注：本文為期刊公眾號(hào)簡(jiǎn)版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

閆嘯坤，國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司

李子龍，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所

尹京，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所

孫培培，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所

重載鐵路橋梁設(shè)備類型多、數(shù)量大，傳統(tǒng)運(yùn)維管理多以人工為主，缺乏系統(tǒng)化、信息化管理手段。針對(duì)該現(xiàn)狀開展基于建筑信息模型（BIM）與三維地理信息系統(tǒng)（GIS）的重載鐵路橋梁設(shè)備智能運(yùn)維管理研究與應(yīng)用，解決橋梁快速建模、BIM模型與GIS融合等關(guān)鍵技術(shù)問題。以朔黃鐵路為背景，基于GIS平臺(tái)，融合BIM模型、鐵路沿線傾斜攝影模型，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)備的三維可視化，構(gòu)建基于BIM + GIS的鐵路橋梁設(shè)備管理系統(tǒng)，對(duì)推進(jìn)鐵路橋梁設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、精細(xì)化、智能化管理有實(shí)際意義。

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 Systemof 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(jì)、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(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(tái)式樣、水文資料、軌道類型、線路坡度、曲線半徑、曲線長(zhǎng)、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(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(jiǎn)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(chǎng)無法關(guān)聯(lián)病害照片與人工記錄的病害信息。對(duì)于需長(zhǎng)期觀測(cè)的病害，不能及時(shí)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)

總體架構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，通過分析既有橋梁臺(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。

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、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，通過這些功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁設(shè)備的可視化管理。

1、基礎(chǔ)應(yīng)用模塊

1）視圖剖切。通過設(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、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(tái)臺(tái)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。

2）病害管理。工隊(duì)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(tái)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(jì)劃、維修加固項(xiàng)目等，并通過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(chǎng)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(tái)進(jìn)行BIM、GIS融合，并基于超圖GIS平臺(tái)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。

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(dòng)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。

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)。橋梁構(gòu)件拆分見圖4。

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。

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(dòng)擬合生成線路三維中心線，并導(dǎo)入建模平臺(tái)，如圖6所示。

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，建立低精度線路、四電BIM模型。

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(duì)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?？蜻x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。

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(gè)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(shí)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)。

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(tái)的底層接口進(jìn)行二次開發(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(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模型入庫流程如圖8所示。

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(jì)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296MB，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(duì)模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者簡(jiǎn)化，達(dá)到通過減少數(shù)據(jù)量提高渲染效率的目的。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模型骨架來達(dá)到模型輕量化的目的。

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)件的渲染繪制通過在GPU中對(duì)實(shí)例進(jìn)行矩陣變換實(shí)現(xiàn)。針對(duì)橋梁重復(fù)的構(gòu)件，如簡(jiǎn)支梁體BIM模型的特點(diǎn)，存在大量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(duì)地形的不同區(qū)域采取不同細(xì)節(jié)的描述和繪制，通過逐次簡(jiǎn)化景物的表面細(xì)節(jié)來減少場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性，從而提高繪制算法的效率。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。

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)，在用戶檢索BIM數(shù)據(jù)時(shí)通過緩存返回用戶的請(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)并提高用戶體驗(yàn)。一般對(duì)簡(jiǎn)化處理后的BIM模型進(jìn)行LOD分層和八叉樹金字塔剖分，對(duì)不同BIM模型類型進(jìn)行瓦片邊長(zhǎng)、紋理大小設(shè)定和切分。鐵路橋梁長(zhǎng)線性的BIM模型適合選擇八叉樹剖分。對(duì)剖分的每一個(gè)區(qū)域內(nèi)的BIM數(shù)據(jù)按照100~300m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2048×2048,1024×1024,512×512,256×256,128×128,64×64）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(duì)象被過濾掉，從而提高加載效率。

總結(jié)與展望

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(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(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)維人員直觀了解設(shè)備及沿線環(huán)境的狀態(tài)。

來源：鐵路BIM聯(lián)盟