期，制定年度維修計(jì)劃。朔黃鐵路建成已有20余年，形成了海量的設(shè)備臺(tái)賬信息、設(shè)備履歷信息。大量的運(yùn)營(yíng)維護(hù)信息存在如下問(wèn)題，造成海量數(shù)據(jù)無(wú)法直接指導(dǎo)橋梁設(shè)備的檢修：①竣工圖紙為手繪，隨著時(shí)間推移，竣工圖紙部分內(nèi)容褪色、模糊，造成設(shè)備竣工信息丟失；竣工圖紙、驗(yàn)收資料等信息分散，運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位無(wú)法多維度、直觀(guān)地了解設(shè)備狀況。②橋梁設(shè)備病害信息由人工記錄，由于病害記錄不統(tǒng)一，致使橋梁設(shè)備信息斷層、不可查，存在一定程度的信息缺失。③運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位通過(guò)電子表格管理橋梁設(shè)備履歷信息，設(shè)備信息的統(tǒng)計(jì)匯總以人工為主，存在橋梁設(shè)備信息更新不及時(shí)、信息不完整等問(wèn)題。

以 BIM（Building Information Models）+ GIS（Geographic Information System）為核心的信息化技術(shù)正廣泛應(yīng)用于鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。目前，國(guó)家能源投資集團(tuán)提出了智慧重載鐵路系統(tǒng)框架及重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，其中搭建基于BIM+GIS的工務(wù)設(shè)備智能管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工務(wù)設(shè)備智能運(yùn)維的途徑之一。傾斜攝影模型、影像圖能夠提供宏觀(guān)地理尺度的空間數(shù)據(jù)，BIM能夠提供微觀(guān)部件級(jí)的人工構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，兩者通過(guò)GIS實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，形成完整的信息資源綜合展示與分析計(jì)算。因此，應(yīng)從BIM+GIS的理念出發(fā)，研發(fā)基于BIM+GIS的重載鐵路橋梁設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路橋梁設(shè)備的可視化管理、臺(tái)賬信息的集成管理，為橋梁運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供日常管理和決策服務(wù)。

本文通過(guò)研究橋梁設(shè)備臺(tái)賬信息化、橋梁快速建模技術(shù)、BIM+GIS融合技術(shù)與方法，搭建基于BIM+GIS的橋梁設(shè)備管理系統(tǒng)，探索BIM+GIS技術(shù)在重載鐵路橋梁設(shè)備管理中的應(yīng)用。

1 橋梁設(shè)備臺(tái)賬信息化管理

鐵路橋梁設(shè)備信息管理采用鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)（Permanent Way Management Information System of Railway，PWMIS）。PWMIS系統(tǒng)已具備了橋隧設(shè)備及病害的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)等功能，一定階段內(nèi)滿(mǎn)足了使用需求。隨著B(niǎo)IM技術(shù)在鐵路行業(yè)內(nèi)的推廣，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)等功能難以滿(mǎn)足鐵路橋梁設(shè)備智能管理的需要。PWMIS中橋梁設(shè)備管理主要分為三張表：橋梁設(shè)備簡(jiǎn)表、橋梁主區(qū)信息表、橋梁次區(qū)信息表。橋梁設(shè)備簡(jiǎn)表記錄橋梁全長(zhǎng)、橋孔總長(zhǎng)、孔跨式樣、立交類(lèi)別、加固信息等橋梁基礎(chǔ)信息。橋梁主區(qū)信息表記錄整橋?qū)傩孕畔ⅲ蚺_(tái)式樣、水文資料、軌道類(lèi)型、線(xiàn)路坡度、曲線(xiàn)半徑、曲線(xiàn)長(zhǎng)、橋建成年度、軌底高等無(wú)法細(xì)分到具體孔跨的全橋信息。橋梁次區(qū)表記錄孔跨、墩臺(tái)、支座等構(gòu)件屬性信息。上述三張表的屬性信息主要存在三個(gè)問(wèn)題：①數(shù)據(jù)、圖表只能抽象地反映橋梁設(shè)備的狀態(tài)，無(wú)法直觀(guān)、準(zhǔn)確地了解病害發(fā)生的具體位置。②現(xiàn)有橋梁設(shè)備信息表無(wú)法將橋梁全部構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化管理，例如由多片T梁組成的簡(jiǎn)支梁只記錄到孔跨，沒(méi)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(guī)范，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法關(guān)聯(lián)病害照片與人工記錄的病害信息。對(duì)于需長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)的病害，不能及時(shí)反映病害發(fā)展的具體過(guò)程。

2 基于BIM+GIS的橋梁設(shè)備智能管理系統(tǒng)

2.1 總體架構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，通過(guò)分析既有橋梁臺(tái)賬信息、病害信息、橋梁養(yǎng)護(hù)維修管理方式之間的關(guān)系，提出基于BIM+GIS的橋梁智能設(shè)備管理系統(tǒng)。采用基于B/S框架設(shè)計(jì)，總體架構(gòu)（圖1）分為三層：①數(shù)據(jù)層。BIM數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)為橋隧設(shè)備的可視化提供支撐，橋梁設(shè)備臺(tái)賬、病害信息、竣工資料、大修信息等為具體業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。②應(yīng)用層。③展示層。

圖1 總體架構(gòu)

2.2 功能模塊

平臺(tái)的功能模塊包括基礎(chǔ)功能和應(yīng)用功能兩部分。基礎(chǔ)功能模塊主要是平臺(tái)的基本操作設(shè)置，包括三維漫游、模型剖切、構(gòu)件查詢(xún)、距離測(cè)量等內(nèi)容；應(yīng)用功能模塊是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能的載體，主要包括設(shè)備信息管理、病害信息管理和大修信息管理三大模塊，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)相應(yīng)的子功能，通過(guò)這些功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁設(shè)備的可視化管理。

2.2.1 基礎(chǔ)應(yīng)用模塊

1）視圖剖切。通過(guò)設(shè)置剖面框在場(chǎng)景模型中查看剖面框內(nèi)模型，反映局部模型的相互位置關(guān)系。

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

3）測(cè)量距離。測(cè)量場(chǎng)景模型中任意構(gòu)件間的距離，點(diǎn)到點(diǎn)的距離。

4）視圖定位。針對(duì)橋梁檢查的習(xí)慣，設(shè)置默認(rèn)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(guò)設(shè)定漫游路線(xiàn)，可沿路線(xiàn)進(jìn)行漫游瀏覽，支持暫停功能。

2.2.2 應(yīng)用功能模塊

1）設(shè)備管理。前端橋梁BIM模型通過(guò)構(gòu)件編碼與后臺(tái)臺(tái)賬數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，根據(jù)用戶(hù)需求展示設(shè)備關(guān)鍵信息，如圖2所示。

圖2 設(shè)備管理示意

2）病害管理。工隊(duì)作業(yè)人員通過(guò)巡檢APP記錄橋梁設(shè)備病害信息，并同步至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，前端即可展示相關(guān)病害信息，并關(guān)聯(lián)到相關(guān)構(gòu)件。

3）大修管理。顯示管段內(nèi)正在大修的橋梁工點(diǎn)信息，如施工單位、工期計(jì)劃、維修加固項(xiàng)目等，并通過(guò)GIS地圖進(jìn)行定位、提醒。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

橋梁設(shè)備的智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理，首先需要對(duì)既有橋梁進(jìn)行精細(xì)化BIM建模，然后通過(guò)模型輕量化技術(shù)設(shè)置多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）等級(jí)，將橋梁BIM模型、周邊環(huán)境傾斜攝影模型導(dǎo)入GIS平臺(tái)中進(jìn)行融合。為了提升用戶(hù)的Web端訪(fǎng)問(wèn)體驗(yàn)，采用BIM模型輕量化、實(shí)例化、緩存切分等技術(shù)提高渲染能力，高效顯示橋梁設(shè)備BIM模型和周邊三維場(chǎng)景。

選取朔黃鐵路橋梁設(shè)備開(kāi)展BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用，進(jìn)行橋梁參數(shù)化快速建模，采用超圖GIS平臺(tái)進(jìn)行BIM、GIS融合，并基于超圖GIS平臺(tái)開(kāi)發(fā)橋梁設(shè)備智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)備的可視化、精細(xì)化管理。

3.1 橋梁快速建模技術(shù)

重載鐵路梁式橋截面多變、參數(shù)多，傳統(tǒng)手工建模重復(fù)工作多，模型利用性差，建模效率低。針對(duì)這一問(wèn)題，建立了一種基于BIM技術(shù)的重載鐵路梁式橋參數(shù)化快速建模方法?；舅悸罚▓D3）為：①將橋梁結(jié)構(gòu)合理拆分，明確各構(gòu)件的控制參數(shù)，建立構(gòu)件的參數(shù)化族庫(kù)；②將橋梁基本特征參數(shù)信息整理成表格輸入建模軟件，自動(dòng)化、批量化完成橋梁模型創(chuàng)建與拼裝；③根據(jù)線(xiàn)路平曲線(xiàn)、豎曲線(xiàn)生成三維線(xiàn)路中心線(xiàn)，作為橋梁BIM模型的定位中心線(xiàn)。

圖3 橋梁快速建?；舅悸?/p>

3.1.1 橋梁構(gòu)件拆分

根據(jù)朔黃鐵路橋梁既有一橋一檔資料、履歷分析表及運(yùn)維管理需要，對(duì)朔黃橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理拆分，為每個(gè)構(gòu)件建立相應(yīng)的編碼，橋梁BIM模型精度也按此規(guī)則拆分。前端橋梁BIM模型通過(guò)構(gòu)件編碼與后臺(tái)橋梁臺(tái)賬信息建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)前后端的關(guān)聯(lián)［1］。橋梁構(gòu)件拆分見(jiàn)圖4。

圖4 橋梁構(gòu)件拆分

3.1.2 橋梁快速建模流程

朔黃鐵路常用橋梁結(jié)構(gòu)以雙片式T形簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土梁為主，合計(jì)占全線(xiàn)橋梁的93.07%。根據(jù)朔黃鐵路橋梁分布特點(diǎn)，收集典型梁橋竣工圖紙等技術(shù)資料，建立橋梁BIM構(gòu)件庫(kù)，包括T梁、箱梁、支座、橋墩等標(biāo)準(zhǔn)化部件，實(shí)現(xiàn)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(chuàng)建線(xiàn)路中心線(xiàn)。導(dǎo)入線(xiàn)路平曲線(xiàn)、豎曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)算法自動(dòng)擬合生成線(xiàn)路三維中心線(xiàn)，并導(dǎo)入建模平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建線(xiàn)路中心線(xiàn)

2）創(chuàng)建BIM構(gòu)件（圖7）。根據(jù)構(gòu)件拆分規(guī)則，創(chuàng)建橋梁設(shè)備參數(shù)化構(gòu)件，如梁體、橋墩、支座、墊石、橋臺(tái)等。為了展示效果，建立低精度線(xiàn)路、四電BIM模型。

圖7 創(chuàng)建BIM構(gòu)件庫(kù)

3）創(chuàng)建橋梁BIM模型。以線(xiàn)路三維中心線(xiàn)為定位線(xiàn)，BIM構(gòu)件庫(kù)為數(shù)據(jù)源，根據(jù)梁體幾何定位信息對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建。通過(guò)輸入相關(guān)參數(shù)，一鍵生成橋梁BIM模型。

4）構(gòu)件編碼?？蜻x構(gòu)件進(jìn)行編碼，分為基于族的框選、基于族類(lèi)型的框選、任意框選三種。

3.2 BIM與GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)

GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源包括傾斜攝影模型、DEM與DOM數(shù)據(jù)，側(cè)重反映宏觀(guān)的鐵路沿線(xiàn)周邊環(huán)境。高精度BIM模型作為GIS系統(tǒng)的一個(gè)重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，一方面提升了BIM應(yīng)用的深度，將橋梁BIM的應(yīng)用從單工點(diǎn)延伸到鐵路全線(xiàn)，另一方面將GIS應(yīng)用到更微觀(guān)的層面。BIM與GIS的數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線(xiàn)周邊環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)的有機(jī)融合，同時(shí)帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，主要包括BIM與GIS數(shù)據(jù)的集成技術(shù)、BIM模型的高效可視化技術(shù)。

3.2.1 BIM與GIS數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式，如*.rvt、*.stp、*.dgn等。不同格式的BIM數(shù)據(jù)所表達(dá)的語(yǔ)義信息、幾何信息并不相同。通過(guò)調(diào)用BIM平臺(tái)的底層接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將BIM模型轉(zhuǎn)換成GIS平臺(tái)需要的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的融合。融合過(guò)程包括BIM數(shù)據(jù)入庫(kù)、BIM模型優(yōu)化等步驟。

1）BIM數(shù)據(jù)入庫(kù)。使用超圖BIM模型三維插件導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在導(dǎo)出時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)系設(shè)置，使BIM模型坐標(biāo)為橋梁設(shè)備所在位置真實(shí)坐標(biāo)，確保橋梁設(shè)備BIM模型與鐵路沿線(xiàn)周邊傾斜攝影模型的精確融合。

2）BIM模型優(yōu)化。BIM模型導(dǎo)出后生成*.udb數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入超圖iDesktop平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化及輕量化處理，提高BIM模型的可視化效率。BIM模型入庫(kù)流程如圖8所示。

圖8 BIM模型入庫(kù)流程圖

3.2.2 BIM模型高效可視化

朔黃鐵路正線(xiàn)橋梁設(shè)備382座，BIM模型數(shù)據(jù)量在100 GB左右，給計(jì)算機(jī)GPU、內(nèi)存帶來(lái)很大壓力。精細(xì)的BIM模型包含許多形狀相同的幾何實(shí)體，增大了用戶(hù)端渲染的壓力。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模橋梁設(shè)備BIM模型的加載，需要利用模型輕量化、實(shí)例化、LOD、緩存切片等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)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(shù)據(jù)量為123 MB，轉(zhuǎn)換為*.udb格式后為316 MB，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后為296 MB，優(yōu)化后數(shù)據(jù)量減小了6%。

BIM模型高效可視化需應(yīng)用如下技術(shù)：

1）BIM模型輕量化。BIM模型輕量化是指根據(jù)BIM模型的語(yǔ)義信息，對(duì)模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者簡(jiǎn)化，達(dá)到通過(guò)減少數(shù)據(jù)量提高渲染效率的目的［2］。如支座、墊石、鋼軌、接觸網(wǎng)立柱、腕臂等構(gòu)件，這些構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、頂點(diǎn)數(shù)及三角面片數(shù)多，可以采取刪除或者簡(jiǎn)化這些構(gòu)件BIM模型骨架來(lái)達(dá)到模型輕量化的目的［3-4］。

2）實(shí)例化技術(shù)。實(shí)例化是針對(duì)形狀相同的幾何模型，抽象其示例存儲(chǔ)在內(nèi)存中，減少內(nèi)存空間的占用，重復(fù)構(gòu)件的渲染繪制通過(guò)在GPU中對(duì)實(shí)例進(jìn)行矩陣變換實(shí)現(xiàn)［5］。針對(duì)橋梁BIM模型的特點(diǎn)，存在大量重復(fù)的構(gòu)件，如簡(jiǎn)支梁體BIM模型、支座BIM模型等，若每個(gè)構(gòu)件都是實(shí)體，將占用大量存儲(chǔ)空間，因此采用實(shí)例化技術(shù)優(yōu)化BIM模型的渲染，降低GPU等硬件設(shè)備的壓力。

3）基于LOD的渲染技術(shù)。LOD技術(shù)是在不影響畫(huà)面視覺(jué)效果的前提條件下，根據(jù)地形的不同復(fù)雜程度和人眼觀(guān)察地形的特點(diǎn)，對(duì)地形的不同區(qū)域采取不同細(xì)節(jié)的描述和繪制，通過(guò)逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來(lái)減少場(chǎng)景的幾何復(fù)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(diào)度資源，處理數(shù)據(jù)，既減少了運(yùn)算量，又不會(huì)降低圖像的顯示效果［7］。

4）BIM模型緩存切片技術(shù)。緩存切片技術(shù)是對(duì)BIM數(shù)據(jù)的預(yù)先生成技術(shù)，對(duì)適量BIM緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行切片并作為緩存服務(wù)，在用戶(hù)檢索BIM數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)緩存返回用戶(hù)的請(qǐng)求，從而降低系統(tǒng)在反復(fù)生成BIM模型時(shí)的負(fù)擔(dān)并提高用戶(hù)體驗(yàn)［8］。一般對(duì)簡(jiǎn)化處理后的BIM模型進(jìn)行LOD分層和八叉樹(shù)金字塔剖分［9-10］，對(duì)不同BIM模型類(lèi)型進(jìn)行瓦片邊長(zhǎng)、紋理大小設(shè)定和切分。鐵路橋梁長(zhǎng)線(xiàn)性的BIM模型適合選擇八叉樹(shù)剖分。對(duì)剖分的每一個(gè)區(qū)域內(nèi)的BIM數(shù)據(jù)按照100~300 m的瓦片邊長(zhǎng)進(jìn)行存儲(chǔ)。存儲(chǔ)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(shè)置像素過(guò)濾閾值為2，低于2像素的子對(duì)象被過(guò)濾掉，從而提高加載效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)備多源數(shù)據(jù)的集成，通過(guò)建立統(tǒng)一的后臺(tái)系統(tǒng)，集成橋梁設(shè)備臺(tái)賬、檢查病害信息、大修信息，同時(shí)開(kāi)放接口，為線(xiàn)路、隧道、路基等專(zhuān)業(yè)提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)間數(shù)據(jù)互通。通過(guò)建立橋梁設(shè)備的精細(xì)化BIM模型、鐵路沿線(xiàn)周邊環(huán)境模型，基于GIS平臺(tái)對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的三維可視化，便于運(yùn)維人員直觀(guān)了解設(shè)備及沿線(xiàn)環(huán)境的狀態(tài)。