案例:徐浦大桥 基于BIM+GIS技术的桥梁智能运维管理分析与应用

随着我国公路交通事业的高速发展,维持桥梁正常功能与保障使用安全,已成为目前交通路网养护管理上的一个重要环节。建筑信息模型(BIM)可实现桥梁建筑从传统二维绘图向三维绘图的转变,使建筑信息更加全面、直观地展现出来。通过对既有桥梁进行BIM建模,可辅助实现桥梁的精细化管理。而构建基于GPS和GIS技术的巡检系统,将其与BIM模型相结合,可进一步提高桥梁管理的精细化水平。本文就此进行探讨,并借助项目实例,系统地展现BIM融合GIS技术在桥梁养护管理中的实践成果。

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需求分析

既有桥梁养护管理存在的问题

我国公路桥梁的养护管理已经积累了相当的经验,但对桥梁的养护存在“思想重视、技术手段不足”的现象。目前,国内桥梁管理养护部门的工作手段、管理体系、技术水平相对滞后,桥梁管养还处在检测手段机械化、记录病害平面化、资料管理台账化的静态储存及被动采集状态阶段;对于数字化技术的理解和应用,仅限于开发些初级的桥梁管养信息系统;在付出大量人力、物力和财力的情况下,桥梁管理及养护的工作质量和效率难以令人满意。

桥梁管养的精细化需求

精细化管理,本是一种针对企业管理的理念,由日本在20世纪50年代提出。为了提高桥梁管养水平,通过对企业管理的精细化理念进行借鉴,提出了桥梁管养精细化的概念。桥梁的精细化管养是指,对桥梁养护管理过程中的各种静态与动态数据做到准确记录,保证桥梁各构件全寿命周期数据的完整性,使精准、完备的资料成为管理者进行决策的重要依据;并通过建立规范的检查流程与数据记录方式,保证桥梁检查新增数据更新的便捷性、及时性与准确性,尽可能地提高桥梁管养数据的有效性,为桥梁的后续评价与管理提供数据支持。具体来说,是要求对桥梁管养精细到构件级水平,对桥梁构件的养护管理历史进行详细的记录,保证养护信息的完整记录,并对不同的构件能做到定制化的管理。

在以往的桥梁管养工作中,尤其是部分大型桥梁根据自身特点建立的结构健康检测系统,已是精细化管理的体现。在这些健康监测系统中,主要是通过传感器,针对大桥的重要构件进行应力应变上的监测,起到健康状态评估与预警的功能。对于桥梁主要构件,一般通过建立基本信息以及维修历史数据库的方式,进行信息的传递与收集。但仅依赖传统的数据库技术,难以实现更深层次的桥梁精细化管理,而通过融合BIM与GIS技术,将给大桥的精细化管理带来突破性的进展,并且具有很强的可操作性。

BIM和GIS技术的应用

BIM技术的应用

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图1 BIM质量要求

从逻辑关系上说,BIM是一个包含了建筑物所有信息的模型,是建筑物几何、物理、性能信息的数字化表达,不同的参与方都可以从这个模型中获取自己所需要的信息,它的核心是信息。BIM建模的整体思路是:首先进行信息识别,并把握住信息的质量要求,然后进行信息的采集、处理和利用,最后实现BIM模型的建立。为了发挥整个BIM模型的价值,BIM模型必须要满足一定的质量要求。

应用BIM技术,对既有桥梁进行三维模型创建,整合桥梁既有的全部数据信息,以3D可视化的形式,实现对既有桥梁的直观展示和资料的综合管理;而通过在日常管养工作中,不断积累桥梁运行过程中的动态数据,形成既有桥梁的运维管理数据库,直观地展示桥梁的运维管理过程及结果,可进一步为桥梁管养策略、健康状态评估提供数据支撑。

GIS、GPS技术的应用

地理信息系统(GIS)是用于采集、更新、存储、管理、分析和表达空间信息和数据的特殊空间信息系统,具有强大的空间信息处理能力。将地图信息直接信息化存入计算机,利用相关软件将信息存储于地图上的与之相关联的地理位置上,使数据与地理信息紧密结合起来,实现数据的可视化,便于对数据进行有效的管理、分析和组织,为进一步做出决策提供良好的界面和依据。

将GIS引入带GPS模块的手持移动设备管理系统,可极大地方便日常桥梁管养中的巡检工作。GIS地图可以简洁明了地通过桩号定位,查询到所在位置的历史数据;对于需要修改数据的路段,可实现实时数据更新;对于没有历史数据的路段,可实现实时数据存档。数据收集完整后,通过手持移动设备提交上级数据库,能迅速计算出相应的指标,指导现场工作人员进行数据检验和评估。通过GIS和GPS模块还可以将现场获取的数据(文本、数字、图片、视频等)按照桩号定位,减少后期处理成本,减少人为误差。另外通过各手持终端的联网,可以了解其他工作人员的工作进展,方便总体调度。

BIM+GIS的融合应用

BIM技术在精确地理位置定位、空间地理信息分析和构筑周边环境上都存在缺陷,而GIS可以完成构筑物的地理位置定位及其空间信息分析,辅助完善周边大场景展示,进一步提高BIM模型的建筑信息完备性。将BIM和GIS进行优势互补,BIM主要用于桥梁内部信息的管理和分析;GIS主要用于管理区域空间,分析空间地理信息数据。构建基于GPS和GIS技术的桥梁养护巡检系统,将其与BIM模型相结合,并利用智能移动终端的优势,可以很好地弥补传统巡检工作方式的诸多不足,大幅提高桥梁管理的精细化水平。如图2所示。

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图2 基于BIM和GIS的桥梁巡检流程

徐浦大桥BIM+GIS应用案例

徐浦大桥是上海市第三座跨越黄浦江的特大型桥梁,主桥长1.074公里,主跨跨径590米,边跨跨径220米,桥面总宽35.95米,车道布置为双向8车道。主桥采用双塔双索面的全飘浮体系,主跨主梁采用钢-混凝土组合梁,边跨采用预制梁拼装的预应力混凝土。本项目采用Revit软件建立徐浦大桥BIM模型,依据构件区域划分为:主桥结构建模、主桥设施建模、主塔结构建模、主塔设施建模、引桥结构建模、引桥设施建模、匝道结构建模、匝道设施建模、其他附属结构及设施建模等。

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图3 徐浦大桥BIM模型图

徐浦大桥BIM模型如图3所示,大桥BIM全信息模型总构件数量约9440个,所有模型大小达到近1GB的数据量。为实现GIS+BIM融合的综合应用,对原始BIM模型进行了轻量化处理,最终实现了GIS+BIM模型Web端和移动端的流畅浏览漫游,如图4所示。

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图4 徐浦大桥GIS+BIM模型图

通过构建一个融合了BIM技术和GIS技术的综合性管养平台,对桥梁管养数据进行系统性的管理,利用其可视化的管理方式,结合移动互联网技术,以及协同办公、数据完整性等优势,实现了桥梁数据的精细化、智慧化管理。下面介绍BIM+GIS平台在徐浦大桥精细化管养中的主要应用。

1.指挥调度

在实景地图上实时显示各台管养车辆位置,需要应急处理时,管理者通过对讲机通知车上人员,布置任务,以最快速度进行车辆调度,显著提高应急反应速度。

2.模拟巡检

通过在平台上预定行车路线,可真实模拟日常养护巡检,随时随地观测途径路线的视频图像、交通设施和周边环境信息。既解决了拥堵车流下的巡检困难问题,又节能环保。

3.桥梁病害可视化

利用BIM模型的三维可视化特性,可以解决表格罗列无法直观展示病害空间分布的问题。因为BIM具有准确的3D模型,病害信息可以被程序识别,将病害信息以图形化的方式,精确地显示在BIM模型对应的位置上,并可以不同颜色表示构件病害的程度,为管理者提供交互式、可视化的分析工具。

4.移动端数据采集、运维管理

通过移动端桥梁运营养护管理平台的建设,实现手持终端现场采集、记录病害信息,包括桩号、车道、路灯编号等内容,并通过软件中设置类别提示减少人为的信息遗漏,提高信息采集的准确性和完备性。

收集的数据储存进入运营管理模块,可将已储存的信息发布、接收、上报、验收,涵盖病害维修全过程,可让管理者实时把控病害处理进展。同理,可通过手持终端在事故现场进行应急事故申报,并实时查看应急事故处理现状及追加进度。

不同终端记录的病害、运营等数据信息,统一汇总在综合管理平台上进行统计。管理单位可根据构件编码,从不同的表格中调出所有与构件直接相关联的检测及维护数据,并加入日期变量,通过时间轴的方式显示一个构件的变化状况,对该构件的状态进行持续追踪。由于所有构件的病害类型以及维修方法、成本都有记录及编码,因此让管理单位能估算维护经费,辅助管理单位进行维护预算的制定。

结合上述徐浦大桥BIM+GIS综合性管养平台的应用实例分析,证明了以BIM+GIS技术为基础,结合移动互联技术,可实现高效、便捷的桥梁养护管理方式,具有很好的应用前景。

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