智慧橋梁理念的探索

潘永杰，趙欣欣，劉曉光(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

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智慧橋梁理念的探索

潘永杰，趙欣欣，劉曉光
(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:以BIM( Building Information Modeling)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的不斷融合促使智慧橋梁應(yīng)運(yùn)而生。本文分析了智慧橋梁理念的內(nèi)涵，闡述了智慧橋梁的總體架構(gòu)，將智慧橋梁劃分為智慧設(shè)計(jì)、智慧建造和智慧管養(yǎng)三個(gè)階段，研究了不同階段的主要功能及關(guān)鍵技術(shù)，指出了智慧橋梁是智慧產(chǎn)業(yè)在橋梁工程領(lǐng)域發(fā)展的必然結(jié)果。

關(guān)鍵詞:BIM智慧橋梁全生命周期管理平臺(tái)PHM( Prognostic and Health Management)

1　概述

近十年來(lái)，伴隨高速鐵路的快速發(fā)展，我國(guó)先后建成了武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、濟(jì)南黃河大橋、銅陵長(zhǎng)江大橋等一批具有代表性的鐵路或公鐵兩用大跨度橋梁。它們不僅體積大、荷載重、運(yùn)營(yíng)速度快，而且結(jié)構(gòu)新穎，設(shè)計(jì)美觀，表明我國(guó)建橋水平已躍升于世界先進(jìn)行列。但橋梁工程管理模式依舊是相對(duì)獨(dú)立的“設(shè)計(jì)—施工—管養(yǎng)”三階段，面對(duì)不同的管理者，相關(guān)信息、數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)失真甚至丟失的現(xiàn)象。這種傳統(tǒng)的管理模式存在諸多需改進(jìn)的地方，比如:

1)以二維圖紙作為信息主要載體，不易攜帶、傳遞和保存，且非專(zhuān)業(yè)人士較難理解，故可以采用直觀的三維模型作為信息主要載體。

2)關(guān)鍵工序仍采用傳統(tǒng)施工機(jī)具，效率偏低且人為因素影響大，施工信息傳遞依靠上傳下達(dá)，溝通協(xié)調(diào)不足，信息追蹤性差，故可以研發(fā)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集的施工設(shè)備。

3)橋梁管養(yǎng)主要依靠定期檢定和人工巡檢，未將設(shè)計(jì)、施工及各種監(jiān)(檢)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，故可以基于信息技術(shù)建立綜合多源數(shù)據(jù)的大橋故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)。

管理模式的改進(jìn)需要配套的智慧基礎(chǔ)設(shè)施、智慧產(chǎn)品、智慧技術(shù)、智慧設(shè)備和智慧管理。伴隨BIM ( Building Information Modeling)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)土木行業(yè)正經(jīng)歷向智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息革命。未來(lái)橋梁正在向更智能、更安全、更經(jīng)濟(jì)、更耐久、更環(huán)保、更美觀的方向發(fā)展，智慧橋梁呼之欲出。

智慧橋梁是以工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和綠色建造為特征的橋梁全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新體系，是智慧技術(shù)發(fā)展與傳統(tǒng)行業(yè)不斷融合的結(jié)果。

建設(shè)智慧橋梁需要從項(xiàng)目全生命周期角度出發(fā)，以BIM技術(shù)為核心，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)為手段，通過(guò)打破信息斷層，有效控制工程信息的采集、加工、存儲(chǔ)和交流，構(gòu)建信息的創(chuàng)造、傳遞、評(píng)估和利用的良性循環(huán)機(jī)制。實(shí)現(xiàn)智慧設(shè)計(jì)、智慧建造和智慧管養(yǎng)，支持決策者對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)、規(guī)劃和控制，進(jìn)而不斷提升橋梁技術(shù)創(chuàng)新、信息化和智能化水平。智慧橋梁各階段主要功能見(jiàn)表1。

智慧橋梁以BIM標(biāo)準(zhǔn)體系和平臺(tái)安全兩大保障體系為支撐，以設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層等基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，在公共信息平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息庫(kù)的支撐下，架構(gòu)智慧橋梁協(xié)同管理平臺(tái)，并構(gòu)建面向建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、建造方、運(yùn)維方、科研院所和相關(guān)企業(yè)的智慧應(yīng)用體系。智慧橋梁總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。圖1中，智慧橋梁協(xié)調(diào)管理平臺(tái)是開(kāi)放性的集約式平臺(tái)，各類(lèi)智慧應(yīng)用按照統(tǒng)一的平臺(tái)建設(shè)規(guī)范進(jìn)行接入。

2智慧橋梁典型功能分析

2. 1智慧設(shè)計(jì)

1)參數(shù)化建模

通過(guò)控制多類(lèi)型參數(shù)，調(diào)整模型中數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型的幾何和類(lèi)型參數(shù)變化，從而適應(yīng)復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高建模效率。參數(shù)化模型見(jiàn)圖2。

表1智慧橋梁各階段主要功能

圖1智慧橋梁總體架構(gòu)

圖2參數(shù)化模型

2)構(gòu)件庫(kù)和模型庫(kù)

基于參數(shù)化建模，搭建橋梁構(gòu)件庫(kù)和模型庫(kù)，累積標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的幾何尺寸、屬性信息，提高設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。

3) BIM模型與FEM分析軟件的銜接

結(jié)合第三方網(wǎng)格劃分軟件或利用Python，C /C ++等編程語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)與主導(dǎo)有限元分析軟件的無(wú)縫接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型無(wú)損傳遞，避免重復(fù)工作，提高分析效率。

2. 2智慧建造

1)數(shù)字化施工

針對(duì)預(yù)制梁(現(xiàn)澆梁)預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿工藝，鋼梁焊縫質(zhì)量管理，螺栓連接施工，幾何尺寸檢測(cè)等關(guān)鍵工序開(kāi)展數(shù)字化施工，研發(fā)智能化施工機(jī)具或測(cè)試設(shè)備，減少人為因素干預(yù)。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，及時(shí)采集建造過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳到管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)量值、關(guān)鍵工序質(zhì)量的有效把控。同時(shí)可利用BIM模型所包含構(gòu)件的幾何尺寸信息，與大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，直接生成下料、加工等信息，省略二次翻圖轉(zhuǎn)換工序，提高自動(dòng)化水平。

2)虛擬施工

構(gòu)建施工設(shè)備、施工工藝等相關(guān)族庫(kù)，在工程正式施工前，利用BIM技術(shù)進(jìn)行施工4D虛擬建造，通過(guò)可視化的預(yù)演練和施工過(guò)程模擬，檢查設(shè)備空間位置和工藝實(shí)施的可行性，進(jìn)而優(yōu)化施工組織方案，減少返工，切實(shí)提高工效。

3)施工信息管理

集成建設(shè)、施工、監(jiān)理、監(jiān)控等各參與方的具體要求，依據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、安全、成本等施工信息的采集、存儲(chǔ)、分析和反饋，對(duì)物料、設(shè)備等資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控，獲取有效施工信息。施工信息管理不僅可以實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的追蹤，更為竣工驗(yàn)收資料的交付提供基礎(chǔ)。同時(shí)融入施工計(jì)算分析模塊，可為施工人員提供技術(shù)支持，極大方便了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

施工信息管理系統(tǒng)界面見(jiàn)圖3。圖中展示的管理系統(tǒng)包括GIS模塊、基礎(chǔ)信息、可視化交底、圖片管理、平面結(jié)構(gòu)分析等多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工信息全方位的了解和把控。

圖3施工信息管理系統(tǒng)界面

2. 3智慧管養(yǎng)

1)人工巡檢

針對(duì)工務(wù)部門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)檢查，直接利用移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)字化信息采集，實(shí)時(shí)上傳病害描述、照片和視頻等內(nèi)容，免去了“手工記錄→數(shù)據(jù)錄入→導(dǎo)入系統(tǒng)”的繁瑣步驟，不僅提高了巡檢效率，實(shí)現(xiàn)病害的立體展示，而且有利于病害的可持續(xù)追蹤，方便追溯管理。智能人工巡檢APP界面見(jiàn)圖4。

圖4智能人工巡檢APP界面

2)病害庫(kù)及專(zhuān)家遠(yuǎn)程會(huì)商

該模塊實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)期間病害的分類(lèi)管理，關(guān)聯(lián)有效處理措施及維修養(yǎng)護(hù)過(guò)程，形成規(guī)范的管養(yǎng)步驟和流程。針對(duì)新病害，采取專(zhuān)家遠(yuǎn)程會(huì)商，及時(shí)獲取有效處理措施，并補(bǔ)充和完善病害庫(kù)，形成有機(jī)良性循環(huán)。病害處理流程見(jiàn)圖5。

圖5病害處理流程

3)基于“狀態(tài)修”的管養(yǎng)

基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，搭建基于車(chē)—線—橋的數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)，集成智能巡檢、病害庫(kù)和知識(shí)庫(kù)管理等模塊。綜合設(shè)計(jì)、施工、聯(lián)調(diào)聯(lián)試等信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和深度挖掘。結(jié)合相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，梳理并構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)體系，最終實(shí)現(xiàn)基于“狀態(tài)修”的智慧管養(yǎng)體系，為今后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)依據(jù)?；凇盃顟B(tài)修”的管養(yǎng)模式流程見(jiàn)圖6。

圖6基于“狀態(tài)修”的管養(yǎng)模式流程

3　關(guān)鍵技術(shù)

1)智慧橋梁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系

在中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系下，基于鐵路橋梁特點(diǎn)，需要建立統(tǒng)一的BIM模型、數(shù)據(jù)傳遞交換、存儲(chǔ)、交付、實(shí)施、管理等相關(guān)指南，形成智慧橋梁BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。

2)基于BIM技術(shù)的項(xiàng)目協(xié)同綜合管理平臺(tái)

搭建面向多參與方、多階段的BIM管理平臺(tái)，為各階段的BIM應(yīng)用及各參與方的數(shù)據(jù)交換提供一體化信息平臺(tái)支持，打造各方信息無(wú)損傳遞和數(shù)據(jù)共享的生態(tài)鏈。

3)構(gòu)件庫(kù)、模型庫(kù)的建設(shè)

基于參數(shù)化建模，搭建橋梁構(gòu)件庫(kù)和模型庫(kù)，累積標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的幾何尺寸、屬性信息，提高設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。

4)模擬與分析

研究基于BIM模型的數(shù)值模擬和空間分析，實(shí)現(xiàn)與力學(xué)分析軟件的接口設(shè)計(jì)，完成建模、計(jì)算、分析評(píng)估和優(yōu)化的成套流程。

5)數(shù)字化施工與施工管理系統(tǒng)

基于BIM技術(shù)，搭建多維施工管理系統(tǒng)，完善和集成多個(gè)數(shù)字化施工模塊，實(shí)現(xiàn)不同階段信息的關(guān)聯(lián)查詢，追溯管理。實(shí)現(xiàn)施工信息資源的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、專(zhuān)業(yè)化的深層次應(yīng)用，達(dá)到提升橋梁工程結(jié)構(gòu)建造質(zhì)量和管理水平的目的。

6)多源數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)

集設(shè)計(jì)、建造、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、試驗(yàn)、智能巡檢及車(chē)—線—橋—環(huán)境耦合系統(tǒng)等多源數(shù)據(jù)于一體，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測(cè)分析、關(guān)聯(lián)分析等專(zhuān)用算法庫(kù)和模型庫(kù)，將不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和高效利用，為大橋進(jìn)行狀態(tài)診斷、預(yù)測(cè)分析和健康管理提供基礎(chǔ)。

7)基于全生命周期的BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)研究

融合先進(jìn)信息技術(shù)，建立包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)維修等內(nèi)容的全生命周期BIM管養(yǎng)系統(tǒng)，將動(dòng)態(tài)軌檢車(chē)、靜態(tài)軌道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、工務(wù)監(jiān)(檢)測(cè)等信息納入多維度的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。采取多源數(shù)據(jù)分析手段，借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)性能評(píng)判、預(yù)測(cè)和健康管理的綜合技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)大橋維護(hù)管理的信息化、自動(dòng)化和智能化，最終實(shí)現(xiàn)基于“狀態(tài)修”的橋梁管養(yǎng)模式升級(jí)。

4　結(jié)語(yǔ)

以BIM技術(shù)為核心的智慧橋梁，結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，融合了信息采集、數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理等創(chuàng)新模式，構(gòu)建了橋梁設(shè)計(jì)、建造和管養(yǎng)不同階段數(shù)據(jù)鏈的生態(tài)體系，實(shí)現(xiàn)了可視化、智能化、集約化、精益化的全生命周期管理。智慧橋梁是智慧產(chǎn)業(yè)在橋梁工程領(lǐng)域發(fā)展的必然結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任審編鄭冰)

Research on conception of the intelligent bridge

PAN Yongjie，ZHAO Xinxin，LIU Xiaoguang
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:W ith BIM ( Building Information M odeling)，Internet of things，cloud computing as the representative of the new generation of information technology and traditional industry promote the intelligent bridge come into being．T he connotation of the intelligent bridge and the general framework of integration platform are analyzed．It is divided into three stages such as intelligent design，intelligent construction，intelligent management and maintenance．T he main function and key technologies in the corresponding phases are also studied．At last，it is pointed out that the intelligent bridge is the inevitable result of the development between the intelligent industry and bridge engineering．

Key words:BIM ; Intelligent bridge; W hole life cycle; M anagement platform; PHM ( Prognostic and Health M anagement)

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0006-05

中圖分類(lèi)號(hào):TP319; U44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．01

作者簡(jiǎn)介:潘永杰( 1983—)，男，助理研究員，博士。

基金項(xiàng)目:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目( 2013YJ024，2014YJ024)

收稿日期:2015-12-01;修回日期: 2015-12-25