基于BIM的橋梁全生命周期管理研究初探

吳露方

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 引言

信息化的手段在橋梁施工過程的仿真中不斷的深入運用，產(chǎn)生了很多傳統(tǒng)手段不具備的新的理念，如3D、4D、5D，還有建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)理念和產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)理念。而這些理念在橋梁施工過程的仿真方面都具有重大的意義。這使得仿真進(jìn)入了具有高度現(xiàn)實主義的程度，而不是以往的單獨計算和表面的過程動畫?？梢赃_(dá)到精益施工，在保證安全的情況下，大大降低施工成本。尤其是對于施工難度較高的大跨度的橋梁施工過程。

PLM，面向產(chǎn)品全生命周期的集成建模技術(shù)［1］在工程建設(shè)行業(yè)得到廣泛認(rèn)可，本研究就是基于集成的平臺解決方案下的橋梁施工過程的全面仿真的研究和應(yīng)用以及多技術(shù)路線方案的對比研究。

達(dá)索系統(tǒng)的具有產(chǎn)品全生命周期的所有軟件產(chǎn)品作為整體的集成解決方案［2］。作為PLM協(xié)同解決方案的一體化軟件，達(dá)索公司具有全生命周期的管理軟件ENOVIA、核心建模軟件CATIA、分析計算軟件SIMULIA、施工模擬軟件DELMIA、交互漫游軟件3DVIA。正因為是朝著一體化集成平臺的理念，所以使得仿真進(jìn)入一個新的高度。

2 CATIA建模

CATIA建模在橋梁方面的優(yōu)勢是它有一套智能化模板的工具和建模方法。對于不同用途和不同深度以及不同階段模型的建模細(xì)節(jié)程度和建模方法都會有所不同，考慮應(yīng)用的分級建模。

1)標(biāo)準(zhǔn)建立

項目在進(jìn)行之前要建立標(biāo)準(zhǔn)，對建模命名規(guī)則和模型樹進(jìn)行初始化。同時，要做好協(xié)同作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制定和人員分工，以及工作任務(wù)分解(Work Breakdown Structure，WBS)。

2)建模方法確立

前階段黃俊炫等已經(jīng)探索了CATIA文檔模板+骨架驅(qū)動［3］的方法來避免橋梁構(gòu)建相互組裝的步驟，即事先把關(guān)鍵位置關(guān)系用簡單的元素來確定，各個部件則參考這些元素進(jìn)行建模，最后直接組合成為整個結(jié)構(gòu)。這些關(guān)鍵的簡單元素可以統(tǒng)稱為骨架，它起到了樞紐的作用，既體現(xiàn)了構(gòu)件之間的相對位置關(guān)系，也為各個構(gòu)件的建模提供了共同的參考。

圖1 橋梁建模方法

如圖1所示，橋梁建模方法的確立，把達(dá)索CATIA的文檔模板+骨架驅(qū)動的方法在橋梁業(yè)務(wù)流程中進(jìn)行了實現(xiàn)。從設(shè)計規(guī)范開始，通過規(guī)范原則和參數(shù)來定義骨架，然后在骨架上用文檔模板實例化二級模板，得到二級模型，然后再在二級模型的基礎(chǔ)上實例化更加細(xì)節(jié)化的三級深化模板，再使用一些程序具有的功能來實現(xiàn)最終的模型。

這里的三級模型和二級模型和設(shè)計階段沒有一一對應(yīng)關(guān)系。基本上，每一個設(shè)計階段到要出結(jié)果的時候都是三級模型。二級模型只是一個過程文件。具體的每個階段需要什么樣的模型將在下一節(jié)中詳述。

3)不同用途的模型分級

在投標(biāo)階段，模型基本上都是用來做動畫的。所以模型要能快速建立，并不嚴(yán)格要求樹結(jié)構(gòu)有多么清晰，而是要求模型有良好的整體性。同一材質(zhì)的面需要在放在一個零件Part中。這樣賦予材料和貼圖就比較容易。對于路燈、橋墩、欄桿等沿道路邊線擺設(shè)的構(gòu)件，使用知識整列(Knowledge Pattern)來快速生成，如圖2所示。其路面也不需要有真實的起伏。因為真實起伏肉眼不能辨識。知識模板和知識整列是CATIA在橋梁應(yīng)用中的精髓。通過模板和知識整列可以快速生成橋梁模型。不僅能在投標(biāo)階段的表皮模型中應(yīng)用，同時也能在方案階段、初設(shè)階段和施工圖階段使用。

方案階段的模型類似于投標(biāo)階段，但是要有更多具體的細(xì)節(jié)，比如有了地形也有了道路中心線的起伏，以及標(biāo)志標(biāo)線更加準(zhǔn)確。這個時候也類似與投標(biāo)時期的方法，就是把地形增加進(jìn)去，如果業(yè)主只是為了看效果，對于地形地勢不明顯的也可以類似與投標(biāo)階段的處理，只是增加一些道路和綠化的細(xì)節(jié)。如果地勢比較明顯，高架起伏也比較明顯的就要把真實的起伏建到模型中去。

初設(shè)階段的模型要體現(xiàn)設(shè)計的某些局部，并且意見有些細(xì)部處理要體現(xiàn)。所以橋梁的梁段就要一段一段的實例化了，包含更多細(xì)節(jié)。另外其他構(gòu)件比如橋塔也要細(xì)化。

施工圖階段的模型不僅要體現(xiàn)細(xì)節(jié)，還要考慮施工仿真過程的施工順序。把不同時間節(jié)點的模型要分別放在不同的零件Part中，以方便施工方案模擬。

在施工階段的模型主要體現(xiàn)施工深化的內(nèi)容，施工附屬設(shè)施，施工機(jī)械模型等等。模型的用途主要是用于重大施工專項的仿真模擬和現(xiàn)場狀態(tài)的4D模擬和進(jìn)度模擬等等。

運維階段的模型主要是用竣工模型，主要是在施工階段模型的最終版為基礎(chǔ)。這個模型的用途，主要是在運維階段連接運維數(shù)據(jù)庫，增加在運維階段需要的字段，以及需要接入的一些設(shè)備信息。

圖2 知識整列快速建模

圖3 ENOVIA對橋梁施工過程的管理仿真

3 ENOVIA管理橋梁設(shè)計和施工的全過程

橋梁的協(xié)同設(shè)計和施工過程模擬不僅僅局限于只對物理對象的狹隘的管理和模擬，不局限于對施工步驟的計算分析，對施工過程的動畫模擬。還包括設(shè)計協(xié)同的流程管理、文檔管理、人員管理等等，也包括橋梁施工過程管理方面的仿真和模擬，可以在施工正式啟動前，對整個施工的過程的人財物進(jìn)行事前的模擬和安排做到節(jié)約成本，減少勞動力，提高安全性，縮短工期等等優(yōu)勢。

如圖3所示，作為一個平臺級的管理軟件ENOVIA以大型數(shù)據(jù)庫作為PLM的基礎(chǔ)。具有對橋梁生命周期全過程的管理。ENOVIA可以管理模型的建立過程，可以用來在流程中控制三維模型的質(zhì)量和協(xié)同工作。在施工仿真模擬中起到了精益施工的作用?？梢杂行У乜刂剖┕み^程中的模型管理，設(shè)備管理，物料管理和財務(wù)管理等等綜合的施工管理平臺。

ENOVIA能囊括橋梁施工過程的項目管理的方方面面:綜合管理、范圍管理、時間管理、費用管理、質(zhì)量管理、人力資源管理、溝通管理、風(fēng)險管理和外包采購管理。

橋梁施工過程的相關(guān)部分是在為施工項目啟動之前做的項目運行準(zhǔn)備、項目定義和項目計劃。對人財物進(jìn)行估計、預(yù)測和工作分解和分配等等。橋梁施工過程的管理仿真，使得仿真拓展了范圍，從物理仿真到了人財物一體化的仿真。真正意義上的對一個項目進(jìn)行仿真，提前發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，節(jié)約了成本，降低了風(fēng)險，縮短了工期。

4 DELMIA虛擬施工技術(shù)

虛擬施工技術(shù)就是將人、材料、機(jī)械設(shè)備和施工中的建筑物以及各種資源按時間順序流程順序和邏輯順序建模并賦予一些行為和動作，這樣就和真實世界一一對應(yīng)起來了。本集成模擬系統(tǒng)用DELMIA這款集成在CATIA下的軟件來實現(xiàn)的。不同于其他的仿真軟件，DELMIA不僅僅是把模型根據(jù)時間進(jìn)度動起來，更重要的是建立模型間的流程關(guān)系和邏輯關(guān)系，這樣當(dāng)方案調(diào)整的時候，仿真就能迅速修改重新模擬。

如圖4所示，在進(jìn)行DELMIA仿真前，要做好模型和準(zhǔn)備可以用的資源。然后對施工過程進(jìn)行流程的安排，最后在系統(tǒng)中按不同的資源和模型對流程進(jìn)行系統(tǒng)整合。

通過簡單的一個模型的案例，可以得到，如圖5所示的DELMIA施工仿真模型和施工仿真甘特圖，可以在DELMIA中直接運行施工模擬的動畫過程和直接生成一個施工模擬動畫的avi動畫。

DELMIA仿真的特點是具有內(nèi)在的模型邏輯關(guān)系，可以處理復(fù)雜的施工關(guān)系，包括資源、人員、設(shè)備、工序等等?？梢詫Χ鄠€方案在一個模型和一套資源中進(jìn)行表達(dá)?？梢酝ㄟ^調(diào)整工序和邏輯關(guān)系自動更新甘特圖。

圖4 DELMIA的模型、資源、流程和系統(tǒng)

圖5 DELMIA的最終模型和甘特圖

5 3DVIA的大橋運維方案研究

通過三維建模對大橋建立一個精確的三維模型，并輸入主要的結(jié)構(gòu)、材料、幾何、圖紙和管理信息，建立三維的大橋信息模型。通過B/S架構(gòu)接入視頻信號和監(jiān)控信息，在系統(tǒng)中對信息進(jìn)行分析并作出報告和預(yù)警。最終實現(xiàn)大橋整體的三維巡視漫游，以及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備的信息(包括圖紙和照片)查詢，且可實現(xiàn)信息的人工輸入修改功能，并接入監(jiān)控(包括攝像頭)和檢測(應(yīng)力應(yīng)變片)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和預(yù)警，以上功能都可以在輕量化的3DVIA軟件平臺中，高效運轉(zhuǎn)，并生成網(wǎng)頁格式文件。

6 其他可行的技術(shù)路線

1)CATIA建模和自建運維平臺

通過命名規(guī)則定義模型的ID號，這些有規(guī)律的ID號可以為模型進(jìn)行分類和模型的部分信息生成，通過后臺數(shù)據(jù)庫，建立運維中需要的字段，通過3DVIA生成模型的web文件，建立動態(tài)的網(wǎng)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)和模型的管理。

2)其他建模軟件和ENOVIA運維平臺

其他BIM建模軟件可以通過對模型和數(shù)據(jù)庫的分離，把模型導(dǎo)入到3DVIA中，把數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出成Excel格式，然后通過Spinner導(dǎo)入到ENOVIA數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

3)其他建模軟件和自建運維平臺

其他BIM建模軟件可以通過對模型和數(shù)據(jù)庫的分離，把模型導(dǎo)入到3DVIA中，把數(shù)據(jù)庫獨立分離出來，通過后臺數(shù)據(jù)庫增加運維中需要的字段，通過3DVIA生成模型的web文件，建立動態(tài)的網(wǎng)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)和模型的管理。

7 總結(jié)和未來研究方向

通過基于BIM的橋梁全生命周期管理的探索，我們對如何利用BIM技術(shù)為整個橋梁的全過程中帶來巨大的效益有了更加深刻的認(rèn)識，并總結(jié)提煉出了適用于橋梁結(jié)構(gòu)特點的建模方法，模型管理方法和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。

［1］達(dá)索系統(tǒng)，達(dá)索PLM解決方案在工程項目中的應(yīng)用［C］．第三屆工程建設(shè)計算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇論文集，第1－6頁，2011，上海．

［2］達(dá)索系統(tǒng)，達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)官方中文網(wǎng)站，http://www．3ds．com/cn/

［3］黃俊炫等，基于CATIA的大型橋梁三維建模方法，第十六屆全國工程設(shè)計計算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集，2012，廣州．