閆嘯坤 李子龍 尹京 孫培培

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧0 62350；2.中國鐵道科學(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)維修分開的管理體制。通過人工檢查、專項檢查和檢定試驗(yàn)對橋梁狀態(tài)進(jìn)行評估。根據(jù)橋梁設(shè)備竣工圖紙、自建臺賬、病害履歷、橋梁設(shè)備狀態(tài)等信息并結(jié)合維修周期，制定年度維修計劃。朔黃鐵路建成已有20余年，形成了海量的設(shè)備臺賬信息、設(shè)備履歷信息。大量的運(yùn)營維護(hù)信息存在如下問題，造成海量數(shù)據(jù)無法直接指導(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)營維護(hù)單位無法多維度、直觀地了解設(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)營維護(hù)單位通過電子表格管理橋梁設(shè)備履歷信息，設(shè)備信息的統(tǒng)計匯總以人工為主，存在橋梁設(shè)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(shù)正廣泛應(yīng)用于鐵路運(yùn)營維護(hù)階段。目前，國家能源投資集團(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地理尺度的空間數(shù)據(jù)，BIM能夠提供微觀部件級的人工構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，兩者通過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)對鐵路橋梁設(shè)備的可視化管理、臺賬信息的集成管理，為橋梁運(yùn)營部門提供日常管理和決策服務(wù)。

本文通過研究橋梁設(shè)備臺賬信息化、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、查詢等功能，一定階段內(nèi)滿足了使用需求。隨著BIM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、查詢等功能難以滿足鐵路橋梁設(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)備簡表、橋梁主區(qū)信息表、橋梁次區(qū)信息表。橋梁設(shè)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(chǔ)信息。橋梁主區(qū)信息表記錄整橋?qū)傩孕畔?，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(xì)分到具體孔跨的全橋信息。橋梁次區(qū)表記錄孔跨、墩臺、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問題：①數(shù)據(jù)、圖表只能抽象地反映橋梁設(shè)備的狀態(tài)，無法直觀、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(guī)范，現(xiàn)場無法關(guān)聯(lián)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(fā)展的具體過程。

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，通過分析既有橋梁臺賬信息、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，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的基本操作設(shè)置，包括三維漫游、模型剖切、構(gòu)件查詢、距離測量等內(nèi)容；應(yīng)用功能模塊是實(shí)現(xiàn)平臺功能的載體，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，每個模塊對應(yīng)相應(yīng)的子功能，通過這些功能模塊實(shí)現(xiàn)對橋梁設(shè)備的可視化管理。

2.2.1 基礎(chǔ)應(yīng)用模塊

1）視圖剖切。通過設(shè)置剖面框在場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，從而滿足不同的瀏覽需求。

3）測量距離。測量場景模型中任意構(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。通過設(shè)定漫游路線，可沿路線進(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模型通過構(gòu)件編碼與后臺臺賬數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，根據(jù)用戶需求展示設(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。工隊作業(yè)人員通過巡檢APP記錄橋梁設(shè)備病害信息，并同步至后臺數(shù)據(jù)庫，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、工期計劃、維修加固項目等，并通過GIS地圖進(jìn)行定位、提醒。

3 項目應(yīng)用

橋梁設(shè)備的智能運(yùn)營維護(hù)管理，首先需要對既有橋梁進(jìn)行精細(xì)化BIM建模，然后通過模型輕量化技術(shù)設(shè)置多細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail，LOD）等級，將橋梁BIM模型、周邊環(huán)境傾斜攝影模型導(dǎo)入GIS平臺中進(jìn)行融合。為了提升用戶的Web端訪問體驗(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模型和周邊三維場景。

選取朔黃鐵路橋梁設(shè)備開展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平臺進(jìn)行BIM、GIS融合，并基于超圖GIS平臺開發(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。針對這一問題，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；②將橋梁基本特征參數(shù)信息整理成表格輸入建模軟件，自動化、批量化完成橋梁模型創(chuàng)建與拼裝；③根據(jù)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?；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，對朔黃橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理拆分，為每個構(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模型通過構(gòu)件編碼與后臺橋梁臺賬信息建立一一對應(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形簡支梁結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土梁為主，合計占全線橋梁的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，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)建線路中心線。導(dǎo)入線路平曲線、豎曲線數(shù)據(jù)，開發(fā)算法自動擬合生成線路三維中心線，并導(dǎo)入建模平臺，如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建線路中心線

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、橋臺等。為了展示效果，建立低精度線路、四電BIM模型。

圖7 創(chuàng)建BIM構(gòu)件庫

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

4）構(gòu)件編碼。框選構(gòu)件進(jìn)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(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)重反映宏觀的鐵路沿線周邊環(huán)境。高精度BIM模型作為GIS系統(tǒng)的一個重要的數(shù)據(jù)來源，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，另一方面將GIS應(yīng)用到更微觀的層面。BIM與GIS的數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線周邊環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)的有機(jī)融合，同時帶來了一些挑戰(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)的語義信息、幾何信息并不相同。通過調(diào)用BIM平臺的底層接口進(jìn)行二次開發(fā)，將BIM模型轉(zhuǎn)換成GIS平臺需要的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的融合。融合過程包括BIM數(shù)據(jù)入庫、BIM模型優(yōu)化等步驟。

1）BIM數(shù)據(jù)入庫。使用超圖BIM模型三維插件導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在導(dǎo)出時進(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平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shè)備382座，BIM模型數(shù)據(jù)量在100 GB左右，給計算機(jī)GPU、內(nèi)存帶來很大壓力。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模型的語義信息，對模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者簡化，達(dá)到通過減少數(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化這些構(gòu)件BIM模型骨架來達(dá)到模型輕量化的目的［3-4］。

2）實(shí)例化技術(shù)。實(shí)例化是針對形狀相同的幾何模型，抽象其示例存儲在內(nèi)存中，減少內(nèi)存空間的占用，重復(fù)構(gòu)件的渲染繪制通過在GPU中對實(shí)例進(jìn)行矩陣變換實(shí)現(xiàn)［5］。針對橋梁BIM模型的特點(diǎn)，存在大量重復(fù)的構(gòu)件，如簡支梁體BIM模型、支座BIM模型等，若每個構(gòu)件都是實(shí)體，將占用大量存儲空間，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)是在不影響畫面視覺效果的前提條件下，根據(jù)地形的不同復(fù)雜程度和人眼觀察地形的特點(diǎn)，對地形的不同區(qū)域采取不同細(xì)節(jié)的描述和繪制，通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場景的幾何復(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BIM數(shù)據(jù)的預(yù)先生成技術(shù)，對適量BIM緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行切片并作為緩存服務(wù)，在用戶檢索BIM數(shù)據(jù)時通過緩存返回用戶的請求，從而降低系統(tǒng)在反復(fù)生成BIM模型時的負(fù)擔(dān)并提高用戶體驗(yàn)［8］。一般對簡化處理后的BIM模型進(jìn)行LOD分層和八叉樹金字塔剖分［9-10］，對不同BIM模型類型進(jìn)行瓦片邊長、紋理大小設(shè)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(qū)域內(nèi)的BIM數(shù)據(jù)按照100~300 m的瓦片邊長進(jìn)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(shè)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(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)備多源數(shù)據(jù)的集成，通過建立統(tǒng)一的后臺系統(tǒng)，集成橋梁設(shè)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(yè)提供數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)間數(shù)據(jù)互通。通過建立橋梁設(shè)備的精細(xì)化BIM模型、鐵路沿線周邊環(huán)境模型，基于GIS平臺對上述數(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)維人員直觀了解設(shè)備及沿線環(huán)境的狀態(tài)。