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基于BIM的橋梁安全信息管理系統研究
發布時間：2023-07-06 10:12
目錄
摘要
1緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的與意義 2
1.3國內外研究現狀 2
1.3.1國外研究現狀 2
1.3.2國內研究現狀 3
1.4研究內容與技術路線 5
1.4.1研究內容 5
1.4.2技術路線 5
2橋梁 BIM 模型的編碼與建立 7
2.1橋梁運維階段的BIM模型 7
2.1.1橋梁BIM模型的特點 7
2.1.2橋梁BIM技術的優勢 8
2.2橋梁構件的編碼體系 9
2.2.1編碼體系研究 9
2.2.2橋梁項目的 EBS 編碼 10
2.3橋梁BIM模型的參數化建立 14
2.3.1橋梁構件族庫 14
2.3.2構件族的參數化建立 15
2.3.3橋梁BIM模型與精度 18
2.4本章小結 18
3基于 BIM 的橋梁病害模型構建 21
3.1橋梁安全信息組成 21
3.1.1靜態安全信息 21
3.1.2動態安全信息 21
3.2BIM技術的信息交互標準 22
3.2.1國家標準 22
3.2.2行業標準 22
3.2.3IFC 標準 24
3.3基于IFC的病害融合機制 27
3.3.1T 梁的三維模型創建 27
3.3.2橋梁病害模型創建 30
3.3.3病害信息融合機制 32
3.4基于 BIM 的病害信息模型建立 35
3.4.1橋梁病害庫的建立 35
3.4.2橋梁病害信息模型的建立 35
3.4.3病害族在 T 梁模型上的應用 38
3.5本章小結 39
4基于 BIM 的橋梁安全信息管理系統開發 41
4.1信息管理系統基本理論 41
4.1.1MIS 理論研究 41
4.1.2信息管理系統開發 42
4.2橋梁安全信息管理系統架構 43
4.2.1系統需求分析 43
4.2.2網絡架構設計 44
4.2.3技術框架設計 46
4.2.4功能架構設計 47
4.3 橋梁安全信息管理系統 48
4.3.1系統權限管理 48
4.3.2橋梁模型管理 51
4.3.3安全信息管理系統 53
4.4本章小結 55
5橋梁信息管理系統在工程上的應用 57
5.1項目背景 57
5.2橋梁可視化模型 59
5.2.1地形信息模型 59
5.2.2上部結構模型 60
5.2.3下部結構模型 65
5.2.4橋面系及附屬設施模型 66
5.2.5全橋三維信息模型 67
5.3橋梁安全信息管理系統應用 69
5.3.1橋梁信息管理內容 69
5.3.2橋梁信息管理流程 69
5.3.3安全信息的上傳與查看 70
5.3.4橋梁技術狀況評定功能 74
5.3.5橋梁歷史信息管理 77
5.4本章小結 78
6結論與展望 79
6.1結論 79
6.2創新點 80
6.3展望 80
參考文獻 81
作者簡介 85
致謝 87
Contents
Abstract I
Chapter 1 Introduction 1
1.1Research background 1
1.2Research purpose and significance 2
1.3Research status at home and abroad 2
1.3.1Research status abroad 2
1.3.2Domestic research status 3
1.4Research content and technical route 5
1.4.1Research content 5
1.4.2Technical route 5
Chapter 2 Coding and establishment of bridge BIM model 7
2.1BIM model in bridge operation and maintenance stage 7
2.1.1Characteristics of bridge BIM model 7
2.1.2Advantages of bridge BIM Technology 8
2.2Coding system of bridge components 9
2.2.1Research on coding system 9
2.2.2EBS code of bridge project 10
2.3Parametric establishment of bridge BIM model 14
2.3.1Bridge component family library 14
2.3.2Parametric establishment of component family 15
2.3.3Bridge BIM model and accuracy 17
2.4Summary of this chapter 19
Chapter 3 Construction of bridge disease database based on BIM 21
3.1Composition of bridge safety information 21
3.1.1Static safety information 21
3.1.2Dynamic safety information 21
3.2Information interaction standard of BIM technology 22
3.2.1National standards 22
3.2.2Industry standards 22
3.2.3IFC standards 24
3.3Construction of disease family based on IFC 26
3.3.13D model creation of T-beam 26
3.3.2Creation of bridge disease model 30
3.3.3Disease information fusion mechanism 32
3.4Establishment of disease information model based on BIM 34
3.4.1Establishmentofbridgediseasedatabase 34
3.4.2Establishmentofbridgediseasedatabase 35
3.4.3ApplicationofdiseasefamilyinT-beammodel 38
3.5Summary ofthischapter 39
Chapter 4 Development of bridge safety information management system based on BIM 41
4.1Basic theory of information management system 41
4.1.1MIS theory research 41
4.1.2Development of information management system 41
4.2Bridge safety information management system architecture 43
4.2.1System requirements analysis 43
4.2.2Networkarchitecturedesign 44
4.2.3Technical framework design 46
4.2.4Functionalarchitecturedesign 47
4.3Bridge safety information management system 48
4.3.1System permission management 48
4.3.2Bridge model management 51
4.3.3Safety informationmanagementsystem 53
4.4Summary of this chapter 55
Chapter 5 Application of bridge information management system in Engineering 57
5.1Projectbackground 57
5.2Bridge visualization model 59
5.2.1Terrain information model 59
5.2.2Superstructure model 60
5.2.3Substructuremodel 65
5.2.4Modelofbridgedecksystemandancillaryfacilities 66
5.2.5Threedimensionalinformationmodelofthewholebridge 68
5.3Applicationofbridgesafetyinformationmanagementsystem 69
5.3.1ContentsofBridgeInformationManagement 69
5.3.2Bridgeinformationmanagementprocess 69
5.3.3Uploading and viewingof safety information 70
5.3.4Bridge technical condition evaluation function 74
5.3.5Bridgehistoricalinformationmanagement 76
5.4Summary ofthischapter 77
6 Conclusions and Prospects 79
6.1Conclusion 79
6.2Innovation 79
6.3Outlook 80
Reference 81
Introduction to the author 85
Thank 87
圖目錄
圖 1.1 橋梁坍塌事故 1
圖 1.2 橋梁管理系統 DANBRO 功能框架圖 3
圖 1.3 中國橋梁管理系統的登錄界面 4
圖 1.4 全文技術路線圖 6
圖 2.1 Revit 操作界面 8
圖 2.2 橋梁三維可視化信息模型 8
圖 2.3 橋梁 BIM 模型信息集成示意圖 9
圖 2.4 EBS 與 WBS 編碼體系分類標準 10
圖 2.5 橋梁工程結構分層圖 11
圖 2.6 EBS 層次碼的一般結構圖 11
圖 2.7 簡支梁式橋的構件分解圖 13
圖 2.8 橋梁族庫的圖元歸屬關系圖 14
圖 2.9 族參數與設計參數互相關聯 15
圖 2.10 設計參數和族參數的邏輯關系 16
圖 2.11 T 梁參數族的建立 17
圖 2.12 橋梁模型建立示意圖 18
圖 3.1 橋梁常見病害圖 22
圖 3.2 CBMS 的體系框架圖 22
圖 3.3 IFC 標準的框架體系 25
圖 3.4 IFC 體系預定義類型 25
圖 3.5 三維坐標系示意圖 27
圖 3.6 坐標與創建方式屬性示意圖 29
圖 3.7 T 梁拉伸實體模型創建信息詳圖 30
圖 3.8 裂縫二維網格離散圖 30
圖 3.9 T 梁模型的均勻離散圖 31
圖 3.10 裂縫坐標集分布詳情圖 32
圖 3.11 病害多維表面定義 33
圖 3.12 病害實體模型 34
圖 3.13 病害族庫組成示意圖 35
圖 3.14 病害族庫建立方法 36
圖 3.15 裂縫病害族 36
圖 3.16 網裂病害族 37
圖 3.17 鋼筋銹蝕病害族 37
圖 3.18 T 梁的裂縫信息模型 38
圖 3.19 T 梁的鋼筋銹蝕信息模型 39
圖 4.1 橋梁安全信息管理系統總體需求 43
圖 4.2 C/S 網絡架構圖 45
圖 4.3 B/S 網絡架構圖 45
圖 4.4 橋梁安全信息管理系統的技術框架圖 46
圖 4.5 系統功能框架結構 47
圖 4.6 RBAC0 權限管理框架圖 48
圖 4.7 登錄系統開發界面 49
圖 4.8 基于 BIM 模型的網頁輕量化顯示 51
圖 4.9 系統圖檔管理的功能結構圖 52
圖 4.10 橋梁協同化信息管理系統總體框架圖 53
圖 4.11 橋梁安全信息管理系統主頁 54
圖 5.1 全橋橋型布置圖 57
圖 5.2 全橋景觀渲染圖 58
圖 5.3 地形模型建立思路圖 59
圖 5.4 三維信息地形圖 60
圖 5.5 Revit 中生成的地形圖 60
圖 5.6 主拱圈構件二維平面視圖 61
圖 5.7 主拱肋與平聯管三維模型圖 62
圖 5.8 主拱肋與平聯管連接模型圖 62
圖 5.9 連接接頭的二維結構示意圖 63
圖 5.10 連接接頭的三維結構示意圖 63
圖 5.11 連接接頭的三維渲染圖 64
圖 5.12 T 梁的參數化建模 64
圖 5.13 T 梁上部結構模型 65
圖 5.14 引橋下部結構三維模型 65
圖 5.15 引橋的下部結構與上部結構組合模型 66
圖 5.16 附屬設施三維模型 67
圖 5.17 主橋拼接示意圖 68
圖 5.18 模型碰撞檢查 68
圖 5.19 全橋三維信息模型 69
圖 5.20 橋梁安全信息管理流程示意圖 70
圖 5.21 荷載試驗撓度結果模擬 70
圖 5.22 橋梁沖擊系數測點位置模擬圖 71
圖 5.23 橋梁項目基本信息上傳 71
圖 5.24 構件病害信息上傳 72
圖 5.25 橋梁基本信息查詢 73
圖 5.26 橋梁病害信息查詢 73
圖 5.27 病害位置信息查詢 74
圖 5.28 上部結構評分計算流程圖 75
圖 5.29 系統可視化模塊劃分 76
圖 5.30 跨級別的評分狀況示意圖 76
圖 5.31 構件級別的評分狀況示意圖 77
圖 5.32 橋梁安全信息的歷史記錄查詢 78
表目錄
表 2.1 EBS 分層編碼表 12
表 2.2 公路梁式橋的上部結構具體 EBS 編碼表 13
表 2.3 橋梁 BIM 模型分級 19
表 3.1 BIM 的行業標準或指南 23
表 3.2 定義方式及 IFC 數據格式 27
表 5.1 拱橋橋面系部分病害原始數據 72
1緒論
1.1研究背景
本篇論文研究內容主要依托國家重點研發計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備” 重點專項“涉水重大基礎設施智能監測診斷與智慧管控及超前加固技術”，課題編號為 2018YEC0809606,并有國撥專項經費“國家重點研發計劃資助(2018YFC0809606)” 。
隨著我國的綜合國力不斷提升，在橋梁建設方面取得了舉世矚目的成就。橋梁作為 整個交通網絡的咽喉部分,有著舉足輕重的地位。同時,由于我國運營橋梁的數目越來 越多［1］,橋梁的設計與建設也進入了瓶頸期,橋梁的安全管理工作成為了重中之重［2］。 近年來,國內外橋梁安全事故不斷增加,多數因為對橋梁安全管理重視不夠,對橋梁結 構在使用過程中,因外界因素的不斷腐蝕、結構材料的逐漸老化以及車輛荷載的不斷作 用的原因,產生的大量病害不能夠及時被發現和進行維修加固,使得橋梁結構發生損壞, 甚至導致橋梁坍塌事故的發生［3］,如圖 1.1 所示。由此可見,橋梁的安全管理和維護工 作尤為重要。
(a) 福州武夷山公館大橋坍塌事故(2011年) (b) 哈爾濱陽明灘大橋發生垮塌事故(2012 年)
圖 1.1 橋梁坍塌事故
Fig. 1.1 Bridge collapse accident
在橋梁安全管理工作中,信息量巨大,信息流也較為復雜；傳統的養護方式主要以 數據報告和二維病害圖紙為依據,進一步指導養護加固施工,此方式已無法滿足日益復 雜的橋梁結構體系。隨著BIM技術的快速發展，建設行業的信息可視化水平得到了快 速提升。 BIM 技術以信息可視化、直觀和高效為出發點［4-6］,以逆向思維進行實體模型 建立，改變了橋梁信息可視化程度低的現狀，為解決運營維護人員不能夠準確快速地找 到橋梁病害位置和提高橋梁管理信息的共享效率提供了解決渠道。因此，橋梁安全管理 工作的當務之急在于深化管理技術研究，推動以BIM信息可視化技術為核心的橋梁信 息管理化進程，實現橋梁多維信息的數據共享與交換，以實現病害信息與橋梁模型信息 的融合。基于BIM技術、病害信息表達技術和前端開發技術搭建橋梁安全信息管理平 臺，實現模型參數化和信息可視化，在未來的橋梁智能管養中將會成為一大亮點和發展 趨勢。
1.2研究目的與意義
傳統的橋梁安全信息管理工作中，由于檢測資料和數據整理過程較為繁瑣，使得到 的橋梁安全信息存在著內容不完整和數據短缺的現象，數據多以報告的形式移交給管理 部門，存在數據不易匹配和信息查詢困難的不足。在我國現階段橋梁安全管理工作中， 橋梁工程的檢測與養護主要依托于二維病害圖紙，圖紙中信息的不直觀和人員溝通障礙， 造成養護工程效率低和周期長，使得養護成本不斷提高。因此，結合BIM模型的信息 高度集成化和可視化等優點，研究橋梁安全信息管理系統有十分重要的意義。
目前，BIM技術在橋梁行業的應用，主要以施工管理和設計展示為主；在橋梁運維 階段中，成熟的應用相對較少。一些主流的橋梁信息管理系統多是基于C/S架構下的設 計，不利于用戶數量的擴展和數據庫的建立。如能基于IFC標準，實現病害信息與模型 彼此融合，進而在 B/S 網絡框架下，構建一個信息集成和協作的 BIM-Web 橋梁信息管 理系統。便可實現BIM技術在橋梁安全信息管理工作中的應用，提高檢測部門與加固 養護部門的信息銜接，有助于檢測數據和后期運營養護數據與信息的交流互通，實現橋 梁安全管理工作的高效進行。
1.3國內外研究現狀
1.3.1國外研究現狀 二十世紀六十年代開始，隨著運營橋梁數目的不斷增加，各國開始重視橋梁安全， 并投入大量的人力和物力開始研發橋梁管理系統。
20世紀60年代，美國科學家們搭建了世界上的第一個橋梁管理系統“國家橋梁檔案 數據庫”，后期隨著計算機科學和互聯網技術的發展和突破，形成橋梁信息管理系統 PONTIS[7-8]。 PONTIS 系統可以對橋梁養護過程所產生的投資與效益進行分析比對，提 供一個既可以保證橋梁安全運營，又可以保證橋梁維護費用最低化。
20世紀90年代，丹麥開發并應用橋梁管理系統DANBR0[9-ii]。系統采取合理的、 系統的方法，對橋梁設計、施工、養護、維修和拆除等相關信息選擇性的進行了儲存與 歸類。系統功能包括一般檢測、特殊檢測、承載力評估和預防性管養的等多個模塊，系 統的功能框架如圖1.2所示。
圖 1.2 橋梁管理系統 DANBR0 功能框架圖
Fig. 1.2 Structural diagram of DANBR0 bridge management system
1997年，Anumba［12］搭建了用于施工協同管理的Web前端平臺，用于提高工程管理 效率和信息傳遞的準確性，解決了二維圖紙的設計信息碎片化和交流困難等難題。
2010年，OkashaNM.等人［13］基于BIM技術和非線性有限元分析，提出了一種橋梁 壽命和使用壽命的估算方法。
2011年，M.M.Marzouk［14］提出了 BIM技術在橋梁管理系統中的應用框架，并且通 過C++技術和SQL語句進行平臺開發，主要包括系統數據庫、檢查部分和評估部分三 部分內容。Ji Yang ［15］以IFC標準為依據，對橋梁行業的IFC標準進行了定義和數據擴 展，為橋梁BIM模型的數據擴展提供了參考和依據。ShinHM等人［16］基于PLM系統和 BIM 技術開發了集分析與設計于一體的管理系統，并將該系統應用于混凝土橋梁。 Shim C S等人［17］提出了一種可延伸的橋梁信息管理模式，提升了設計階段和施工階段之間的 關聯性。
2012 年, AkulaM等人［18］實現了橋梁信息向IFC數據文件的轉化，并對數據轉化過 程做了詳細介紹，為橋梁信息的可視化奠定了基礎。
2016年，Mcguire B M學者［19］利用BIM技術理念，對橋梁結構狀態進行評估和追 蹤，從而獲取橋梁的健康狀態、病害類型和病害位置等消息。
2018年，HuthwohlP等人［20］通過對世界各國橋梁檢測技術分析研究后，發現了檢 測過程中存在信息交互困難等問題，并提出了一種BIM與IFC綁定的候選模型，用于 對鋼筋混凝土(RC，Reinforced Concrete)橋架上的檢測信息分類。
在橋梁工程領域，BIM技術起步相對較晚，應用到實際工程的項目也較少，較工民 建領域，技術較為落后。國外學者們以BIM的應用框架和交互標準作為主要研究方向， 其中主要包括IFC標準的擴展方法、BIM技術在橋梁病害信息表達和橋梁安全檢測領域 的應用等。
1.3.2國內研究現狀
20世紀90年代初，交通部公路研究所首先開發中國公路橋梁管理系統(CBMS)［21-23］, 系統運用了計算機系統所提供的數據處理功能、評價決策方法和管理學理論，對橋梁技 術狀況信息和病害信息進行分析存檔，系統登錄界面如圖 1.3。
2013年，吳露方［24］學者，通過基于BIM的橋梁全生命周期管理的探索，提出了適 用于橋梁結構特點的建模方法、模型管理方法、信息管理辦法和施工管理辦法，施工仿 真模擬和運維管理等。
2015年，王鋒［25］等介紹了基于BIM的橋梁檢測與安全評估系統的內容與優勢。
圖 1.3 中國橋梁管理系統的登錄界面
Fig. 1.3 Login interface of China bridge management system
2018年，耿方方等學者［26］開發了基于BIM的橋梁健康監測系統，實現了運維橋梁 的多部門協同管理。
2019 年, Wan C［27］等人通對IFC標準和IFD框架標準進行了研究和擴展，并提出了 一種快速建立橋梁BIM模型的方法，并且開發了橋梁管理系統，極大程度的減輕了橋 梁數量劇增帶來的運維壓力。同年，李旭梅［28］結合橋梁安全評估的內容，提出基于BIM 的橋梁安全評估管理方法。
2020年，褚豪［29］研究了 IFC語句實現構件幾何模型的編譯過程，通過Dynamo軟 件實現橋梁三維模型的自動化建立。
2021 年,張禮祺［30］基于B/S架構開發了橋梁監測平臺，實現了 BIM模型輕量化處 理和監測數據上傳與查詢。
隨著計算機技術和三維建模技術的不斷發展，傳統的橋梁安全信息表達方式逐漸過 時，不利于橋梁信息管理系統和智能管養技術的進一步發展。本文基于IFC標準對病害 與模型融合的具體方法進一步深入研究；同時將BIM模型的信息可視化和參數化等技 術優點與橋梁養護技術相融合，創建橋梁信息管理系統，實現運維橋梁多種信息的可視 化展示，提升橋梁在運營階段的信息化管理水平。
1.4研究內容與技術路線
1.4.1研究內容
本文將以 BIM 技術為核心理念，結合 Web 技術、檢測技術與養護技術，開發橋梁 安全信息管理系統；分參數化建模、病害信息融合、病害庫建立和系統開發四部分內容 依次進行分析研究，旨在將BIM技術應用到橋梁安全管理工作中，開發基于BIM+Web 的橋梁安全信息管理系統，實現對橋梁安全的高效管理。本文主要內容如下：
(1)對本文的研究背景和意義進行闡述，通過對橋梁BIM信息模型定義和模型相關 參數分析研究，總結橋梁參數族建立所需要的參數信息和橋梁構件BIM模型參數化創 建的具體方法，并基于EBS編碼標準，提出相應橋梁構件模型的編碼體系，為橋梁構 件庫建立奠定基礎。
(2)基于IFC數據文件的基本結構和語法，編寫多層次的位置參考坐標系和T梁三 維可視化模型的數據文件；同時，構建T梁三維可視化構件模型，并提出三維網格分散 法，將病害輪廓由二維坐標點轉化為三維坐標點集，為病害表面創建提供相對位置數據。 通過重構已建構件模型的IFC數據文件，運用Brep法依次定義構件多維病害表面，創 建橋梁安全信息三維可視化模型和橋梁病害數據庫。
(3)基于MIS信息管理系統理論和需求分析，提出橋梁安全信息管理系統的B/S網 絡架構、技術框架和功能架構。使用HTML5、CSS3和JavaScript等開發工具，建立一 個以橋梁項目為基本單位，業務功能高度集成的安全信息管理系統，實現橋梁在運維階 段的高效管理。
(4)以國內某鋼管混凝土拱橋為背景，探索BIM技術在橋梁安全信息管理系統中的 應用，實現橋梁實驗測點模擬、病害信息上傳、病害位置三維可視化、橋梁技術狀態可 視化和橋梁歷史信息查看等多項系統功能，為橋梁管理工作提供新的智能管養方向。
1.4.2技術路線
從橋梁安全管理工作的現狀出發，論述了本論文的研究背景、研究意義和研究內容。 對國內外BIM技術的信息交互標準和橋梁信息管理系統的發展進行詳細分析，大量閱 讀文獻，為本文對基于BIM的橋梁安全信息管理系統的研究做好充足的準備工作，依 據研究內容，將內容分為構件庫、病害庫、平臺開發和實際工程應用四個模塊依次進行 研究，主要技術路線圖如下圖1.4所示。
橋梁BIM模型與編碼體系
I
實驗測點模擬
病害信息上傳
病害位置可視化
技術狀態可視化r
歷史信息査看
構件的IFC表達
病害信息坐標化
病害信息融合機制
—〈 橋梁病害族庫定義
權限管理
模型管理
系統需求網絡框架技術框架功能架構
基于BIM的橋梁安全信息管理系統研究
» 信息管理系統的架構體系 ＜
HTML5、 CSS3、
JavaScript開發工具
基于BIM的 橋梁病害庫
結論與展望
工程實際應用
信息管理系統的開發
EBS編碼體系
橋梁BIM模型
研究背景
＞論文主要研究內容＜
設計參數與族參數
國內外研究現狀
橋梁安全信息組成
9 橋梁構件庫
MIS理論研究
Web前端技術
病害信息
病害庫
圖 1.4 全文技術路線圖
Fig. 1.4 Full text technical route
2橋梁 BIM 模型的編碼與建立
本章對橋梁BIM模型的創建方法和橋梁模型構件庫的組建進行分析研究。首先對橋 梁BIM模型的概念和BIM技術在橋梁運維階段的優勢進行介紹；并基于EBS編碼標 準，針對橋梁模型構件庫，提出一套完整的構件模型的編碼體系，為橋梁參數化建模奠 定基礎。最后，對橋梁BIM模型相關參數進行分析研究，明確設計參數與族參數彼此 之間的驅動關系，總結橋梁參數族建立所需要的參數信息和橋梁構件BIM模型參數化 構建的具體方法。
2.1橋梁運維階段的BIM模型
2.1.1橋梁 BIM 模型
橋梁BIM模型，是集橋梁項目全生命周期各階段信息和數據于一體的三維數字化 模型。BIM最初的發展理念是實現建筑工；同時，也記錄了設計、施工、檢測和養護等 全方位的動態信息。
對于橋梁的運營養護而言，運維階段的橋梁BIM模型應該集橋梁靜態安全信息與 動態安全信息于一體，是橋梁結構實體逆向構建的信息化模擬體。模擬體應包含橋梁所 有的幾何信息和安全信息，并建立科學評估的數據庫，實現橋梁技術狀態評估的科學性 和標準統一性，BIM模型和運維階段的橋梁BIM模型定義如下：
(1)BIM模型：BIM模型是包含結構多維信息的參數化的仿真模型體，是結構的虛 擬代替物，是集控制、管理和模擬于一體的信息載體。
(2)運維階段的橋梁BIM模型：橋梁運維階段的BIM模型是針對運營橋梁建立的 信息模型，直接或間接地作用于橋梁后期的管養。在橋梁的運維期內，利用BIM技術 的可視化、協調性等優點實現橋梁管理工作的組織與控制優化，使橋梁管理效率得到有 效的提升［32-34］。
(3)橋梁BIM模型建立：橋梁BIM模型建立是一個分步建立，統一組合的過程。 按結構構造和工程需求分成不同的模塊進行參數化建模，最后在同一參考系同一項目文 件中組合形成完整的橋梁三維信息模型。
在設計之初，橋梁BIM模型就可以基于圖紙信息完成模型建立，進而應用于施工 模擬、運維控制、養護管理等多方面。本文為了進一步將BIM技術應用于橋梁安全信 息管理領域，采用Revit2016軟件對橋梁模型進行建立，操作界面如圖2.1所示，并將 橋梁模型引入到管理平臺來實現橋梁安全信息的可視化，實現運維階段橋梁的智能化管 理。
2.1.2橋梁 BIM 技術的優勢
從BIM技術的優勢出發，結合橋梁BIM模型的特點，我們可以得出橋梁BIM技術 具備可視化、參數化和信息性等主要優勢。
(1)可視化：通過對物體的幾何尺寸、空間位置和材質屬性等數據進行全方位的掌 握，構建基于實體構件的仿真模型體，讓數據以一種可視化的方式進行展示，更為直觀 和容易理解，此功能也是BIM技術本身最大的優勢一一可視化。就橋梁工程領域而言, 可視化是將圖紙上各構件的信息以三維實體模型的方式進行展示，也是橋梁設計方面的 效果圖渲染，更是橋梁管理方面安全信息的表達，如圖2.2所示。BIM可視化是一種將 數據轉化成圖像的表達形式，能夠讓橋梁的構件彼此之間互相關聯起來，實現在橋梁全 生命周期內設計、建造和運維等不同階段信息可視化。
鋼筋
圖 2.2 橋梁三維可視化信息模型
Fig. 2.2 Three dimensional visual information model of bridge
(2)參數化： BIM 模型建立的方法，并非完全通過幾何勾畫的方式去完成模型的建 立，也可以通過參數驅動的方式去建立模型。參數化編輯功能可以減少同類型構件的反 復建立，也可以讓模型精度上升到新的高度。BIM模型是幾何模型和信息模型的融合體, 模型的參數化，提高了結構幾何信息和工程信息之間的關聯性。
(3)信息化：BIM技術被視作CAD之后工程設計的第二次革命，是推進整個土木 工程行業信息化轉型的關鍵。橋梁的BIM模型包含構件的所有信息，并且集成了項目 各參與方的信息，通過計算機平臺實現工程數據和信息的高效傳遞。對于運維階段的橋 梁而言，BIM技術可以集施工、檢測、管理、養護加固等多種信息于一體，供建設單位、 檢測單位、管理單位及科研院所共享，如圖 2.3 所示。
圖 2.3 橋梁 BIM 模型信息集成示意圖
Fig. 2.3 Schematic diagram of bridge BIM model information integration
橋梁BIM模型，只需一次建立，便可以實現在全生命周期內使用。對于養護管理 階段的橋梁模型而言，基于施工階段或者設計階段的BIM模型，在相應的BIM平臺上 進行信息和參數的補充完善，即可完成三維信息模型的建立；在橋梁的養護管理階段內， 對于不同時期的相同信息，只需要在第一時期進行信息輸入，即可在不同時期進行信息 的查詢與調用，避免了信息的重復輸入和模型的反復構建，提高了 BIM模型的信息集 成度和使用率，同時也有助于橋梁在不同階段的信息交換與共享。
2.2橋梁構件的編碼體系
2.2.1編碼體系研究
隨著橋梁建造技術的進步，橋梁結構和構造種類的日益復雜，對橋梁信息實現分級 編碼顯得尤為重要。常見的兩種工程項目分解編碼標準體系：EBS編碼標準體系和WBS
編碼標準體系，兩者之間既有相似之處也有不同之處，相似之處體現在分類原理上，不
同之處體現在彼此的適用范圍上，詳見圖 2.4。
圖 2.4 EBS 與 WBS 編碼體系分類標準
Fig. 2.4 Classification standard of EBS and WBS coding system
EBS 分解標準主要從功能和元素兩個方面進行定義［35-36］，功能就是指一個工程的用 途和服務對象；以橋梁為例，根據橋梁的功能不同，可以將橋梁分為公路橋梁、城市橋 梁和鐵路橋梁等。工程元素是指工程項目的組成部分，就橋梁結構而言，可以分為多個 分部結構（橋面系、上部結構、下部結構和附屬設施），分部結構又可以分為多個構件 （梁體、蓋梁和支座等）。
WBS分解標準主要針對的是項目管理體系，以工作流程為主線，對工程項目進行 分解，分解的目的是將項目分解成可執行的工作任務或者項目計劃。 WBS 編碼是對系 統工作中每一項工作或計劃進行唯一編碼而形成的編碼體系。在日常工程項目管理中， 編碼體系是管理計劃、成本計劃和資金計劃等的重要參考，同時用分解結構詞對工作的 詳細步驟進行解釋和補充說明。
如今我國的橋梁工程項目多為跨度大、結構復雜的特大工程，具有較大的信息和數 據量。隨著BIM技術在橋梁運維階段的進一步應用，對橋梁項目的全生命周期持續發 展要求也相應提高，相比較而言， EBS 標準更適合用于橋梁安全信息管理平臺數據庫中 構件編碼。
2.2.2橋梁項目的EBS編碼
橋梁 BIM 模型中元素的 EBS 編碼滿足構件與編碼之間一一對應的關系，同時在每 一個元素層留有冗余余量，滿足未來橋型和構件種類的擴展。
(1)EBS 編碼標準
一個橋梁項目都是由許多的工程元素和功能面組合在一起形成的，每一個功能面下 都含有彼此的工程元素，從而形成相應項目的完整功能結構［37-38］。例如說公路橋和鐵路 橋屬于橋梁工程項目的兩個不同功能面，然而彼此均含有各自相應的工程元素，即鐵路 橋和公路橋均含有屬于自己的工程元素和工程子元素，如圖 2.5 所示。
EBS 編碼采用層次碼進行編碼，編碼從前往后代表著層次由高到低，不同層次代表 著不同的功能面和工程元素，高層中的每一個組均包含下一層中的所有類［39］。 EBS 編碼 的核心在于層與層之間均屬于遞進關系，下一層被包含于上一層，但彼此卻無交集，即 沒有相同的工程元素， EBS 層次碼的一般結構如圖 2.6所示。
＞第三層編碼
■＞第二層編碼 ■»第一層編碼
圖 2.6 EBS 層次碼的一般結構圖
Fig. 2.6 General structure of EBS hierarchy code
(2)橋梁構件的 EBS 編碼 根據橋梁的用途可以將橋梁分為公路橋，鐵路橋，公鐵兩用橋和人行橋［40］，分別用
GL、TL、GT、RX標識這四類橋梁，作為橋梁構件EBS編碼分解表中的第一層代碼。 進一步根據橋梁結構類型可以將橋梁分為梁式橋、拱橋、懸索橋、斜拉橋和組合體橋五 類橋梁，用01?05標識這五類橋梁，作為橋梁構件EBS編碼分解表中的第二層代碼， 以公路橋和鐵路橋為例，進行編碼，編碼數據詳見下表 2.1。
表 2.1 EBS 分層編碼表
Table2.1 EBS layered coding table
梁式橋 01 GL01
拱橋 02 GL02
公路橋 懸索橋 GL 03 GL03
斜拉橋 04 GL04
組合體橋 05 GL05
梁式橋 01 TL01
拱橋 02 TL02
鐵路橋 懸索橋 TL 03 TL03
斜拉橋 04 TL04
組合體橋 05 TL05
在得到前兩層橋梁子系統后，應該繼續進一步分解橋梁結構，得到更具體的橋梁元 素。從材料角度出發，分類過程中會產生共同元素，有些元素在同一層級被不同子系統 共同擁有；以橋梁結構中的材料元素為例，橋梁的不同構件屬于同一層級的不同系統， 就下一層的材料子系統(混凝土、鋼筋等)為共同元素，此時便可采用統一編碼的方式來 降低編碼難度和重復率，提高編碼的精準度。從橋梁結構出發，分解過程中各子系統中 的結構和構件均為特有元素；各子系統之間的構件名稱均不相同，此時只要對子系統內 構件進行分別編碼即可，公路梁式橋的構件分解圖如下圖 2.7 所示。
根據構件分解圖可知，橋梁分部結構作為 EBS 編碼分解的第三層，分別用 01?04 代表上部結構、下部結構、橋面系和附屬設施；下屬工程元素構件作為第四層，具體構 件種類作為子元素放在第五層，構件的橋跨編號和位置編號占用最后兩個編碼層。例如， 編碼“GL010101020101”表示公路梁式橋上部結構中稱重結構的1-1#T梁，公路梁式橋 的上部結構EBS編碼體系詳見表2.2。
圖 2.7 簡支梁式橋的構件分解圖
Fig. 2.7 Exploded view of components of beam bridge
表2.2公路梁式橋的上部結構具體EBS編碼表
Table2.2 Specific EBS codes of superstructure of highway beam bridge
上部結構分類 基礎編號 四 分層編碼
五 六 七 EBS 編碼
空心板 1 GL01010101XXXX
稱重 普通T梁 1 2 GL01010102XXXX
結構 預應力T梁 3 GL01010103XXXX
箱梁 4 GL01010104XXXX
一般 濕接縫 GL01 1 2 1 跨編 位置 GL01010201XXXX
結構 橫隔板 2 碼 編碼 GL01010202XXXX
板式橡膠支座 1 GL01010301XXXX
支座 球型支座 2 GL01010302XXXX
3
鋼支座 3 GL01010303XXXX
盆式支座 4 GL01010304XXXX
在橋梁構件模型建立過程中，根據橋梁項目的 EBS 編碼號，對具體的構件模型依 次進行編號。在橋梁BIM模型和病害信息模型建立的過程中，根據編碼號可以對構件 進行快速查找，大大提高橋梁運維階段BIM模型的建模效率，同時也為實現橋梁安全 信息智能化管理奠定了基礎。
2.3橋梁BIM模型的參數化建立
2.3.1橋梁構件族庫
橋梁項目模型的建立，選用Autodesk公司的建模軟件Revit-2016。目前，由于Revit 主要面對房建設計領域進項軟件開發，在橋梁建模過程中會缺少像房建工程中門、樓梯 和窗戶等一系列構件族；因此，為了避免橋梁建模過程中的出現同一構件重復建立的情 況，需要針對特定的橋梁項目構建橋墩、蓋梁和梁體等這一系列構件族，組建橋梁構件 族庫，提高橋梁可視化模型建立的效率。
Revit最重要的組成部分是圖元，例如參考線、參考平面、軸網、視圖、注釋等。 模型圖元是指模型結構本身，主體模型為主模型，構件模型為副模型；項目中的軸網、 標高和參考平面等為基準圖元；注釋、填充和樣圖線為視圖圖元。在橋梁族庫建立的過 程中，常用圖元之間的歸屬關系如圖 2.8 所示。
族是一個圖元組，包含屬性集和相關圖形表示，主要用于幫助用戶快速搭建和修改 模型［41-43］。每個族文件都是一個獨立的個體，其中包含了參數信息、幾何尺寸、空間位 置和形狀類型多項數據。一個族中不同圖元的屬性可能有不同的值，但屬性的設置路徑 是相同的，也就是族對象的屬性是相同的。
在橋梁BIM模型設計時，為了提高建模效率，須事先按橋梁結構體系構建好相應 的構件族庫。將需要的族類型載入到橋梁項目中，通過設置相應的參數調出滿足設計參 數的項目族實例，組建一座橋梁的BIM模型將會隨之變得相對容易，這就是族在BIM 模型建立過程中的重要作用。Revit建模軟件包含系統族、內建族和標準構件族三種族 類型。
(1)系統族
系統族是軟件供用戶調用的內置族庫，主要包括柱、梁、樓板、風管、水管和線管 等。用戶只能夠對系統族進行參數修改，不可以更改系統族的預設形狀。就柱而言，用 戶可以根據設計參數選擇符合形狀(矩形或者圓形)要求的柱族，最后可以通過編輯柱
的直徑和材料等參數，完成系統族的調用。
(2)內建族
內建族是特定項目中的模型構件，在當前項目文件下創建，并且只能夠被所在項目 調用給特定對象。內建族一旦建立，構件尺寸就無法更改，也無法使用參數進行驅動， 只能通過二次編輯，完成模型相應參數的更改。在橋梁 BIM 模型建立的過程中，內建 族是三種模型族中使用頻率最少的。
(3)標準構件族
標準構件族，是參數族的一種，在項目之外的族文件下創建，可以供多個項目文件 調用，具有較強的使用靈活性，是橋梁BIM模型建立過程中使用頻率最高的族類型。 對于大型的橋梁項目而言，需將所有的標準構件族存儲在構件庫中對其進行統一的分類 和管理，方便項目對構件族的查詢和調用［44］；同時，橋梁標準構件族使用族編輯器即可 完成構件參數的修改。軟件本身為標準構件的建立，提供了框架族、面族和輪廓族等多 種類型的族樣板。標準構件族，可以在項目外，以族文件格式單獨保存，也可以將其載 入到橋梁項目中進行保存。對于橋梁結構構件，最常采用的兩種族樣板是框架族樣板和 公制常規族樣板；對于病害族，為了方便后期病害可以對橋梁構件表面的準確捕捉，采 用基于面常規族樣板進行建立。
2.3.2構件族的參數化建立
構件族是組建模型的重要元素，就橋梁而言，構件族包括梁體、支座、橋墩和承臺 等一系列構件族。族構件本身是通過屬性參數來定義的，以普通 T 梁為例，屬性參數包 含了族名稱、幾何尺寸、T梁材質和空間位置等。
圖 2.9 族參數與設計參數互相關聯
Fig. 2.9 Correlation between design parameters and family parameters
(1)族參數之間的關聯
當標準構件族發生族與族嵌套關系時，為了讓族參數可以統一驅動整個構件族，需 要對設計之初的參數與新建族參數進行關聯，保證參數的統一性，也保證了參數族的數 據完整性。對于嵌套族而言，其實也可以理解為多個標準構件族的組合體，為了保證嵌 套族可以被族參數正常驅動，需要在構件族里建立相應參數，并進行一一關聯，才可以 保證構件族的成功建立，如圖 2.9 所示。因為同一個族參數不可以重復建立，所以每一 個族參數都是唯一的；當被嵌套族的數量較多時，多個相同屬性的設計參數可以通過一 個族參數進行關聯驅動，即多個設計參數可以被一個族參數關聯驅動，設計參數和族參 數的之間邏輯關系如圖2.10所示。
圖 2.10 設計參數和族參數的邏輯關系
Fig. 2.10 Logical relationship between design parameters and family parameters
(2)參數族驅動方式
參數族的驅動方式主要有兩種：一種是通過數據內置的方式直接驅動，另一種是通 過設置數據文件的方式間接驅動［45］。使用內置數據驅動方式的參數族，其操作性和通 用性較好，但數據內置不利于數據的修改；就參數調試和修改而言，較為繁瑣。使用數 據文件進行驅動的參數族，數據容量大，適用于驅動參數較多的族構件；同時，這種方 式有利于數據的集中管理和驅動參數的調試。
(3)參數族的建立
參數族是橋梁構件族的主要族形式，橋梁參數化設計的本質就是構件族參數化建立 的過程。參數族建立的方式有兩種，第一種方式是直接在族樣板里進行參數設置，即可 完成參數族的構建，主要適用于幾何構造簡單的構件，例如墩柱、基礎和承臺等幾何形 狀簡單和屬性參數較少的構件。第二種是以族與族之間相互嵌套的方式進行參數族建立， 需要先對被嵌套族進行設計參數設置，再將設計參數與嵌套族的族參數關聯，才可以完 成參數族的創建；以T梁族構件模型為例，將T梁的輪廓族調入到T梁的參數族文件 里，在原始族參數和新增族參數定義好之后，把構件輪廓族的設計參數與T梁族的原始
族參數進行關聯，并保證參數之間一一對應，這樣族參數才能驅動設計參數，進而驅動
T 梁構件族，完成參數 T 梁構件族的建立，建模過程如圖 2.11 所示。
(a) 輪廓設計參數與族參數關聯
(b)T 梁參數族
圖 2.11 T 梁參數族的建立
Fig. 2.11 Establishment of T-beam parameter family
2.3.3橋梁 BIM 模型與精度
2.3.3.1橋梁 BIM 模型的建立
在橋梁構件族庫建立完成以后，在Revit的項目文件里，通過構件-部件-裝配的方 式完成橋梁 BIM 模型的組建。在完成梁體結構、橋面系、橋墩橋臺、蓋梁、欄桿、路 燈等系列族的建立之后，參考在項目文件里提前預設的軸網、標高進行拼裝，將每一個 構件放置到指定位置，從而形成整體橋梁項目的BIM模型。在全橋模型項目文件建立 以后，如果預設標高和軸網難以對橋梁參數構件族進行準確定位和拼裝時，可以通過建 立參考平面和設置參考線的方式，對構件族位置進行進一步定位，以保證構件與構件之 間相對距離的精確性，最后通過鎖定的方式，可以將模型與標高進行綁定，從而方便之 后整個模型位置的移動，建立的橋梁BIM模型如圖2.12所示。
橋梁BIM模型利用Revit軟件建立的流程如下：
(1)建立梁體、橋面系、墩柱和基礎等參數構件族，組建構件庫；
(2)基于統一的標高、軸網和參考系拼裝各個橋梁構件族；
(3)建立、組裝形成橋梁信息模型。
圖 2.12 橋梁模型建立示意圖
Fig. 2.12 Schematic diagram of bridge model establishment
233.2橋梁BIM模型分級
橋梁 BIM 模型的建模流程可以分為初步建模和詳細建模，初步建模包主要對模型 輪廓的建立和基本參數的設置；詳細建模是對輪廓模型的精細化處理，對模型組裝和尺 寸精確度的進一步校核。BIM模型作為信息的載體，建模數據的精準性和橋梁構件的精 細化是橋梁BIM信息模型等級是否滿足要求的決定性因素，也是保證模型的正確性和 全面性的最低要求。由于橋梁結構信息模型和病害信息模型都是基于橋梁項目模型建立 而成，因此，橋梁項目模型的等級直接關乎到信息模型所反饋的信息的正確與否。
橋梁BIM模型的幾何尺寸精度由建模平臺決定，就Revit而言模型尺寸進度可以達 到0.1mm。根據模型所涵蓋模型的信息量和具體工程需求，將橋梁BIM模型分為三個 等級［46］，詳見表 2.3。模型等級以 Grade1~Grade3 來劃分， Grade1 級模型只包含簡單的 幾何形狀，用于輪廓展示；Grade2級模型包含幾何形狀和材質等參數，可以用于模型展 示和投資估算；Grade3級模型不僅包含構件的尺寸、EBS編號和注釋等信息，而且包含 后期模型組裝的信息，可以用于工程管理和平臺開發。為了全面準確的反饋橋梁的相關 信息，基于BIM的橋梁安全信息管理系統采用橋梁BIM模型的精度為Grade3。
表 2.3 橋梁 BIM 模型分級
Table2.3 Bridge BIM model classification
模型等級 模型內容
Grade1 橋梁結構的幾何形狀
Grade2 橋梁構件參數 橋梁構件材質屬性
Grade3 橋梁構件編號
橋梁構件注釋信息
橋梁模型組裝信息
2.4本章小結
本章的主要研究內容及結論如下：
(1)本章首先介紹了橋梁BIM模型的概念，從BIM技術在橋梁運維養護階段的應 用優勢出發，結合橋梁BIM模型的特點，得出BIM技術具備可視化、參數化和信息性 等主要優勢。
(2)通過對比EBS編碼標準與WBS編碼標準之間的異同，選擇EBS編碼體系作為 橋梁安全信息管理平臺數據庫中構件的編碼體系。并提出了一套完整的橋梁構件模型的 EBS 編碼體系，為橋梁構件族庫組建奠定了基礎。
(3)分析了研究橋梁BIM信息模型的相關參數，對設計參數與族參數彼此之間的驅 動關系進行了明確，并且總結了參數構件族建立所需要的參數信息和具體方法，最后基 于標高和參考平面，明確了橋梁BIM模型的組建方法和模型等級。
3基于 BIM 的橋梁病害模型構建
本章對病害與模型融合的具體方法進行研究，并組建病害庫用于病害信息模型的建 立。首先對橋梁安全信息組成內容和BIM技術信息交互標準進行介紹，引出一種能夠 實現病害信息與BIM模型融合的信息交互方式——IFC標準。基于IFC數據文件的基本 結構和語法，編寫T梁三維可視化模型的數據文件；并提出三維網格分散法，將病害輪 廓由二維坐標點轉化為三維坐標點集，為病害表面創建提供相對坐標位置。最后以修改 坐標數據和重構IFC數據文件的方式創建橋梁BIM病害信息模型，并依據病害信息融 合機制構建病害庫。
3.1橋梁安全信息組成
3.1.1靜態安全信息
橋梁靜態安全信息指已運營橋梁的設計和施工信息，即橋梁建設完成之前的結構數 據和圖紙信息，主要包括橋梁構件的幾何尺寸信息、結構類型信息和施工技術信息等。 這些信息在橋梁施工結束后，便不會再發生變化，但卻是影響橋梁安全的重要基礎數據。 當然，這些信息管理過程也是一個靜態過程，主要工作內容包括整理關鍵施工技術資料 和設計數據等，以及對橋梁構件因施工失誤而產生的結構損傷部位進行標記；當然，這 些靜態信息均可以通過橋梁BIM信息模型得到充分體現。
3.1.2動態安全信息
橋梁的動態安全信息包括橋梁環境信息、檢測信息和養護信息等。環境信息主要是 指自然環境或者人為因素對橋梁造成破壞而影響橋梁安全的信息，管養單位通過對橋梁 的日常監護來獲得相關信息；養護信息主要是指養護時間、維修單位和加固工藝等信息； 檢測信息主要是指橋梁的檢測時間、檢測單位、病害信息和橋梁技術狀態結果等。
橋梁病害直接影響著現役橋梁的安全，同樣也是橋梁動態安全信息的最重要組成部 分。橋梁根據其結構類型的不同也會產生不同種類的病害，為了建立標準統一的病害庫， 需要在病害信息與模型融合的基礎上，根據不同的橋梁項目對病害庫進行完善和補充。 從材料的角度看，常見的橋梁病害分為混凝土病害和鋼筋病害，混凝土病害以裂縫和破 損為主，裂縫可以根據產生的原因分為結構性裂縫和非結構性裂縫，結構性裂縫產生的 原因多數為荷載因素，非結構性裂縫產生的主要原因為混凝土體積變化；鋼筋病害主要 包括鋼筋銹蝕和鋼筋斷裂，鋼筋斷裂多由混凝土內力變化引起，鋼筋銹蝕是因混凝土保 護層太薄或者混凝土脫落致使空氣中的氯原子和鋼筋發生化學反應而產生，常見的橋梁 病害如圖 3.1 所示。
圖 3.1 橋梁常見病害圖
Fig. 3.1 Common diseases of bridges
3.2BIM 技術的信息交互標準
3.2.1國家標準
隨著BIM技術在橋梁行業的不斷應用，交通部門多次發布政策促進BIM技術在交 通行業的發展，但因為沒有統一的標準，數據無法轉化，一直制約著BIM技術在交通 行業的發展。BIM標準并不是一個或者幾個信息交換的數據文件，而是遍布整個行業的 數據交換體系。國內雖然也不斷涌現了一些交通行業的數據交換標準，但大部分標準為 地區標準和企業標準，無法實現全行業數據共享，滿足具體需求和解決實際問題。
2010年，清華大學BIM課題組在《中國建筑信息模型標準框架研究》中提出了符 合我國建筑領域實際情況的中國建筑信息模型標準-CBMS框架[47-48],詳見圖3.2。
3.2.2行業標準
目前，交通行業還沒有發布統一的行業標準，雖然交通部門委托一些單位發行了多 部行業標準，但多數標準都有使用局限性，僅僅適用于行業中某些領域或者某些地區，
并沒有達到全行業通用的水平［49］。同時，由于國內情況較為復雜，行業標準多以建議和 指導為主，多以地方標準為主，與BIM相關的行業標準或指南詳見表3.1。
表 3.1 BIM 的行業標準或指南 Table3.1 Industry standards or guidelines for BIM
標準名稱 標準編號 實施日期 所屬行業
三維地理信息模型數據產品規范 CH/T 9015—2012 2013-01-01 測繪行業
三維地理信息模型生產規范 CH/T 9016—2012 2013-01-01 測繪行業
三維地理信息模型數據庫規范 CH/T 9017—2012 2013-01-01 測繪行業
建筑工程設計信息模型制圖標準 JGJ/T 448—2018 2019-06-01 建筑行業
水運工程信息模型應用統一標準 JTS/T 198-1—2019 2019-12-31 水運行業
水運工程設計信息模型應用標準 JTS/T 198-2—2019 2019-12-31 水運行業
水運工程施工信息模型應用標準 JTS/T 198-3—2019 2019-12-31 水運行業
綜合管廊工程BIM應用 18GL102 建筑行業
建筑裝飾裝修工程BIM實施標準 T/CBDA 3—2016 2016-12-01 建筑類團體
建筑幕墻工程BIM實施標準 T/CBDA 7—2016 2017-03-15 建筑類團體
城市軌道交通工程BIM應用指南 2018-05-01 軌道交通行業
公路工程信息模型設計應用標準 未正式發布 公路行業
公路工程信息模型施工應用標準 未正式發布 公路行業
公路工程信息模型應用統一標準 未正式發布 公路行業
鐵路 BIM 標準匯編 未正式發布 鐵路團體
本文主要研究的基于BIM的橋梁安全信息管理系統，因此信息交互標準是平臺信 息共享和模型數據交互的關鍵。信息交互標準，即為BIM模型的數據轉化標準，其核 心是對模型數據的操作。橋梁養護周期長、涉及專業廣、管理部門多，信息量巨大，且 部門與部門之間存在因技術跨度產生的溝通障礙，要滿足BIM模型在橋梁領域數據共 享的需求，實現橋梁全生命周期內多部門多平臺信息的協調與共享。BIM標準需要對信 息的傳遞方式、存儲格式和分類標準三個方面進行規定,BIM標準解決主要的事項如下：
(1)信息存儲標準：由于BIM技術涉及平臺較多，產生的信息儲存格式種類較多， 嚴重阻礙了不同用戶之間的數據共享。為了實現BIM模型和其數據文件可以在不同的 軟件和平臺運行，建立統一的信息交互標準進行數據流通，是最高效的解決途徑。如此， 各平臺就可以導出統一格式的數據文件，或者對不同平臺導出的不同格式的數據文件向 標準格式進行轉化。
⑵ 信息傳遞方式：橋梁BIM模型是設計、施工、運維和養護等多階段的信息載體。 為了實現多階段信息之間高效銜接，需要建立統一的標準規定不同階段數據的銜接方式。 就設計信息與施工信息銜接而言，設計信息以何種方式導出，施工模型以何種方式對接， 彼此數據接口形式需要統一的標準進行規定限制。
(3) 信息分類標準：橋梁行業信息涉及領域較廣，對于不同階段的信息需要以統一 的編碼方式進行分類定義，才可以實現不同階段信息的融合。簡而言之，就是對于橋梁 設計階段、施工階段和養護階段的信息分類應使用統一的編碼方式，這樣確保不同階段 的信息在不同平臺運行時，不會出現數據錯誤調用和亂碼的情況。
為滿足以上BIM模型數據交互要求，BIM技術分別針對信息儲存格式、信息傳遞 方式和信息分類標準出臺相應的數據交互標準，為別為IFC標準、IDM標準和IFD標 準；同時IFC標準、IDM標準和IFD標準也被稱為BIM技術的三大支柱。其中，IFC 標準作為BIM模型的信息儲存格式，是實現病害信息和橋梁構件模型融合的數據交互 標準。
3.2.3IFC 標準
(1)IFC標準發展概述
IFC 標準不僅僅是利用模型對數據格式的標準進行傳遞，而且是不同數據之間的整 合，為病害信息模型與橋梁實體模型相結合提供了路徑［50］。IFC標準運用Express語言 表達實體構件信息，實現模型信息數據的存儲與交換。目前，多種建模軟件均可對IFC 數據文件進行讀取和輸出，為模型的多平臺數據交流搭建了信息渠道。
IFC(Industry Foundation Class)標準在1997年發布IFC1.0后，經過數年來的發展完 善，逐漸形成了一套非常完善的數據交換共享標準［51-54］,目前官方最新的版本是IFC4.2 版。IFC標準促進了多方信息模型在統一的數據標準的基礎上進行有效的數據交互［55-56］。 IFC4.1 版本用水平和垂直線形的組合作為一種新的幾何表示形式，用于描述基礎設施的 線形。IFC4.2版本雖然還處于編輯狀態，但已經擴展了橋梁模塊(IfcBridge)和基礎設施 的空間結構，橋梁模塊可以對橋梁構件(IfcBridgePart )和整體結構有一個準確的定義和 描述，促進了 BIM技術在橋梁建設行業的發展和應用。
(2)IFC 標準的框架體系
IFC 標準的框架體系從功能定義上可以分為四個層次，分別是資源層、核心層、交 互層和領域層，每個層次都有其固有的信息定義范圍和彼此依存的穩定關系［57-58］，詳見 圖 3.3。為了保證彼此之間關系的穩定性，制定了“重力原則”，即上級層可以引用下級 層的實體對象。IFC架構將所有的對象按概念進行分類，以橋梁結構為例，就構件本身 屬于領域層，但構件本身的多種元素和信息需要通過資源層、核心層和交互層來依次定 義。
建筑領域 管道消防 結構工程 結構分析
暖通空調 建筑電子 建筑設計 施工管理
圖 3.3 IFC 標準的框架體系
Fig. 3.3 Framework system of IFC standard
IFC標準采用的描述性語言EXPRESS，具有較強的可讀性和編譯性。EXPRESS是 一種概念性架構語言，可以為現階段沒有被IFC標準定義的專業領域提供了多種預定義 類型。具體定義方式如圖 3.4 所示，就橋梁結構和病害模型而言，也可以通過預定義構 件的方式對IFC標準中沒有定義的橋梁模塊進行補充和完善。
(3)IFC標準的數據結構
IFC 數據文件由頭段和數據段兩部分構成［59］，頭段主要表達了文件的總體信息以及 常規設置信息，數據段主要表達模型的屬性信息和幾何信息。
①頭段文件
在每一個IFC交換文件都以頭段數據作為數據段開頭，該段以"HEADER"作為開始 代碼，并且以"ENDSEC"作為結束代碼。頭段實體有創建時間、數據版本和標準版本等, 并且按這一定順序依次出現，具體代碼如下：
ISO-10303-21;
HEADER;
*Creation date:Wed Jun 16 10:38:56 2021
*Host:LAPTOP-I0K3SVL0
*Database version:5507
*Schema:IFC2X3
FILE_SCHEMA(('IFC2X3'));
ENDSEC;
②數據段
數據段位于頭段之后，是IFC文件的主體部分。該段以"DATA"作為開始代碼，并 且以"ENDSEC"作為結束代碼，具體代碼如下：
DATA;
#6=IFCCARTESIANPOINT((0.,0.,0.));
#9=IFCCARTESIANPOINT((0.,0.));
#11=IFCDIRECTION((1.,0.,0.));
#13=IFCDIRECTION((-1.,0.,0.));
#15=IFCDIRECTION((0.,1.,0.));
#17=IFCDIRECTION((0.,-1.,0.));
#19=IFCDIRECTION((0.,0.,1.));
#21=IFCDIRECTION((0.,0.,-1.));
ENDSEC;
END-ISO-10303-21.
3.3基于IFC的病害融合機制
3.3.1 T 梁的三維模型創建
(1)T梁的位置定義
基于Revit2016平臺創建結構項目文件，并導出IFC數據文件。在頭段文件已建立
成功的基礎上， 通過EXPRESS語言定義數據文件，以多種定義方式分別對T梁模型的
位置信息和幾何信息進行表達， 相應的 IFC 格式數據內容如表 3.2 所示。
表 3.2 定義方式及 IFC 數據格式
Table3.2 Definition method and IFC data format
信息類別 定義名稱 定義內容 對應的 IFC 標準
場地坐標系 原點坐標、X軸和Z軸 IfcSite
位置信息 參考坐標系 原點坐標、X軸和Z軸 IfcLocalPlacement
局部坐標系 原點坐標、X軸和Z軸 IfcAxis2Placement3D
模型點 點坐標 IfcCartesianPoint
Brep 定義實體 多面片擬合形成的實體 IfcFacetedBrep
幾何信息 自定義輪廓 多點輪廓線 IfcPolyLine
橫截面定義 閉合輪廓線 IfcCarbitraryClosedProfileDef
拉伸定義實體 位置、拉伸方向和拉伸長度 IfcExtrudedAreaSolid
為了確定三維實體模型的具體位置，設立三維坐標系對模型進行定位，坐標系可以
分為局部坐標系(IfcAxis2Placement3D)和參考坐標系(IfcLocalPlacement)。三維坐標系中
物體的位置信息由位置坐標，Z軸方向和X軸方向三部分組成確定，其中Y軸方向由Z
軸和X軸方向來推導確定。
場地坐標系 參考坐標系 局部坐標系
IfcSite IfcLocalPlacement IfcAxis2Placemeirt3DLQcation
圖 3.5 三維坐標系示意圖
Fig. 3.5 Schematic diagram of three-dimensional coordinate system
如圖 3.5 所示，坐標系由 ObjectPlacement 描述，在數據段中坐標系存在分層依次參 考的情況，在明確各坐標系層次關系的前提下，進而確定構件最終所在的坐標系和坐標 值。三維T梁構件模型的位置由所在的三維參考坐標系定義，參考坐標系則由上一級參 考坐標系和局部坐標系共同定義，局部坐標系對參考坐標系的原點位置進行了定義，上 級參考坐標系則對Z軸方向和X軸方向進行了定義，從而確定了模型構件的具體位置。
在 IFC 中，很多橋梁工程中的特殊構件缺少信息定義和實體定義的方式，此處以 IfcBuildingElementProxy 定義 T 構件模型，具體代碼內容如下：
#6=IFCCARTESIANPOINT((0.,0.,0.));
#31=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$); #32=IFCLOCALPLACEMENT(#249,#31);
#104=IFCBUILDING(...,#32,...);
#110=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$); #111=IFCLOCALPLACEMENT(#32,#110);
#113=IFCBUILDINGSTOREY(...,#111,...);
#174=IFCCARTESIANPOINT((1032.,527.,0.));
#176=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#174,$,$);
#177=IFCLOCALPLACEMENT(#111,#176);
#179=IFCBUILDINGELEMENTPROXY(...,#177,...);
#248=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$);
#249=IFCLOCALPLACEMENT($,#248);
#250=IFCSITE(...,#249,..);
如下圖 3.6 所示是對上述代碼坐標分層依次定義和預定義方式的屬性解析圖， #179 定義了 T 梁實體(IfcBuildingElementProxy)，位置信息由#177(IfcLocalPlacement)定義。 #177 指定了#111 參考坐標系和#176局部坐標系。
#113是對空間結構(IfcBuildingStorey)進行分層，位置信息由#111參考坐標系定義。 #111指定了#32參考坐標系和#110局部坐標系(IfcAxis2Placement3D)。
#104是建筑(IfcBuilding)，位置信息由#32參考坐標系定義。#32指定了#111參考坐 標系和#31 局部坐標系。
由場地#250(IfcSite)可知，249#是場地所在的絕對坐標系，沒有上級參考坐標系， 場地參考系原點坐標為(0,0,0)。
圖 3.6 坐標與創建方式屬性示意圖
Fig. 3.6 Schematic diagram of coordinates and creation method attributes
(2)T 梁的二維橫截面創建
在已定義的局部坐標系里，進行T梁橫截面的創建，采用截面定義的方法，即通過 連接多個二維坐標點(IfcCartesianPoint)形成閉合的平面輪廓線(IfcPolyLine)，進而定義面 片模型，具體描述方式代碼如下：
#123=IFCCARTESIANPOINT((2000.,-800.));
#125=IFCCARTESIANPOINT((1850.,-800.));
#147=IFCPOLYLINE ((#123,#125,#127,#129,#131,#133,#135,#137,#139,#141,#143,#145,#123));
#149=IFCARBITRARYCLOSEDPROFILEDEF (.AREA.,'t\X2\68814E2D6881\X0\',#147);
如下圖3.7所示，#123?#145依次對T梁橫截面的12個關鍵點坐標值進行定義， 并且通過IFCPOLYLINE命令形成輪廓線，進而編輯#149代碼，形成T梁橫截面。
(3)T梁的三維可視化模型創建
拉伸是多種預定義方式中的一種，對已創建的T梁橫截面(#149)賦予拉伸命令，進 而形成T梁實體(IfcExtrudedAreaSolid)。拉伸命令中的參數包括拉伸方向和拉伸長度， 創建方式和參數信息如圖3.7所示，具體代碼內容如下：
#150=IFCCARTESIANPOINT((-500.,0.,500.)); #152=IFCAXIS2PLACEMENT3D(#150,#11,#19);
#153=IFCEXTRUDEDAREASOLID(#149,#152,#19,1000.);
#154=IFCSHAPEREPRESENTATION(#88,'Body','SweptSolid',(#153)).
上述代碼，#154表示T梁的預定義類型為拉伸(SweptSolid)。#153定義了拉伸實體 的具體信息，其中#149表示拉伸橫截面，#19 定義了拉伸方向為向量(0，0，1)的正方向， # 1 52定義了拉伸的局部坐標系，同時也定義了拉伸長度為1 m 。數據文件在可視化平臺 XbimXplorer，校核成功，T梁模型創建完成。
3.3.2橋梁病害模型創建
(1) 裂縫信息坐標化
在橋梁安全信息的表達過程中，采用邊界定義(BrepModel)的方式對構件實體模型的 IFC 文件進行二次重構，以準確的表達病害的幾何信息和位置信息。本文以裂縫作為研 究對象，對病害幾何特征進行二維坐標化，并應用 EXPRESS 語言來精確的刻畫病害模 型，的方法來表達裂縫位置、長度和深度等相關信息。
經過對病害圖片視覺角度和背景的灰度值調節I60】，建立xy平面的網格圖。通過加 載原圖像；將原圖像在x、y兩個方向上等距劃分網格，具體網格尺寸，由圖片所呈現 的病害尺寸和病害幾何特征共同決定。如圖 3.8 所示，以常見裂縫病害為例，圖片所呈 現裂縫最小寬度為2.3mm，因此二維坐標集的間隔精度精確至1mm。基于IFC的數據 結構特征，以二維網格中某一點為局部坐標原點，建立局部二維坐標系，確定裂縫外表 面各點二維坐標點值，進而可引用到相應實體模型的三維參考坐標系中，從而達到確定 裂縫在三維構件模型表面具體位置的目的。
(2)T梁構件模型三維離散化
為了進一步確保病害幾何形狀的真實性，本文提出了三維網格分散法，對構件進行 均勻離散化，為三維坐標值的確定提供參考依據。三維網格對混凝土或者其他構件進行 離散化和均勻化的同時，為了確保病害精度要求，其間距要滿足病害相應規范的尺寸要 求。
為了滿足規范要求和提升病害可視度，設置病害可視化修正系數來控制病害幾何尺 寸的精度和可視化程度，可視化系數在保持原有構件模型幾何尺寸不變的基礎上，將病 害尺寸按整數倍進行放大，將病害模型精度由0.1mm提升至0.01mm；再通過病害實際 尺寸和拍攝修正系數計算求得三維坐標點集的間距尺寸，如圖 3.9所示，以已建好的三 維T梁構件模型為例，進行均勻離散化處理，通過二維平面坐標點集間隔距離，由公式
3.1可計算得到三維空間坐標點集間隔距離，通過將二維局部坐標系轉化到三維參考坐 標系中和坐標點細化來定位病害關鍵點的坐標，再由坐標點連接形成面實體，從而創建 病害實體，實現橋梁安全信息模型的創建。
圖 3.9 T 梁模型的均勻離散圖
Fig. 3.9 Uniform discrete graph of T-beam model
Ws = akwe (3.1)
k = d/Dx (3.2)
式中：爐s—三維坐標點集間隔精度；
We—二維坐標點集間隔精度； a—可視化修成系數，一般取1?10； 拍攝修正系數(相機鏡頭平行于病害所在平面)；
R—病害實際寬度值； De—拍攝照片病害測量寬度值。
#216?#226為T梁腹板外表面的縱向裂縫的三維坐標點集，坐標集分布詳情如圖 3.10所示，具體模型創建代碼如下：
#216=IFCCARTESIANPOINT((80.,-297.,557.)); #218=IFCCARTESIANPOINT((80.,-35.,818.)); #220=IFCCARTESIANPOINT((80.,0.,1414.));
#222=IFCCARTESIANPOINT((80.,166.,1755.)); #224=IFCCARTESIANPOINT((80.,13.,1411.));
#226=IFCCARTESIANPOINT((80.,-28.,807.)).
圖 3.10 裂縫坐標集分布詳情圖
Fig. 3.10 Coordinate set distribution details map
3.3.3病害信息融合機制
以 Brep 方式定義病害信息模型，將三維坐標點集依次連接形成病害輪廓，依據閉 合輪廓的代碼編號，編寫病害模型對應的外表面;最終形成帶病害的實體模型。
#228表示T梁腹板外表面的輪廓線,#230則是由#228形成相應的外表面邊界條件; 同理，#231是由裂縫所在腹板外表面的三維坐標集#216?#226連接而成的外輪廓線， #233則為裂縫的邊界條件，通過邊界條件#230和#233形成存在裂縫的腹板外表面，具 體代碼如下：
#228=IFCPOLYLOOP((#139,#137,#162,#160));
#230=IFCFACEOUTERBOUND(#228,.T.);
#231=IFCPOLYLOOP((#216,#218,#220,#222,#224,#226));
#233=IFCFACEBOUND(#231,.T.);
#234=IFCFACE((#230,#233));
#256?#266為T梁腹板內表面的縱向裂縫的關鍵三維坐標點集，#268是由裂縫的 所在腹板內部的三維坐標集#256?#266連接而成的內輪廓線，從而通過邊界條件#270 生成裂縫多邊形底面#271。
#256=IFCCARTESIANPOINT((0.,0.,1414.));
#266=IFCCARTESIANPOINT((0.,166.,1755.));
#268=IFCPOLYLOOP((#256,#258,#260,#262,#264,#266));
#270=IFCFACEOUTERBOUND(#268,.T.);
#271=IFCFACE((#270));
圖 3.11 病害多維表面定義
Fig. 3.11 Disease multidimensional surface definition
#276，#281，#286，#291，#296 和#301 為縱向裂縫的 6 個內側面，每個內側面由 4 個三維坐標集連接而成。以內側面#276 為例，如上圖 3.11所示，#273和#275 分別是由 四個關鍵坐標點形成的輪廓線和邊界條件，進而生成內側面#276，具體代碼如下：
#273=IFCPOLYLOOP((#260,#258,#218,#216));
#275=IFCFACEOUTERBOUND(#273,.T.);
#276=IFCFACE((#275));
#298=IFCPOLYLOOP((#264,#262,#226,#224));
#300=IFCFACEOUTERBOUND(#298,.T.);
#301=IFCFACE((#300));
通過命令IFCCLOSEDSHELL匯集外表(Shell)的集合，包括6個裂縫內側面、裂縫 底面、腹板外表面(帶裂縫)以及T梁其他外表面。最終形成由邊界定義(Brep)的實體 模型#305。具體代碼如下：
#303=IFCCLOSEDSHELL
((#150,#179,#184,#189,#194,#199,#204,#209,#214,#234,#239,#244,#249,#254,#271, #276,#281,#286,#291,#296,#301));
#305=IFCFACETEDBREP(#303).
在結束編譯數據之后，如圖3.12所示，將攜有病害信息的IFC數據文件導入到可 視化平臺XbimXplorer和建模平臺Revit2016,實現了病害的成功附著，同時避免了二 次重構過程中數據丟失和數據不可讀的問題。
圖 3.12 病害實體模型
Fig. 3.12 Disease entity model
3.4基于BIM的病害信息模型建立
3.4.1橋梁病害庫的建立
橋梁病害信息模型是由病害族與橋梁構件模型組合建立的，為了縮短整個建模過程 所需時間和減少同類型構件重復建立的次數，需要建立特定的病害族庫。病害族庫由多 種多樣的病害族所組成，在病害信息模型建立的過程中被調用，族庫中的病害族應具有 快速捕捉構件平面的功能。就病害庫而言，要具備不斷更新和完善的能力，包含橋梁項 目所需的全部病害種類，以充分的表達橋梁病害信息和構件所處的技術狀態。
病害庫建立的本質是多種病害族建立的過程。BIM技術以實體模型為載體進行信息 表達，病害信息模型也是以同樣的方式對病害位置和損壞程度進行展示。橋梁的病害信 息模型，是病害族與橋梁構件族組合的項目文件；病害族是基于面族樣板進行建立，并 對病害信息進行參數化表達；參數構件族則通過設置相關參數來實現其相應的外形，屬 性與特性的調整。為了方便病害族的調用，根據橋梁的分部結構將病害庫分為橋面系病 害庫、上部結構病害庫和下部結構病害庫，如圖 3.13 所示。此方法縮小了病害族的調用 范圍，使其形成標準統一的病害庫，既可以實現橋梁病害位置的精準定位和病害族的快 速調用，又可以提高病害信息與橋梁構件模型的融合效率。
3.4.2橋梁病害信息模型的建立
為了實現橋梁安全信息模型快速高效的建立，須提前根據現場橋梁檢測情況建立病 害族，并且引入到病害族庫中去，方便模型的調用，從而實現了病害信息的三維可視化， 管理者可以真實直觀的掌握橋梁安全健康的情況。為了保證病害信息模型的建模效率， 病害族均采用基于面的常規族樣板進行建立；基于面的病害族在項目中可以快速捕捉橋
梁構件平面，對其病害種類、面積和位置等參數進行選擇和設置。最后，提取項目的 IFC 數據文件，通過對 IFC 文件中病害坐標數據進行二次精細化重構，實現病害構件模型的 創建，如圖3.14所示。以立方體構件為例，基于IFC模型數據交互標準進行病害信息 的精細化表達。
文件(E)離(B格式(Q)查WGO幫助(H)
#511= IFCRELCONTAINEDINSPATIALSTRUCTUREC0xtRXzl959avRP1WNM3BB8,,#41($($((#361),#113);
#121= IFCAXIS2PLACEMENT3D(#6,$,$);
#559= IFCRELDEFINESBYPROPERTIES('05ZWTxkpDAHwLTBIcWQIUQ；#41,$,$,(#113),#507);
#123= IFCCARTESIANPOINT((-1030.2,-746.6));
#125= IFCCARTESIANPOINT((217.1,-746.6));
#127= IFCCARTESIANPOINT((208.9,-716.3));
#129= IFCCARTESIANP0INT((219.2,-688.1));
#131 = IFCCARTESIANPO INT((201.6,-622.5));
#133= IFCCARTESIANPOINT((221.2,-591.5));
#135= IFCCARTESIANPOINT((229.9,-542.2));
#137= IFCCARTESIANPOINT((201.6,-513.9));
#139= IFCCARTESIANPOINT((201.6,-478.9));
#141 = IFCCARTESIANPOINT((138.1,-369.0));
#143= IFCCARTESIANPOINT((102.2,-291.9));
#145= IFCCARTESIANPOINT((87.2,-291.9));
#147= IFCCARTESIANPOINT((872,-256.0));
#149= IFCCARTESIANPOINT((95.0,-227.1));
#151 = IFCCARTESIANPOINT((70.7,-202.1));
#153= IFCCARTESIANPOINT((81.1,-164.2));
#155= IFCCARTESIANPOINT((48.6,-107.9));
#157= IFCCARTESIANPOlNT((26?6,-85?9));
#159= IFCCARTESIANPOINT((26.6,-25.9));
#161 = IFCCARTESIANPOINT((18.2,53));
#163= IFCCARTESIANPOINT((-10.4,46.3));
#165= IFCCARTESIANPOINT((7.0r76.6));
#167= IFCCARTESIANPOINT((26.6,76.6));
#169= IFCCARTESIANPOINT((26.6,91.6));
#171 = IFCCARTESIANPOINT((1.9,116.3));
#173= IFCCARTESIANPOINT((1.9,201.3));
#175= IFCCARTESIANPOINT((-15.5,231.6));
#177= IFCCARTESIANPOINT((-15.5,251.6$;
圖 3.14 病害族庫建立方法
Fig. 3.14 Establishment method of disease family database
在橋梁混凝土病害中，最常見的病害就是裂縫。根據裂縫走向的不同，可以分為橫 向裂縫、斜向裂縫和縱向裂縫等，均屬于單一裂縫。單一裂縫相互交叉，別會形成另一 種形式的病害——網裂。不同走向的裂縫在不同類型的受力結構里對結構安全的影響程 度也不同。裂縫深度在安全范圍內時，對結構的安全不會造成太大的影響，但會給橋梁 埋下安全隱患。當結構物出現裂縫時，構件的強度也會隨著時間的進程不斷降低，削弱 構件的整體承載能力。依據橋梁檢測中混凝土單一裂縫的輪廓特征，基于IFC標準進行 病害信息表達，單一裂縫病害模型如下圖 3.15 所示。
圖 3.15 裂縫病害族
Fig. 3.15 Crack disease family
依據橋梁檢測中混凝土交叉裂縫的輪廓特征，基于IFC標準進行病害信息表達，交 叉裂縫病害模型如下圖 3.16所示。
(d) 網裂渲染模型
網裂病害族
Fig. 3.16 Network crack disease family
(a) 鋼筋銹蝕輪廓模型 (b) 鋼筋銹蝕實體模型
圖 3.17 鋼筋銹蝕病害族
Fig. 3.17 Rebar corrosion disease family
在橋梁鋼筋病害中，常見病害是鋼筋銹蝕。澆注時鋼筋墊塊移位、鋼筋外漏或者保 護層沒達到要求，鋼筋因與空氣中的氯離子發生化學反應而銹蝕。混凝土結構內部鋼筋
的銹蝕程度在安全范圍值內時，它對于橋梁的結構安全影響不大，但會給橋梁安全埋下 隱患，需要及時處理，防止病害進一步擴大。鋼筋銹蝕出現在梁體時，將會降低梁體的 承彎能力；在荷載的長期作用下，容易發生梁體斷裂的現象。依據橋梁檢測中鋼筋銹蝕 的輪廓特征，基于IFC標準進行病害信息表達，鋼筋銹蝕病害模型如上圖3.17所示。
對于在檢測中發現的同類型病害，如構件混凝土剝落和混凝土破損等，均可采用三 維網格離散的方法對病害幾何表面的三維坐標點集進行確定，通過對模型的IFC數據文 件進行數據坐標更改和輸入的方式，對混凝土剝落和破損三維病害信息模型進行建立。
3.4.3病害族在T梁模型上的應用
在橋梁安全檢測發現病害時，基于 BIM 技術對構件的病害信息模型進行建立，實 現橋梁病害信息在BIM模型中的可視化展示。首先需要建立相應的基礎病害庫和橋梁 構件庫，利用檢測得到的病害信息，調用病害庫里相應的病害族，并且插入到BIM的 橋梁構件項目文件中與之結合，最后利用病害信息模型項目的IFC數據文件進行病害精 細化修改，形成最終的高精度病害信息BIM模型。
以T梁構件模型為例，通過調用上部結構病害庫里的斜向裂縫病害族，并對項目IFC 數據文件二次重構形成裂縫病害信息模型如圖3.18所示；對于鋼筋銹蝕病害在T梁構 件上的應用，以同樣的調用和數據重構方式形成鋼筋銹蝕病害信息模型，如圖3.19所示。
Fig. 3.19 Reinforcement corrosion information model of T-beam
3.5本章小結
本章的主要研究內容及結論如下：
(1)本章首先介紹了橋梁安全信息的組成內容和BIM技術的信息交互標準，橋梁安 全信息包括靜態安全信息和動態安全信息；信息交互標準主要包括IFC標準、IDM標準 和 IFD 標準， IFC 標準作為模型信息儲存標準，不僅可以對模型數據文件進行修改，而 且實現了不同類型數據之間的互相整合，為病害信息與模型融合提供了路徑。
(2)準確的解析了 IFC數據文件的基本結構和語法，編寫T梁三維可視化模型的數 據文件，并提出了三維網格分散法，將病害輪廓由二維坐標點轉化為三維坐標點集；并 利用Express語言的可描述性，總結了一種通用的病害表達方式，同時基于可視化修正 系數將病害模型精度由0.1mm提升至0.01mm。最后通過對橋梁T梁模型的IFC數據文 件進行二次重構，實現了橋梁病害信息與模型之間的融合，以及對病害的特征和位置信 息的準確表達。
(3)最后依據病害信息融合機制，建立了單一裂縫、交叉裂縫和鋼筋銹的病害模型， 成功組建了病害庫。并以T梁構件模型為例，通過調用病害庫里的病害族，成功建立了 關于裂縫和鋼筋銹蝕的T梁病害信息模型。
4基于 BIM 的橋梁安全信息管理系統開發
本章主要對信息系統理論、系統開發架構、系統開發方法和系統開發過程進行研究。 首先對MIS理論進行分析研究，然后通過對系統需求進行分析，提出橋梁安全信息管理 系統的網絡架構、技術框架和功能架構。最后，基于RBAC0權限管理模型和數據庫技 術，使用HTML5、CSS3和JavaScript等前端開發工具，開發以橋梁項目為基本單位， 業務功能高度集成的安全信息管理系統。
4.1信息管理系統基本理論
4.1.1MIS 理論研究
1985年，GordonB?Davis創建信息管理系統，并且對系統給出了定義，即“信息管 理系統是一個利用計算機軟硬件資源，手工作業，分析、計劃、控制和決策模型以及數 據庫人－機系統”[61]。
所謂MIS(信息管理系統--Management Information System)[62-63]，主要指對的各領域 信息管理操作的系統。信息管理系統主要對數據和信息進行記錄和處理。 MIS 系統可以 用于橋梁安全信息管理和養護決策的執行，篩選出橋梁存在安全隱患的構件和結構，并 將信息及時反饋給上層管理人員，使他們可以及時了解橋梁目前所處的運營狀態。換而 言之,橋梁運維階段MIS系統的最終目的是實現橋梁項目數據共享和安全信息的及時掌 控。
隨著網絡技術和計算機技術的快速發展，基于Web的MIS系統，彌補了傳統信息 管理系統的不足；從功能和存儲等多個角度出發，對傳統信息管理系統進行了擴展，改 善了系統的操作性，同時也降低了對硬件配置的要求。系統采用分級模型進行管理，既 可以為管理層提供信息決策，也可以用于普通用戶對系統數據的完善。通過用戶名和手 機號碼驗證兩種方式進行登錄，對相應用戶進行權限控制，系統實現了對數據的瀏覽、 查詢、修改和審閱等多項功能，具體功能如下：
(1)信息的收集和輸入；
(2)信息的存貯；
(3)數據處理功能；
(4)預測功能；
(5)評估功能；
(6)輔助決策功能。
4.1.2信息管理系統開發
4.1.2.1信息管理系統的開發原則
(1)創新原則：隨著計算機技術的迅速發展，管理系統自身要與行業領域的技術水 平相匹配，因此系統要具有較高的創新性。
(2)完整原則：橋梁安全信息管理系統為設計、建造、檢測和養護等多個環節彼此 銜接的網絡前端平臺，系統應該實現多個部門和多個時期的協同管理；因此，為了給不 同部門之間提供一個高效的數據共享系統，系統本身應具有較高的完整性。
(3)更新原則：隨著科技的不斷發展，需要信息工程師對系統的軟件和硬件持續進 行維護和更新，保證系統功能的正常使用。就橋梁安全信息管理系統而言，系統需要根 據當前階段的養護計劃及時更新數據，依據最新的檢測和養護技術進行功能的維護和開 發。簡而言之，就是系統在開發過程中應注重持續發展和超前預判意識。
(4)經濟原則：系統開發應該根據具體需求對硬件和軟件要求進行評估，避免過度 開發的情況發生，造成經濟浪費。系統要體現適用性和實用性，依據當前的技術水平和 數據容量等多項參數，開發與橋梁養護技術水平相匹配的橋梁安全信息管理系統。
4.1.2.2信息管理系統的開發流程
基于BIM的橋梁安全信息管理系統分四個階段進行開發，具體開發流程如下：
(1)規劃階段 規劃階段也可以理解為準備階段。信息管理系統開發過程是一個極其復雜的過程，
是一個跨行業、跨領域開發管理系統的過程，既需要多方技術人員對接，又需要開發人 員對系統做好規劃，結合橋梁養護管理工作的特點，進行系統功能和權限的開發。
(2)分析階段 分析階段主要是針對系統功能模塊進行研究；即解決橋梁安全信息管理系統“做什
么”的問題。分析階段任務量較大，主要包括業主需求調查、技術流程分析、數據庫分 析、現有系統的功能調查和可行性方案書寫等多項任務。
(3)設計階段 設計階段也就是開發階段。設計階段主要包括總體設計和細部設計兩項任務；總體
設計主要是對系統框架進行設計，包括系統模塊布局以及模塊與模塊之間的邏輯關系設 計。細部設計是在總體設計的基礎之上進行具體功能的開發和編程，具體包括數據庫設 計、網絡框架設計、網頁設計、布局設計和功能開發等。
(4)實施與維護階段 實施階段主要包括系統調試和人員對接兩項任務，系統調試指在系統試運行期間對
系統存在的錯誤和不適用部分進行修改和完善；人員對接就是對于系統的使用方法，開 發人員需要對系統使用人員進行相關培訓。在維護階段，開發人員需要對系統的軟件和 硬件設備進行更新換代和持續性維護。
4.1.2.3管理系統的開發方法 目前信息管理系統開發方法有瀑布模型法和快速原型法兩種，兩種方法具體如下：
(1)瀑布模型法 瀑布模型法，主要用于結構設計分析和結構程序設計。采用瀑布模型法開發系統的
工作過程需要嚴格按照一定的順序進行，自上而下，從抽象到具體，每一個階段彼此之 間有較強依存關系。
(2)快速原型法 快速原型法，也稱為面向對象方法，是一個逆向開發的過程。快速原型法是根據用
戶需求快速構件一個軟件原型，軟件原型可以向客戶展示系統的部分功能和軟件布局； 如此，就可以避免因盲目開發而導致的重復性開發，做到了真正的按需開發。
對于橋梁安全信息管理系統開發而言，使用瀑布模型法和快速原型法結合的方式進 行開發。快速原型法用于構建系統原型，驗證是否適用于橋梁安全信息管理工作；瀑布 模型法用于對橋梁運維階段的結構程序設計。
4.2橋梁安全信息管理系統架構
4.2.1系統需求分析
基于BIM的橋梁安全信息管理系統，運用BIM+Web信息化技術協助橋梁管理部門 開展橋梁養護和檢測工作，及時對橋梁不安全部位進行標記和加固，提高橋梁安全管理 效率，橋梁安全信息管理系統總體需求如圖 4.1 所示。
圖 4.1 橋梁安全信息管理系統總體需求
Fig. 4.1 Overall requirements of beam safety information management system
(1)橋梁檢測管理：橋梁檢測可以快速高效的對橋梁所處的技術狀態進行評定，確 定橋梁承載能力，保證橋梁的安全運營。同時，橋梁檢測的數據結果也是后期橋梁加固 和養護重要參考信息，橋梁安全信息的主要來源是檢測現場對橋梁構件病害的信息記錄； 現場病害的信息采集可以分為尋找、測量、標記、記錄和拍照五個步驟；“尋找”是指 病害查找工作，是橋梁外觀檢測中最重要的工作；“測量”是指測量病害的面積和長度 等信息；“標記”是指用有色筆對發現病害的信息和位置進行標記，為后期養護提供位 置參考；“記錄”是指將病害信息記錄到檢測記錄紙上；“拍照”是指對病害進行拍照。 目前，橋梁安全檢測的工作以室內和室外結合的方式進行，在室外進行病害的記錄和拍 照工作，在室內進行數據處理和報告編寫工作。因此，將病害信息以統一的格式輸入到 信息管理系統是安全信息管理系統能否成功運營的決定性因素，系統應預設不同分部結 構、不同橋跨的病害輸入端口，實現病害信息高效錄入。
(2)橋梁養護管理：系統應該具有養護信息歸類和匯總的功能，對橋梁安全進行高 效管理；橋梁養護管理主要包括養護數據管理、養護計劃管理和養護工程管理。運用 BIM 技術對養護信息進行模型化和可視化，這些信息主要包括日常巡查、維修加固和養 護工程進度等多項信息。
(3)數據處理：數據處理能力是一個系統運行水平的重要衡量標準。數據處理模塊 主要包括病害數據分析和橋梁技術狀態評定。病害數據分析是指依據病害的種類和損壞 程度對所在構件進行評分；橋梁技術狀態評定是根據城市橋梁養護規范和公路橋梁養護 規范對橋梁的分部結構、橋跨和整橋進行技術狀態評定。
(4)信息可視化表達：信息化表達是基于BIM的橋梁安全信息管理系統較傳統橋梁 管理系統最大的優勢。傳統管理系統的信息表達方式主要以二維圖紙和報告的形式來表 達病害面積和病害種類，信息傳送時間較長，圖紙繪制過程較為繁瑣，同時也不利用管 理人員對信息的快速掌握。基于BIM的橋梁安全信息管理系統應通過三維病害信息模 型對病害位置進行精細化展示，并且根據數據處理結果對橋梁不同構件和橋跨以不同的 顏色進行標記，對橋梁的技術狀態進行直觀表達。
4.2.2網絡架構設計
橋梁安全信息管理系統基于Web技術進行開發，基于Web的管理系統技術與傳統 的管理系統技術有相似之處也有區別之處，相似之處在于信息管理系統的開發技術，區 別之處也在于開發技術。
目前，C/S(Client/Server客戶端/服務器)、B/S(Browser/Server 瀏覽器/服務器)是 主流的兩種網絡架構［64］。傳統的信息管理系統以C/S網絡架構為主，而基于Web的信 息管理系統則采用B/S網絡架構；B/S架構較C/S架構具有較強的優越性，C/S網絡架 構采用客戶端與服務器直接連接的方式進行數據傳輸，系統對用戶數量和操作環境有嚴
格的要求，不利用多用戶在不同的地方同一時間操作系統，空間局限性較大， C/S 網絡 架構的連接方式如圖4.2所示。B/S架構采用瀏覽器與服務器間接連接的方式進行數據 傳輸，既對用戶數量沒有限制，同時對操作環境也要求較低，操作者只需要在有互聯網 的地方就可以登錄系統，這意味著操作者的活動空間具有極大的靈活性［65-67］。B/S架構 是一種新的網絡架構，這種架構最大優點就是對PC端配置要求較低，只需要基于普通 電腦的瀏覽器即可實現管理系統的訪問，B/S網絡架構的連接方式如圖4.3所示。
用戶端 用戶端 用戶端 用戶端
圖4.2C/S網絡架構圖
Fig. 4.2 C/S network architecture
用戶端 用戶端 用戶端 用戶端
圖 4.3 B/S 網絡架構圖
Fig. 4.3 B/S network architecture
隨著互聯網技術的不斷發展，B/S網絡架構的優勢逐漸體現出來，對用戶端的硬件 設備配置要求較低，一是因為 B/S 架構通過瀏覽器即可實現系統相關功能的使用，二是 B/S架構的數據處理過程集中在服務器，而客戶的PC端僅僅起到了顯示數據結果的功 能［68-69］。隨著移動網絡的發展，B/S架構也為系統在移動端的使用開辟了數據傳輸渠道。
就BIM技術的角度分析，BIM模型的應用需要脫離繪制軟件，加載到管理系統。 為了實現BIM模型在管理平臺的查看，需要建立強大的BIM模型服務器，從而實現BIM
模型在管理系統里成功運行。隨著HTML5的發布，開發人員運用WebGL技術和Web 技術，借助系統顯卡成功將 3D 場景和模型加載到了瀏覽器里［70-74］，實現了模型的輕量 化顯示。因此，在B/S架構的支持下，為BIM入駐Web端提供了渠道，實現了 BIM信 息模型在瀏覽器的瀏覽和查看。
因此，結合橋梁安全信息管理系統的實際應用需求、B/S架構的技術優勢以及BIM 技術的發展綜合考慮，橋梁安全信息管理系統采用B/S網絡架構。
4.2.3技術框架設計
橋梁安全信息管理系統的開發，以信息管理為基本要求，以信息技術開發為方法， 以橋梁專業知識為基礎，需要綜合多個學科的知識。同時，信息管理系統的開發工作也 牽涉了多項技術，包括前端開發技術、數據庫技術和橋梁檢測養護技術等。
以橋梁專業的角度來看，系統的技術框架構建時，框架組成主要包括輸入層、數據 層、模型層和應用層四個模塊。
(1)輸入層主要用于橋梁項目信息的輸入，補充和完善系統數據庫中與橋梁相關的 安全信息；安全信息主要包括橋梁基本信息、病害信息和養護檢測記錄等。
(2)數據層主要對輸入的信息進行歸檔與儲存，包括橋梁模型的幾何信息、橋梁檢 測數據、橋梁評定數據和各類統計信息。
(3)模型層主要用于橋梁的信息模型、病害模型和試驗測點模型等的運行和儲存； 此模塊的存在，也是基于BIM的橋梁安全信息管理系統和傳統橋梁養護管理系統的重 要區別之一，系統基于BIM模型的信息可視化特點，對橋梁安全信息進行操作和展示。 模型層主要包括橋梁構件族庫、病害庫和一系列三維信息模型；系統通過對模型層的信 息模型調用來實現病害信息、病害位置和技術狀態可視化等多項功能。
(4)應用層是和用戶直接進行人機交互的模塊，此模塊主要用于實現用戶對于橋梁 信息管理工作的各種功能。應用層主要功能包括橋梁信息管理、檢查評定、維修加固管 理和信息可視化等。
綜上可得，為了確保管理系統的各項功能正常運行，需要將數據層中的檢查數據、 評定信息和模型層中相應構件模型彼此關聯；但是，此功能的實現需要應用層將命令賦 予到模型層。因此，應用層本質是功能層，卻是數據層和模型層之間中重要紐帶，系統 各模塊之間的具體聯系如圖 4.4所示，系統依托橋梁檢測和養護技術流程進行設計，橋 梁安全信息數據源主要包括橋梁靜態數據和動態數據。系統對橋梁檢測數據分析處理之 后進行歸檔分類，以便管理員和用戶對橋梁相關信息的查詢和查看。
4.2.4功能架構設計
管理系統的開發選用BIM+Web的B/S架構模式，通過BIM輕量化引擎對由Revit繪 制的橋梁項目文件進行輕量化處理之后，放到Web端的網絡頁面對橋梁模型進行展示 和運行。根據系統需求分析，運用HTML5、CSS3和JavaScript等工具基于輕量化模型 數據包進行各項功能的開發，完成Web前端多個網絡頁面的建立和鏈接I75-76】，最終建立 完整的系統功能架構體系，系統功能框架結構如圖 4.5 所示。
圖 4.5 系統功能框架結構
Fig. 4.5 System function framework structure
橋梁安全信息管理系統數據量較大且種類較多，系統主要以公路橋梁和城市橋梁為 主要研究對象，以鐵路橋梁、人行橋和其他形式的橋梁為次要研究對像；選取相應的橋 梁健康檢測數據，基于 BIM 技術和數據庫技術，對橋梁的病害信息和檢測數據等相關 信息進行歸檔保存。數據再結合已輕量化處理的BIM數據包鏈接至應用層的相應的功 能按鈕，最終實橋梁安全信息的可視化展示。管理員和用戶可以在已安裝瀏覽器的網絡 終端上，隨時隨地訪問信息管理系統，直觀的了解橋梁健康狀況。
系統以檢測數據、評定數據和養護信息為基礎數據，為橋梁管理工作提供信息查詢 和數據檔案庫功能，并可以根據預設的簡單算法及橋梁種類提供橋梁健康評估和技術狀 態可視化功能；系統可以對橋梁信息進行綜合管理，為業主提供了養護建議，為專業人 士評估橋梁安全狀態提供了依據。
4.3橋梁安全信息管理系統
4.3.1系統權限管理
BIM+Web橋梁安全信息管理系統，基于RBAC(Role-Based Access Contro 1)模型進行 用戶權限設置。在RBAC中，權限與角色相關聯，用戶通過扮演不同的角色來獲得相應 的權限，此方式極大地簡化了權限管理的流程［77-80］。權限管理的層級之間是互相依賴的， 不同的權限只能夠賦予給相應的角色，而角色又把相應的權限賦予角色的扮演者，即用 戶，這樣權限的賦予流程就十分清晰，為系統權限分配提供管理模型。
圖 4.6 RBAC0 權限管理框架圖
Fig. 4.6 RBAC0 permission management framework
RBAC認為授權的本質就是“主體”對“客體”的操作。RBAC模型包括RBAC0、 RBAC1、 RBAC2 和 RBAC3 四種權限控制模型，橋梁安全信息管理系統采用最簡單的、 最基本的權限管理模型RBACOo RBAC0模型是RBAC的核心，其中包括用戶(User)、 角色(Role)和許可權(Pemission)三類實體集合［81-84］,權限管理框架如圖4.6所示。
系統管理員是整個系統的架構師，擁有系統最多的權限，無需再對角色進行權限分 配，即可以直接對數據和功能配置進行修改。對于基于BIM的橋梁安全信息管理系統, 各參與單位因在橋梁養護過程中擔任著不同的任務，對系統權限的需求也不同；在權限 獲取的過程中，系統對用戶賦予不同的角色來獲取相應的權限，一個角色可以賦予多個 權限，同時一項權限也可以被多個角色擁有。當然，對于同一個單位里的權限需要對角 色進行分層管理，以區別用戶之間的不同等級，實現上級用戶對下級用戶的數據與功能 配置的設置與修改。
在系統權限管理功能開發的過程中，分系統登錄和權限分配兩部分進行編程。系統 登錄包括用戶名設置、密碼設置和登錄記錄等；權限分配包括角色添加、權限分配、屬 性編輯和用戶管理等。登錄系統的構建使用HTML5、CSS3和JavaScript等開發工具實 現，用戶可以通過手機獲取驗證碼的方式進行登錄，也可以通過輸入用戶名和密碼請求 身份驗證的方式進行登錄，系統登錄界面開發詳見圖 4.7。
for= &xgnup-username (input eXass=~full-wi<lth has-p«tiding h»a-border" id«"signin-B pl«c« holdir="諸輸入 戶 £ ">
<span class="cd-error-message">脹戶幺ifiM</span>
登錄系統開發部分代碼如下：
系統截面標題：
<hl class="title"> 基于<span style="color: grey;">BIM</span>的橋梁安全信息管理 系統</h1>
登錄方式分類：
<ul class="cd-switcher">
<1i><a href="#0" c1ass="se1ected">賬號密碼登錄</a></1i>
<1i><a href=" #0"> 驗證碼登錄 </a></1i>
</u1>
用戶名和密碼輸入：
<p c1ass="fie1dset">
<1abe1 c1ass="image-rep1ace cd-username" for="signup-username">賬戶名 </1abe1> <input c1ass="fu11-width has-padding has-border" id="signin-emai1" type="phone" p1aceho1der="請輸入賬戶名">
<span c1ass="cd-error-message">賬戶 名錯誤</span>
</p>
<p c1ass="fie1dset">
<1abe1 c1ass="image-rep1ace cd-password" for="signup-password">密碼</1abe1> <input c1ass="fu11-width has-padding has-border" id="signup-password"type= "password" p1aceho1der="請輸入密碼"〉
<span c1ass="cd-error-message">格式錯誤!</span>
<a sty1e="
disp1ay： in1ine-b1ock;
position： abso1ute;
right： 0px;
cursor：pointer;
bottom： -22px;
font-size： 14px;
co1or： #3277fc;"> 忘記密碼?</a>
</p>
密碼驗證：
if($('#signin-emai1').va1()=='賬戶名'&& $('#signup-password').va1()=="密碼")
{ a1ert("登錄成功");window.1ocation.href= "g1mb/index.htm1"}
e1se
{ a1ert("賬號或密碼錯誤")}
4.3.2橋梁模型管理
(1)BIM 模型輕量化
橋梁BIM模型是集設計、建設與養護全生命周期信息的載體，旨在實現多階段的 信息交互與共享。因橋梁結構復雜和構件數量之多，模型占用空間較大，不易被 Web 平臺調用。Web平臺基于BIM模型輕量化引擎建立，解決了計算機不易加載和顯示大 體量模型的問題；BIM輕量化引擎對模型壓縮處理，縮減模型文件的大小，再通過集成 JavaScript組件庫完成BIM模型網頁顯示和相關功能的開發。目前，市場上輕量化引擎 較多，多需要付費使用，在系統使用過程中可以與相應的輕量化平臺建立合作關系。此 處以某輕量化引擎為例， BIM 輕量化模型在網頁上的顯示如圖 4.8 所示。
(2)圖紙與模型管理
隨著橋梁規模的不斷擴大，不僅增加了養護工作的工作量，更增大橋梁安全數據的 管理難度；尤其是隨著橋梁使用年限的不斷增加，其中查詢、存儲和流轉都會花費大量 的時間和精力。
管理系統利用數據庫技術，并以橋梁BIM模型作主要的信息傳遞媒介，基于應用 層的功能按鈕，為數據層和模型層建立信息傳輸紐帶，實現了多個橋梁管理部門之間信 息的高效傳遞，消除了管理部門之間因技術問題帶來的溝通障礙。同時，利用數據庫技 術也為橋梁養護數據提供了巨大的儲存空間，養護參與人員與管理人員可以通過獲取不 同的角色來獲取調用相應數據的權限，也進一步優化了多方之間的溝通方式和信息傳遞 方式，提高了橋梁安全信息管理的工作效率，圖紙與模型管理的功能結構設計如圖4.9 所示。
圖 4.9 系統圖檔管理的功能結構圖
Fig. 4.9 Functional structure diagram of system drawing file management
圖紙與模型調用的部分代碼如下： 一級按鈕創建：
<li class="nav-item" role="presentation">
<a class="nav-link active" id="pills-home-tab" data-toggle="pill" href="#pills-home" role="tab"aria-controls="pills-home" aria-selected="true">全橋</a>
</li>
<li class="nav-item" role="presentation">
<a class="nav-link" id="pills-profile-tab" data-toggle="pill" href="#pills-profile" role="tab"aria-controls="pills-profile" aria-selected="false">單跨</a>
</li>
二級按鈕創建及圖紙調用：
上部結構：
</li>
<li class="page-item active"><a class="page-link" href="#">第 1 跨</a></li>
<span aria-hidden="true">»</span></a>
</li>
<div class="picbox">
<img src="images/1-1#Tliang1-2.png" alt="">
</div>
下部結構：
</li>
<li class="page-item active"><a class="page-link" href="#">1</a>
</1i>
<span aria-hidden="true">»</span></a>
</1i>
<div c1ass="picbox">
<img src="images/1-1#qiaodunzhengshitu1-1.png" a1t="">
</div>
4.3.3安全信息管理系統
基于BIM的橋梁安全信息管理系統以信息可視化為出發點，以BIM模型為信息載 體，以權限管理RBAC0模型、BIM模型輕量化引擎和數據庫技術為支撐架構，集成系 統登錄、信息可視化、模型管理與信息管理等功能模塊。對于參與橋梁全生命周期運營 的相關單位，如建設、設計、施工、檢測和養護等多家單位，均可以在Web端實現橋 梁的信息查詢、數據分析以及數據處理等多項功能的使用，橋梁安全信息管理系統總體 框架如圖4.10所示。
養護
運營
橋梁安全信息管理平臺
■*權限管理
信息管理
養護技術
檢測技術
圖 4.10 橋梁協同化信息管理系統總體框架圖
Fig. 4.10 Overa11 framework of bridge co11aborative information management system
系統以信息協同化和可視化為特點，結合BIM技術、Web技術、檢測技術與養護 技術等對運維階段的橋梁進行智能管理。系統主界面為整個系統的回歸頁面，由功能樹 狀列表和顯示部分組成，其中功能列表包括管理對象、檢測與評定、橋梁養護和信息可 視化四個功能模塊組成，系統主頁界面如圖 4.11所示。
主頁功能開發的部分代碼如下：
創建主頁 LOGO：
<div class="page" id="app">
<div class="nav-left" v-show="navLeftFlag" ref="navLeft">
<div class="LogoName">橋梁信息管理 </div></div></div> 創建一級菜單和二級菜單
<div class="navDiv">
<!-- <div class="navName">導航</div> -->
<div class="nav-list">
<ul>
<li class="nav-tab a_active waves-effect">
<a href="html/home.html" class="li-a active" target="iframe"><i class='bx bx-home-smile'></i> 主 頁 <!-- <span class="badge badge-pill badge-primary float-right">3</span> --> </a></li>
<!-- <li class="nav-tab">
<a href="#" class="li-a"><i class='bx bx-home-smile'></i> 橋梁項目</a></li> -->
<li class="nav-tab nav-ul">
<a href="javascript:void[0]" class="li-a" target="iframe"><i class='bx bx-layer'></i> 管 理對象<i class='bx bx-chevron-right' style="float: right;"></i></a>
<div class="nav-box">
<a href="html/biaoge/index.html"class="li-a-a" target="iframe">城市橋梁</a>
<a href="html/biaoge/index1.html"class="li-a-a" target="iframe">公路橋梁</a> <a href="html/biaoge/index2.html"class="li-a-a" target="iframe">鐵路橋梁</a> <a href="html/biaoge/index3.html"class="li-a-a" target="iframe">人行橋</a> </div></li>
<li class="nav-tab nav-ul">
<a href="javascript:void[0]" class="li-a"><i class='bx bx-cog'></i> 檢測與評定
<i class='bx bx-chevron-right' style="float: right;"></i></a>
<div class="nav-box">
<a href="html/jiance.html" class="li-a-a" target="iframe">橋梁檢測</a>
<a href="html/pingding.html" class="li-a-a" target="iframe">評定與評估</a> </div></li>
<li class="nav-tab nav-ul">
<a href="javascript:void[0]" class="li-a"><i class='bx bx-buildings'></i> 運維與養護
<i class='bx bx-chevron-right' style="float: right;"></i></a>
<div class="nav-box">
<a href="html/yunwei.html" class="li-a-a" target="iframe">橋梁運維</a>
<a href="html/yanghu.html" class="li-a-a" target="iframe">橋梁養護</a> </div></li>
<li class="nav-tab nav-ul">
<a href="javascript:void[0]" class="li-a"><i class='bx bx-edit'></i> 信息可視化
<i class='bx bx-chevron-right' style="float: right;"></i></a>
<div class="nav-box">
<a href="html/qinglinaghua.html" class="li-a-a" target="iframe">BIM 輕量化</a>
<a href="html/shigong.html" class="li-a-a" target="iframe">施工動畫</a> <a href="html/jingguan.html" class="li-a-a" target="iframe">景觀渲染</a> </div></li></ul>
4.4本章小結
本章的主要研究內容及結論如下：
(1)對信息管理系統理論進行了闡述，并對基于Web的MIS系統較傳統信息管理系 統的優點進行了總結；同時確定了系統的開發原則、開發步驟和開發方法，開發原則包 括創新原則、完整原則、更新原則和經濟原則；開發步驟包括規劃、分析、設計和實行 維護四個階段；系統采用了瀑布模型法和快速原型法結合的開發方法。
(2)依據系統需求分析，對橋梁安全信息管理系統的網絡架構、技術框架和功能架 構進行了設計，網絡架構采用 B/S 架構， B/S 架構采用瀏覽器與服務器間接連接的方式 進行數據傳輸，有較強的操作靈活性和環境適用性；系統的技術框架包括輸入層、數據 層、模型層和應用層四個模塊；系統以檢測數據、評定數據和養護信息為基礎數據，設 計了包含信息查詢、數據檔案庫功能、橋梁健康評估和技術狀態評定等多項功能的架構 體系。
(3)基于 RBAC0 權限管理模型和數據庫技術，使用 HTML5、 CSS3 和 JavaScript 等開發工具，成功開發了一個以橋梁項目為基本單位、業務功能高度集成的橋梁安全信 息管理系統。
5橋梁信息管理系統在工程上的應用
為了驗證管理系統在實際工程中的應用效果，以國內某鋼管混凝土拱橋為工程背景， 探索基于BIM的橋梁安全信息管理系統在工程中的具體應用。
本章首先對鋼管混凝土拱橋地形和各分部結構的參數族進行建立，并搭建完整的橋 梁 BIM 信息模型和系統后臺數據庫。最后對管理系統的實驗測點模擬、病害信息上傳、 病害位置三維可視化、橋梁技術狀態可視化和橋梁歷史信息查看等多項功能進行具體應 用。
5.1項目背景
以國內某鋼管混凝土拱橋為工程背景，該橋建于 2010 年6 月，橋梁總長度為 820m， 跨徑布置為6x20m+220m+12x40m,雙向六車道，6x20m預應力混凝土箱梁+l-220m中 承式鋼管混凝土拱橋+12x40m預應力混凝土 T梁。主拱構造形式為變截面懸鏈線鋼管, 拱肋最大高度為3.5m,位于拱頂處，最小值為2.5m,位于拱腳處；計算跨徑L=210m, 計算矢高f=60m, f/L=1/3.5,橋墩基礎采用灌注樁基礎，橋臺采用擴大基礎。
南端引橋的上部稱重結構為預應力T梁，梁高2.5m；北端引橋的上部稱重結構為 預應力混凝土箱梁，梁高1.8m。主橋橋型如圖5.1所示，全橋渲染圖如圖5.2所示。
圖 5.1 全橋橋型布置圖
Fig. 5.1 Layout of the whole bridge
橋梁跨度較大,結構復雜,在養護管理階段會遇見較多困難,安全信息收集難度增 大；該大橋在建成投入使用后,運維管理階段主要面臨以下幾個問題：
(1)橋梁結構的復雜性。主橋為中承式鋼管混凝土拱橋,引橋結構不一致,主拱的 構件數量較多,施工工藝復雜。從設計到施工再到養護,數據量巨大,如果不能合理對 資料和數據進行歸檔分類和信息化管理,會給橋梁管理工作帶來較大的困難；
(2)參與方較多。橋梁工程量較大,參與項目的施工和設計單位較多,不利于靜態 數據的統一管理。除此之外,政府部門、管理部門和業主單位也會就加入到橋梁的養護 管理中來,以不同的角色參與到橋梁養護管理過程中。在橋梁管養過程中,管理決策和
養護計劃需要由多個參與方共同商議決定，因此多單位多部門之間的工作協同和信息交
流變得尤為的重要，單位之間如存在資料和數據共享障礙，就影響橋梁結構的維修進程， 不利于橋梁安全的有效管理。因此，在橋梁運營維護階段，信息傳遞和數據共享必然是 多層次多方向的，必定會面臨較多的麻煩與困難。
(a) 主視角渲染圖
(b) 側視角渲染圖 圖 5.2 全橋景觀渲染圖
Fig. 5.2 Rendering of the whole bridge landscape
以上在橋梁養護階段面臨的問題，基于BIM的橋梁安全信息管理系統，可以實現 橋梁相關信息的可視化和參數化，為大橋的安全管理工作提供有效的信息共享渠道，具 體有如下三方面：
(1)橋梁BIM模型，基于設計信息建立而成，同時又對橋梁設計信息進行高效反饋 和可視化展示；對于施工而言， BIM 模型可以對施工過程進行動畫模擬和碰撞檢查［85］。 對于橋梁運維階段，BIM模型作為各類養護信息的承載體，為實現橋梁安全信息可視化 提供了渠道。
(2)BIM技術可以構建橋梁病害信息模型，實現病害信息與橋梁構件模型的融合， 對橋梁結構中病害信息和試驗數據進行直觀、高效的表達。同時,在橋梁安全評估階段, 又可以根據具體橋梁的技術狀態對不同橋跨和不同構件進行不同顏色的定義，實現全橋 健康狀態的直觀展示。
(3)BIM技術與橋梁信息管理平臺結合，實現了橋梁信息可視化系統的建立，提高 了不同部門和不同單位之間的數據共享效率，提升了橋梁安全管理工作的效率，以及部 門之間的工作協同性。
5.2橋梁可視化模型
5.2.1地形信息模型
在地形數據采集的過程中，多數存在儀器誤差和偶然誤差，所以需要對地形數據在 Civil -3D中進行錯誤高程點篩查［86］。Civil -3D提供了剔除錯誤高程點的功能，但適用于 起伏不大的地形，因為剔除功能的實現是基于高程點范圍設置來實現的，例如地形的高 程位于30m到80m之間，系統可以對30m?80m范圍之外的高程點進行刪除。在點高 程差別不明顯的時候，可以通過提取等高線的方式創建三維地形曲面；然后調整曲面樣 式，生成曲面點和等高線，等高線特別密集地方高程變化較大，存在異常點的概率較大， 人為查找異常高程點；最后通過編輯曲面，將高程異常點進行刪除。通過曲面查看器可 以對曲面整體查看，對數據缺失較多部分，可以采用自然臨近內插法對地形圖進行補充 完善，確保橋梁地形的平滑性，地形建立流程如圖 5.3 所示；最終形成的三維信息地形 模型如圖 5.4 所示。
在地形導入到Revit項目文件之前，需要從在Civil-3D里創建好的地形圖里提取等 高線地形圖，并以.dwg格式進行導出。以鏈接的形式，將地形圖導入到橋梁項目中，然 后以體量與場地的方式進行地形模型創建，并刪除原始等高線。為了方便橋梁模型與地 形模型的精確結合，需要對地形模型進行相對坐標系和正北方向設置。在平面視圖里進 行基點定位和橋梁走向的確定，確保地形圖基點與橋梁模型基點精確重合，最終在Revit 中生成的地形如圖 5.5 所示。
圖 5.5 Revit 中生成的地形圖
Fig. 5.5 Topographic map generated in Revit
5.2.2上部結構模型
借助Revit族的強大功能，對橋梁不同構件族進行參數化建立。本項目中的主要橋 梁構件包括主梁、主拱圈、連接構件、橋墩、橋臺、基礎和附屬設施等。
5.2.2.1主拱圈
主拱圈是主橋的重要稱重結構，主拱圈建模過程與橋梁施工方法相結合，根據設計 組件的圖紙進行建模。
主拱圈構件模型的構建，主要由三方面控制：截面形狀、拱軸線和拱肋高程。上、 下弦管的結構尺寸均為①750X20；平聯管的結構尺寸為①550X12；拱鉸處和斜腹桿的 結構尺寸為①450X28；豎桿和直腹桿的結構尺寸為①500X12,其余腹桿的結構尺寸均 為①450X12,具體二維圖紙信息如下圖5.6所示。
圖 5.6 主拱圈構件二維平面視圖
Fig. 5.6 Two dimensional plan view of main arch ring components
主拱圈拱肋的連接構件數量和種類眾多，同時，拱肋結構還存在復雜的橫縱坡和走 向。為了簡化主拱圈BIM模型和病害信息模型，讓建模過程有序高效的進行，依據橋 梁設計資料和施工技術，對主拱圈拆分為8個部分依次建模，主要以放樣和拉伸的方法 對主拱圈參數族進行建立，最后通過對稱拼裝的方法完成模型的建立，具體可視化模型 如圖5.7所示，拱肋和平聯管連接的模型如圖5.8所示。
(a) 平聯管三維模型圖 (b) 拱肋三維模型圖 (c) 平聯管三維模型圖
圖 5.7 主拱肋與平聯管三維模型圖
Fig. 5.7 Three dimensional model of main arch rib and horizontal coupling pipe
圖 5.8 主拱肋與平聯管連接模型圖
Fig. 5.8 Connection model diagram of main arch rib and horizontal pipe
為了保證模型的完整性和病害信息模型的準確性，主拱圈合攏段作為重要的連接構 件，建模過程較為復雜。主拱肋節段拼裝接頭的二維圖紙如圖 5.9 所示。拼接過程，先 通過內襯管定位，然后通過螺栓進行連接，最后調節拱軸線，進行法蘭盤和套管的焊接。 法蘭盤尺寸應精確，以確保模型可以準確拼裝到一起。通過對連接接頭細部構件一一建 立，統一組裝，完成連接接頭的三維模型建立，實體模型如圖 5.10 所示，渲染模型如圖 5.11 所示。
圖 5.9 連接接頭的二維結構示意圖
Fig. 5.9 Two dimensional structural diagram of assembled joint
(a) 連接接頭的三維線框模型
(b) 拼裝接頭的三維實體模型 圖 5.10 連接接頭的三維結構示意圖
Fig. 5.10 Three dimensional structure diagram of assembled joint
圖 5.11 連接接頭的三維渲染圖
Fig. 5.11 3D rendering of assembled joint
5.2.2.2主梁
以引橋的梁體結構為研究對象，共有20m預應力混凝土箱梁和40m預應力混凝土 T梁兩種形式，以預應力T梁為例，對梁體建模原理和過程進行描述。根據圖紙繪制標 準梁段參數輪廓族，并載入到T梁族文件中進行參數關聯，然后進行濕接縫和橫隔板等 參數族的創建。最后，將梁體參數族載入到上部結構的項目文件中，建立上部結構標高 并進行梁體拼接，形成完整的橋梁上部結構。
圖 5.12T 梁的參數化建模
Fig. 5.12 Parametric modeling of T-beam
梁體參數族建立的具體流程如下：
(1)對梁體構件進行 EBS 編碼；
(2)新建參數輪廓族，創建 T 梁截面輪廓；
(3)創建T梁參數族，在輪廓族的基礎上以放樣的方式進行參數族建立，并且進行 相應參數的關聯和梁體長度參數的定義，如下圖 5.12所示；
(4)新建公制結構框架族，創建橫隔板、濕接縫帶等參數化族；
(5)在統一的標高上放置各構件，形成完整的上部結構，如圖 5.13 所示；
(6)最后在項目文件里，完成上部結構鋼筋的配置。
圖 5.13 T 梁上部結構模型
Fig. 5.13 T-beam superstructure model
5.2.3下部結構模型 橋梁的下部結構包括橋墩、橋臺、蓋梁和基礎等，對于橋臺和蓋梁建模而言，通過 建立輪廓參數族和關聯參數的方法，即可完成模型的建立。對于橋墩和鉆孔灌注樁而言， 由于其幾何輪廓較為簡單，無需建立參數輪廓族，直接建立構件參數族即可，最后通過 參數驅動完成樁基和墩柱模型的建立。
(a) 下部結構模型 (b) 下部結構的鋼筋模型
圖 5.14 引橋下部結構三維模型
Fig. 5.14 Three dimensional model of substructure of approach bridge
下部結構參數族建立的具體流程如下：
(1)根據圖紙了解下部結構幾何尺寸數據，方便模型建立；
(2)提取圖紙里樁基的坐標數據、標高、樁長，并進行構件 EBS 編碼；
(3)建立下部結構不同構件的參數族模型；
(4)畫出相應引橋的樁間系梁與柱間系梁，給予相應的 EBS 編碼；
(5)最后在項目文件里，完成下部結構的鋼筋配置，如圖 5.14 所示；
(6)完成相應擋塊、墊石、支座等參數族的建立，并組建下部結構模型。 下部結構模型建立完成之后，通過在上部結構項目文件里建立下部結構的標高和參 考平面，并將下部結構所有的構件載入到項目文件中進行組合，完成上下部三維組合模 型的建立，如圖 5.15 所示，為引橋一跨下部結構與上部結構三維組合模型。
圖 5.15 引橋的下部結構與上部結構組合模型
Fig. 5.15 Combined model of substructure and superstructure of approach bridge
5.2.4橋面系及附屬設施模型
(1)橋面系 人行道和行車道為橋面系的主要組成部分，主要構件有混凝土墊層、瀝青鋪裝層和 人行道板等。因為鋪裝層的設計會考慮橫縱坡以及豎向曲線的設計，故橋面系構件的建 模采用常規族樣板建模。首先建立路面橫斷面的輪廓族，通過放樣拉伸的方式完成鋪裝 層模型的建立；就橋面板而言，只需按照梁體建模的方式，完成構件與鋼筋模型的建立 即可。
(2)附屬設施 橋梁的附屬設施主要包括排水系統、照明設施和欄桿等。對于附屬設施建模，除防 撞墻以外，無需對其鋼筋模型進行建立，只需完成結構模型即可，整個過程較為簡單。 66
模型主要以放樣拉伸的方式完成建立，對于復雜的構件需要分不同模塊進行創建，在項 目中完成組裝即可。防撞墻、中央分隔帶的欄桿和人行道的欄桿模型如圖5.16所示。
(a) 防撞墻模型
(b) 中央分隔帶的欄桿模型
(c) 人行道的欄桿模型 圖 5.16 附屬設施三維模型
Fig. 5.16 Three dimensional model of auxiliary facilities
5.2.5全橋三維信息模型
在橋梁各分部結構模型全部建立完成之后，將所有的族構件加載到上下部組合結構 的項目文件中，進行參數設置和模型放置，拼接成全橋模型，主橋組裝過程如圖 5.17 所示。
圖 5.17 主橋拼接示意圖
Fig. 5.17 Main bridge splicing diagram
由于結構模型的準確性會直接影響到模型反饋信息的精確性，因此全橋模型按照 Revit 的定位系統完成拼接之后，需利用 Navisworks 平臺對全橋模型的對接位置進行碰 撞檢查，對于不符合設計和施工數據要求的位置，需要重新對接，保證模型的精度，碰 撞檢查結果如圖 5.18 所示。
(a) 人行道板與吊桿碰撞 (b) 主拱與梁體碰撞
圖 5.18 模型碰撞檢查
Fig. 5.18 Model collision inspection
在完成整橋結構模型建立之后，將三維地形信息模型以鏈接的方式載入到橋梁的項 目文件中，與橋梁結構模型進行組合。在項目中，地形模型相當于構件族，可以對地形 模型進行單獨編輯，也充分說明了建模軟件在操作上具有較強的靈活性，實現了地形信 息模型與橋梁結構模型的結合，橋梁+地形模型如圖 5.19 所示。
圖 5.19 全橋三維信息模型
Fig. 5.19 Three dimensional information model of the whole bridge
5.3橋梁安全信息管理系統應用
5.3.1橋梁信息管理內容
(1)結構信息管理
結構信息管理的本質就是為橋梁在施工和設計階段的信息建立一個數據檔案庫，方 便在橋梁運營階段，對橋梁相關信息進行查詢。對橋梁運營之前的各種結構數據和圖紙 信息進行歸檔分類，提升后期檢測和管養工作的效率。
(2)檢測信息管理
橋梁檢測信息管理一般分為兩個階段，第一階段是現場檢測信息的錄入與整理，第 二階段是基于檢測數據對橋梁的技術狀態進行評估。
(3)養護信息管理
養護信息管理主要針對橋梁健康信息、日常巡查信息和養護維修信息三個方面。橋 梁健康信息是指基于檢測數據得到的橋梁所處技術狀態信息。日常巡查信息包括橋梁巡 查記錄、交通量信息和對橋梁造成損壞的事故信息等。養護維修信息包含加固方案、招 投標信息、維修設計方案和養護工程驗收計劃等。
5.3.2橋梁信息管理流程
橋梁安全管理工作分為三步進行，第一步是對管理橋梁的設計信息和施工信息進行 整理、分類和歸檔，方便后期靜態信息的查詢，進一步提高橋梁安全管理工作的效率。 橋梁信息管理工作的第二步是對橋梁進行檢測和監測工作，及時發現橋梁的隱患部位， 進行養護加固。在對橋梁進行檢測工作之后，檢測單位應該第一時間對數據進行整理， 并且及時上傳到系統進行數據處理與分析，對橋梁技術狀態和承載能力進行評定，對需 要加固的構件給出維修意見；確保管理部門可以第一時間掌握橋梁最新的安全狀態和技 術狀態信息。橋梁信息管理工作的第三步是管理部門基于橋梁的安全信息下達橋梁維修 和養護任務。大橋的管理一般實行分級管理制度，各層級管理部門主要包括業主單位、
管理中心和養護單位，不同級的部門有著相應的管理領域。業主單位負責養護工作的最 終決策，管理中心負責執行業主單位的決策和計劃，養護單位最終負責執行橋梁維修工 作，工作管理流程如圖 5.20 所示。
5.3.3安全信息的上傳與查看
(1) 檢測試驗數據模擬 在橋梁運維階段的安全管理上，為了及時獲得橋梁最新的安全信息，需要定時對橋 梁進行檢測和監測。基于BIM技術，對檢測過程中試驗測點和試驗數據進行模擬，也 是管理平臺的一大亮點。就荷載試驗而言，在橋梁的結構信息模型的基礎上，通過BIM 平臺將試驗操作信息與結構模型結合，以動畫的形式記錄試驗過程，對試驗結果和試驗 測點位置進行模擬，并上傳至信息管理平臺，更有利于將檢測信息高效直觀地反饋給橋 梁管理部門，試驗撓度結果模擬如圖 5.21 所示，沖擊系數測點模擬如圖5.22所示。
圖 5.21 荷載試驗撓度結果模擬
Fig. 5.21 Simulation of deflection results of load test
圖 5.22 橋梁沖擊系數測點位置模擬圖
Fig. 5.22 Location of measuring points for bridge impact coefficient
(2) 病害信息的錄入
橋梁安全信息的錄入包括橋梁的項目信息和構件的病害信息。項目信息是指橋梁名 稱和結構類型等項目基本信息，構件病害信息指通過人工或儀器準確地記錄的病害數據。
對需要檢測橋梁，在檢測之前需要在平臺首頁對橋梁的基本信息進行輸入，如圖 5.23 所示，待檢測完成時，首先應選擇主菜單的檢測與評定欄，然后點選信息添加，就 可以在系統上完成病害信息上傳的操作。因為現場檢測會持續較長時間，因此系統將上 傳任務按結構不同分為不同級別的單元模塊，以橋跨為基本單元，以上部結構、下部結 構和橋面系(包含附屬設施)為三個子單元，上傳并審核每個構件的病害信息、照片信 息和模型信息，如圖 5.24 所示。
圖 5.23 橋梁項目基本信息上傳
Fig. 5.23 Upload of basic information of bridge project
圖 5.24 構件病害信息上傳
Fig. 5.24 Upload of component disease information
(3)病害信息查看
以拱橋橋面系病害數據為例，進行查詢和展示，如表5.1 所示，為拱橋主橋橋面的 原始數據。
表 5.1 拱橋橋面系部分病害原始數據
Table5.1 Original data of some diseases of arch bridge deck system
序號 構件名稱 位置 病害
1 左幅路面 1#伸縮縫前1.5m,距防撞墻4.3m 橫向裂縫3條,L總=2.8m, W=3.4mm
2 左幅路面 1#伸縮縫前2.3m，距防撞墻2.5m 縱向裂縫 1 條， L=1.2m， W=2.3mm
3 左側防撞墻 1#伸縮縫前3.3m，距地面0.7m 混凝土破損，S=0.23x0.03m2
4 伸縮縫 1#伸縮縫 伸縮縫堵塞
5 左幅路面 2#伸縮縫后2.8m,距防撞墻1.3m 坑槽 1 處，S=0.12x0.24m2
橋梁信息查看指在Web端對橋梁的相關數據進行查詢，主要包括需要檢查項目的 基本信息和病害信息。平臺將橋梁分為城市橋梁、公路橋梁等，先根據查詢橋梁屬性在 管理對象欄里選擇相應的欄目，最后以橋梁名稱方式進行查詢，就可以實現橋梁基本信 息的查詢，如圖 5.25 所示。
圖 5.25 橋梁基本信息查詢
Fig. 5.25 Basic information query of bridge
病害信息的查看，實質就是對錄入的病害信息進行調用與查看。用戶首先選擇主菜 單的“檢測與評定”欄，以搜索的方式找到指定橋梁之后，點選病害信息，即可查看此 橋相應構件的病害信息，如圖 5.26 所示。
圖 5.26 橋梁病害信息查詢
Fig. 5.26 Query of bridge disease information
病害位置查看的方式與病害信息相似，點擊病害信息欄后面的模型信息按鈕，或者 在檢測與評定的子菜單里直接選擇病害位置，即可實現病害信息模型的調用。平臺首先 對病害構件在橋梁的位置進行定位，之后對病害在構件的位置進行標識，最后才是對病 害模型和病害信息的展示，病害位置信息查看原理如圖 5.27 所示。
圖 5.27 病害位置信息查詢
Fig. 5.27 Query of disease location information
5.3.4橋梁技術狀況評定功能
橋梁安全信息管理系統基于技術框架對狀況評定功能進行設計，并在 Web 端完成 功能頁面的開發。對于公路橋梁和城市橋梁，系統分別基于JTGTH21-2011公路橋梁技 術狀況評定標準和CJJ 99-2017城市橋梁養護技術標準為評分依據，進行評分系統設計 和運算程序編譯，并且利用BIM技術的可視化特點對橋梁所處的技術狀態進行分級展 示。
系統內部設定兩套評分體系，第一套評分標準，適用于全橋結構形式一致的公路橋 梁，嚴格按照 2011 年公路橋梁技術評定標準要求，以分部結構為單位，依據不同構件 的扣分值DPij求得分部結構中每一個構件的得分值，選擇構件的得分值中的最低的分值 和平均分值，推算求得橋梁部件的技術狀況評分。分部結構是由多個橋梁部件組成，例 如橋梁的上部結構是由稱重結構、一般結構和支座等多種部件組成。因此分部結構的技 術狀況評分值是由內含部件分值按相應比例求和計算求得，上部結構評分計算流程如圖 5.28 所示。
圖 5.28 上部結構評分計算流程圖
Fig. 5.28 Flow chart of superstructure score calculation
分部結構包括上部結構、下部結構和橋面系(附屬設施包含于橋面系)。因此，橋梁
最終的技術狀態評分值按公式 5.1 求得。
Dr = BDCI XWD+ SPCI x WSP + SBCI x WSB (5.1)
式中：Dr—橋梁總體技術狀況評分，值域為0?100分；
BDCI—橋面系結構技術狀況評分；
SPCI—橋梁上部結構技術狀況評分；
SBCI—橋梁下部結構技術狀況評分；
Wd、Wsp、Wsb一分部結構在橋梁技術狀況評分所占比重系數。
對于城市橋梁與結構形式不一致的公路橋梁，則采用第二套評分標準。在第二套評 分標準中，橋面系按第一套評分標準計算，其他分部結構以跨為單元進行評分，進而求 得橋梁每一跨分部結構的技術狀態評分，分別取評分最小值作為全橋上部結構或者下部 結構的技術狀態評分，最后全橋的技術狀態評分仍按公式5.1計算求得。
基于系統在檢測評定模塊嵌入的評分計算算法，實現了橋梁結構根據輸入的病害扣 分值，即可自動計算構件的得分值。系統根據橋梁屬性設置不同的評分計算系統，再按 分部結構進行不同模塊的單獨計算，對每一類型構件所占的比例系數進行調整，最后進 行全橋的評分計算和承載能力的等級評定。
圖 5.29 系統可視化模塊劃分
Fig. 5.29 System visualization module division
為了實現橋梁技術狀態信息的可視化，系統設置了全橋、單跨、上部結構、下部結 構和橋面系五個模塊，根據構件和部件的評分結果賦予模型不同的顏色，實現了橋梁不 同級別的技術狀態直觀展示，如圖 5.29。就全橋模塊而言，以橋梁的橋跨為基本單位進 行技術狀態展示，如圖5.30所示。對于單跨模塊而言，以分部結構為基本單元，對橋梁 一跨的上部結構、下部結構和橋面系的技術狀態分別通過不同的顏色和透明度進行展示， 如圖 5.31 所示。
圖 5.30 跨級別的評分狀況示意圖
Fig. 5.30 Schematic diagram of cross level scoring
綜上所述，基于BIM的橋梁安全信息管理系統通過調節模型的顏色和透明度，對 全橋的技術狀態進行了全方位展示。同時，以這種方式，可以總結發現二維數據無法展 示的規律和不同橋跨技術狀態之間的聯系。
5.3.5橋梁歷史信息管理
基于BIM的橋梁安全信息管理系統，從另一個角度也可以理解為橋梁的檔案庫， 對橋梁的構件，檢測和養護信息進行儲存，歸檔和查詢。因此需要對每次檢測所得到的 病害信息和全橋的技術狀態信息進行及時儲存，對下一次檢測和養護有著極其重要的意 義。同時，在橋梁的日常管理工作中，系統可以快速高效的獲取技術狀態較差的構件和 橋跨的數據信息，并作為日常管養的重要關注對象，有效的節約了人工成本和時間成本。 因此，系統提供了對橋梁歷史數據查詢的功能，并與技術狀態可視化功能相關聯，通過 顏色的不同快速捕捉需要的橋梁安全信息，如圖 5.32 所示。
(a) 評定記錄系統截面上部分
虛1運維與養護 > 4 翼端.耳堵 0.03 100.0 1
0信息可觀化 > 5 錐坡.護坡 0.02 100.0 1
下瞬構 6 橋墩 0.33 87.7 95,9 1 2
7 橋臺 0.32 100.0 1
8 墩臺基礎 0.30 100.0 1
9 橋面鋪裝 0.53 772 4
W 伸縮縫裝魚 0.32 72,5 3
橋面系 11 欄桿、護欄 0.13 100.0 79.1 3 1
12 排水系8E 0.02 100.0 1
Dr-BDCIx0.2+SPCI«0.4+SBClM0.4= 84.1 2
全橋技術狀態可視化 點擊查看 單鹹林態可視化 點擊査看
(b) 評定記錄系統截面下部分 圖 5.32 橋梁安全信息的歷史記錄查詢 Fig. 5.32 Historical record query of bridge safety information
5.4本章小結
本章主要講述了基于BIM的橋梁安全信息管理系統在實際工程中的具體應用，詳 細內容如下：
(1)對鋼管混凝土拱橋的工程背景和主要構件尺寸進行了詳細介紹，基于Civil-3D 平臺創建了鋼管混凝土拱橋的地形信息模型，同時創建了橋梁上部結夠、下部結構、橋 面系和附屬結構各構件的參數族。
(2)通過地形模型鏈接技術和 Navisworks 模型精度檢查技術，調用構件庫和病害庫 相應的參數族，對構件模型進行組裝和融合，完成了全橋BIM信息模型和系統后臺數 據庫的搭建。
(3)成功建立了以鋼管混凝土拱橋為工程背景的信息管理系統，實現了實驗測點模 擬，病害信息上傳、病害位置可視化、橋梁技術狀態可視化和橋梁歷史信息查看等多項 功能；同時實現了 BIM技術在橋梁安全信息管理方面的應用，提高了橋梁安全信息管 理的效率。
6結論與展望
6.1 結論
橋梁作為交通運輸網絡的咽喉部位，是地區路網暢通的關鍵，也是一座城市的代表 性建筑和經濟發展程度的象征。隨著橋梁使用年限的增加，人們對橋梁安全管理工作的 重視程度也不斷提升，橋梁是否能夠安全健康的運營，關乎著我國經濟的穩步增長和人 民的生命財產安全。橋梁的安全運營則離不開檢測養護和安全管理，文章利用BIM技 術的可視化和信息集成化的特點，基于MIS管理系統理論和Web前端開發技術，開發 了橋梁安全信息管理系統，實現了橋梁病害信息的可視化，進一步提高橋梁安全管理的 水平和效率。本論文主要結論如下：
(1)通過對橋梁BIM信息模型的定義和模型相關參數的分析研究，總結了橋梁參數 族建立所需要的參數信息和橋梁構件模型參數化構建的具體方法，并基于EBS編碼標 準，針對橋梁構件族庫，提出了一套完整的編碼體系，同時對橋梁BIM模型的組建方 法和模型精度等級選擇進行了明確。
(2)依據IFC數據文件的數據結構和語法，創建了 T梁三維可視化模型的數據文件。 同時，提出了三維網格分散法，實現了病害輪廓坐標值向三維坐標點集的轉化，并將病 害模型精度由0.1mm提升至0.01mm；同時通過Brep多維曲面定義法，成功地創建了 病害表面和T梁病害信息模型；最后依據病害信息融合機制，建立了單一裂縫、交叉裂 縫和鋼筋銹的病害模型，成功組建了病害庫。并以T梁構件模型為例，通過調用病害庫 里的病害族，成功建立了關于裂縫和鋼筋銹蝕的T梁病害信息模型。
(3)通過對信息管理系統理論和基于Web的MIS系統的優點進行介紹，確定了系統 的開發原則、開發步驟和開發方法。同時基于系統需求分析，對橋梁安全信息管理系統 的網絡架構、技術框架和功能架構進行了設計。使用HTML5、CSS3和JavaScript等前 端開發工具，運用RBAC0權限管理模型和數據庫技術，開發了一個以橋梁項目為基本 單位，業務功能高度集成的橋梁安全信息管理系統。
(4)基于鋼管混凝土拱橋的工程背景和主要構件尺寸，創建了地形信息模型和各分 部結構構件的參數族，搭建了橋梁BIM信息模型和系統后臺數據庫，實現了基于BIM 的橋梁安全信息管理系統在實際工程中的具體應用。系統實現了橋梁實驗測點模擬、病 害信息上傳、病害位置三維可視化、橋梁技術狀態可視化和橋梁歷史信息查看等多項功 能，實現了運維階段橋梁安全的高效管理和病害信息的可視化，為橋梁管理工作提供了 新的智能管養方向。
6.2 創新點
(1)針對橋梁構件族庫，總結了一套完整EBS編碼體系。
(2)基于 IFC 數據文件的基本結構和語法，提出了三維網格分散法，實現了病害信 息與橋梁構件模型的融合。
(3)將BIM、病害信息融合、Web前端開發和檢測養護等多項技術的結合起來，成 功開發了基于BIM的橋梁安全信息管理系統。
6.3展望
近十幾年來， BIM 作為一種新興的三維可視化建模技術，已經逐漸普及到土木建筑 的各領域。就橋梁而言，橋梁從設計階段到施工階段，再到運營維護階段均涉及橋梁的 安全問題；通過利用BIM的可視化、可溯源的優勢，基于EBS編碼標準和IFC信息交 互標準，將 BIM 技術充分應用于各階段的橋梁安全評估中，輔助解決橋梁信息管理以 及橋梁檢測和養護問題，具有廣闊的應用前景。但BIM技術在橋梁管理養護系統上的 應用仍處于起步階段，成功應用的案例屈指可數，仍然存在諸多的不足問題，整理如下：
(1)BIM技術在橋梁領域沒有統一的行業標準，多以區域標準為主，不僅阻礙了 IFC 標準在橋梁領域的多維擴展，同時也為BIM模型與行業信息融合帶來了不便，不利于 BIM 技術在橋梁信息管理方面的進一步發展。
(2)本文雖然基于 IFC 標準，實現了病害信息與構件模型的融合，但仍有諸多不足 之處。因橋梁病害多為復雜的多維曲面，需要錄入大量的三維坐標值進行病害輪廓創建， 應進一步結合計算機編程技術，實現病害信息與模型的自動融合，提高三維病害信息模 型的建模效率。
(3)本文雖然對管理系統的基本功能進行了開發，但應進一步結合通信、無人機和 測繪等技術，開發橋梁自動定位和自動巡視等功能。同時，系統數據庫仍需各參與方根 據具體項目不斷更新和完善。
基于BIM的橋梁安全信息管理系統的研究，本文希望可以將BIM技術應用到橋梁 安全管理工作中去，讓大家認識到BIM技術在橋梁智能管養上的應用優勢。本文雖然 成功實現了病害信息與模型之間的融合，但以人為編輯模型數據文件的方式為主，效率 較低。隨著BIM技術和計算機技術的不斷成熟，應以計算機編程語言驅動的方式趨向 于自動化建模。因此，在日后應就病害信息模型智能化建立展開進一步研究。
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