基于BIM的橋梁養(yǎng)護管理應(yīng)用初探?

沈海華，王銀輝，2

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木建筑學(xué)院，浙江寧波 315000）

基于BIM的橋梁養(yǎng)護管理應(yīng)用初探?

沈海華1，王銀輝1，2

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木建筑學(xué)院，浙江寧波 315000）

通過分析建筑信息模型（BIM）的特點及優(yōu)勢，討論了BIM應(yīng)用于橋梁工程各個階段的可行性和必要性；在分析中國公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS）的基礎(chǔ)上，初步探討B(tài)IM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合的應(yīng)用模式及可視化橋梁養(yǎng)護信息的實現(xiàn)方式；結(jié)合橋梁信息模型的特點，分析了建立專家輔助決策系統(tǒng)的可能性，為BIM在橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展提供參考，以期實現(xiàn)基于BIM的橋梁全生命周期管理。

工程管理；橋梁；建筑信息模型（BIM）；養(yǎng)護管理；地理信息系統(tǒng)（GIS）

近年來，中國公路橋梁事業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計，截至2014年底，在役橋梁已達75.71萬座。隨著使用年限的增加和交通量的加大，當前步入維修期的橋梁日益增多，根據(jù)不完全統(tǒng)計，公路危橋數(shù)量已達到總數(shù)的10.5%。因此，政府和業(yè)內(nèi)人士越來越重視橋梁的養(yǎng)護管理。目前主要使用中國公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS）進行橋梁管理。

建筑信息模型（BIM）以其可視化程度高、信息集成度好、協(xié)調(diào)性強等特點在國外得到迅速發(fā)展，中國在2002年開始引入BIM概念并逐漸將其應(yīng)用于建筑行業(yè)。雖然BIM技術(shù)主要應(yīng)用于房建工程，但由于其所產(chǎn)生的顯著效益，目前橋梁工程方面也在對其進行相關(guān)理論研究和應(yīng)用探索。交通運輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃強調(diào)公路橋梁建設(shè)應(yīng)堅持“創(chuàng)新引領(lǐng)，建養(yǎng)并重”，研發(fā)基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計系統(tǒng)，推動公路橋梁設(shè)計技術(shù)的升級換代。2016年交通運輸部印發(fā)的“《交通運輸重大技術(shù)方向和技術(shù)政策》的通知”中也將BIM放在了首要位置。由此可見，BIM技術(shù)的應(yīng)用將是未來一段時間內(nèi)橋梁技術(shù)發(fā)展的重要方向。

1　BIM技術(shù)概要

BIM是一種基于數(shù)字化技術(shù)的工作過程，通過計算機對建筑的性能及設(shè)計、建造和運營維護文檔和信息進行處理。其核心是數(shù)據(jù)與信息，信息的集成和共享是BIM技術(shù)應(yīng)用的精髓所在。同樣，BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用也應(yīng)以橋梁三維可視化為基礎(chǔ)，以信息管理為核心，逐步實現(xiàn)橋梁的全生命周期管理。結(jié)合橋梁工程的特點，BIM在橋梁工程各個階段的應(yīng)用特征及優(yōu)勢可歸納為：

（1）設(shè)計階段。橋梁的結(jié)構(gòu)形式和受力特點均較為復(fù)雜，在設(shè)計階段應(yīng)用BIM技術(shù)能大大降低成本投入，減少后期不必要的返工。具體應(yīng)用價值表現(xiàn)為：1）三維模型用于方案的比選，增加可視化效果，提高決策能力；2）參數(shù)化建模便于設(shè)計方案的調(diào)整和修改，在施工前就能發(fā)現(xiàn)和解決施工中可能出現(xiàn)的問題，大大減少復(fù)雜結(jié)構(gòu)因設(shè)計造成的施工延誤和變更；3）通過模型直接生成二維CAD圖紙，雖然目前的BIM軟件能出圖，但本地化功能相對較弱，尚未形成適合設(shè)計院的出圖模式。

（2）施工階段。橋梁的施工工藝多樣且非常復(fù)雜，例如懸臂施工、頂推施工等多階段施工方法，對施工過程的精度控制和安全性要求都非常高。BIM的可視化施工模擬為其提供了技術(shù)支持，能實時掌握整個施工過程的時間節(jié)點和關(guān)鍵工序，從而提高施工效率和安全性。BIM技術(shù)可與施工控制的三維仿真分析相結(jié)合，形成可視化的全過程仿真實時模擬控制。同樣，BIM技術(shù)可為施工階段的深化設(shè)計提供便利平臺，尤其是復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的裝配式施工，基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計可為施工帶來極大的便利。

（3）運營階段。橋梁在建成后需服役幾十年甚至上百年，其運營階段的養(yǎng)護維修尤為重要，其中大量數(shù)據(jù)和圖表處理需有效管理，并要求能隨時為橋梁養(yǎng)護工程師、管理人員和決策人員提供可視化、信息化的管理決策依據(jù)。而基于BIM的信息系統(tǒng)化運營，能有效提高橋梁的管理和養(yǎng)護水平，實現(xiàn)有效、規(guī)范的管理。

綜上，將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程，能實現(xiàn)橋梁的全生命周期管理。但文獻［7］、［8］表明：BIM在國內(nèi)橋梁工程中普遍應(yīng)用于設(shè)計和施工階段，應(yīng)用到運營階段的案例甚少。有研究者認為，以解決設(shè)計和施工中的具體問題作為采用BIM技術(shù)的出發(fā)點的看法有待商榷，BIM應(yīng)用的出發(fā)點應(yīng)從運營維護入手。該文結(jié)合中國公路橋梁管理系統(tǒng)的應(yīng)用模式，探索BIM在橋梁養(yǎng)護管理方面的應(yīng)用，以提高橋梁的管理和養(yǎng)護水平。

2　橋梁三維模型

以BIM技術(shù)在橋梁運營管理的應(yīng)用為出發(fā)點，建立橋梁三維模型，是實現(xiàn)全生命周期管理的基礎(chǔ)。通過BIM核心建模軟件對橋梁建立精準的三維模型，該模型包含其幾何信息和屬性信息等。BIM的三維模型是一個信息模型，囊括設(shè)計、施工和運營階段的全部信息。以下通過對某三跨變截面連續(xù)梁橋的建模，討論橋梁的建模過程及模型特點，探索橋梁BIM模型作為信息載體的應(yīng)用。

2.1建模軟件的選擇

目前用于BIM的核心建模軟件可謂五花八門，主要有Autodesk、Bentley、Graphisoft和Dassault。其中流傳和使用最廣的是Autodesk平臺的Revit，該軟件為使用者提供了豐富且強大的族庫，很大程度上減少了建模師的工作量，深受用戶的喜愛。但面對橋梁工程特有的結(jié)構(gòu)形式和施工工藝，Revit用于橋梁建模的適用性較低，如Revit的族庫中并未包含橋梁方面的構(gòu)件族，仍需自定義創(chuàng)建，而且對于復(fù)雜的橋型其建模難度較大。

從橋梁工程的特點和軟件本身的適用性、協(xié)同性等兩方面綜合考慮，選擇Bentley平臺的Power-Civil作為橋梁三維設(shè)計協(xié)同平臺。在該平臺基礎(chǔ)上能實現(xiàn)“一個平臺，一個模型，一個數(shù)據(jù)源”，這也就是BIM對信息的本質(zhì)要求。

2.2建模流程

研究BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護管理方面的應(yīng)用，需建立一個完整的橋梁三維模型，即除橋梁結(jié)構(gòu)外，還包括橋梁的各種附屬設(shè)施。所建立的橋梁可視化模型主要用于可視化展示，未包括更加細部的內(nèi)容。該三跨連續(xù)梁的整體模型構(gòu)建思路：嚴格按照施工圖1∶1建模，按照道路中心線定平面位置，承臺、橋墩和橋臺都嚴格按照高程精確組裝（如圖1所示）。

圖1　橋梁建模思路

橋梁三維可視化模型建立的主要流程為根據(jù)橋梁所在位置的地質(zhì)勘測資料建立三維地質(zhì)模型→將原始CAD圖紙參考進PowerCivil中，定位橋梁的中心線作為廊道基線，并賦予其縱斷面信息（豎曲線要素）→通過廊道功能建立橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)→通過內(nèi)置MicroStation（實體建模）創(chuàng)建附屬設(shè)施→根據(jù)高程控制及構(gòu)件的邏輯關(guān)系組裝全橋模型（如圖2所示）。

圖2　全橋三維模型

2.3基于BIM的橋梁可視化模型的特點

基于BIM的橋梁可視化模型常采用參數(shù)化建模方式，對任意位置和構(gòu)件的修改均可自動進行模型更新。在Bentley平臺上的模型能支持不同工程人員的協(xié)同工作，在進入施工階段時，3D模型從設(shè)計方交付到施工方后，在原有模型的基礎(chǔ)上可進行4D和5D的擴展，即nD-BIM概念。在對模型不斷優(yōu)化和整合中，積累各個項目的相關(guān)信息，并可在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程相關(guān)人員進行高效、精準的工作。橋梁三維可視化模型的主要特點：

（1）信息的直觀性。橋梁三維模型將橋梁的相關(guān)信息以模型的形式呈現(xiàn)，直觀的3D可視化效果相比原有CAD圖紙更具直觀性。以模型的方式展現(xiàn)設(shè)計成果，方便與業(yè)主進行設(shè)計方案的交流匯報，提高方案的競爭力。

（2）信息的完整性。模型是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)，其原因在于模型能承載全生命周期的全部信息。橋梁的設(shè)計資料、施工圖紙及工程參與人員的相關(guān)資料等都能添加進模型，完整的信息鏈能使橋梁經(jīng)濟且高效地運營。

（3）信息模型能自動演化，在3D信息模型中進行修改，二維工程圖中也隨之修改。橋梁BIM模型包含的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、養(yǎng)護和改建歷史數(shù)據(jù)等都能通過對模型的修改來更新，這將極大地提高工作效率。如對橋梁的某個部件進行了加固，只需在原有模型的基礎(chǔ)上進行修改，不僅保留了維修記錄，更實時地展現(xiàn)橋梁的狀況；并且橋梁模型都是統(tǒng)一的格式，可實現(xiàn)各專業(yè)人員之間的全信息傳遞。

（4）多維模型為橋梁工程的全壽命養(yǎng)護維修管理提供極大便利，生命周期管理成為橋梁可視化信息模型的重要一維?；贐IM的橋梁信息模型，對橋梁的壽命進行預(yù)測并將用戶費用納入養(yǎng)護管理中，發(fā)展一種基于生命周期成本的橋梁管理模式。

3　基于BIM的橋梁信息化系統(tǒng)的特點

橋梁模型不僅僅是一個橋梁的三維展示，更是一個存儲信息和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。運用BIM技術(shù)的關(guān)鍵在于如何提取模型中的相關(guān)信息，并用于工程的管理。下面結(jié)合中國公路橋梁管理系統(tǒng)，探索BIM技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，以提高橋梁養(yǎng)護管理的直觀性、協(xié)同性和信息系統(tǒng)性。

3.1BIM與GIS的結(jié)合

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)為對象的空間分析技術(shù)，1995年同濟大學(xué)開發(fā)了基于GIS平臺的上海市橋梁管理系統(tǒng)，并在2000年正式應(yīng)用于CBMS。根據(jù)相關(guān)文獻，GIS技術(shù)在CBMS中具有以下功能：1）空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢。GIS的突出特點是能顯示橋梁的空間屬性，將橋梁與周圍的場景相銜接，為橋梁賦予地理坐標。同時能通過空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢，為橋梁的運營管理提供真實、便捷的信息支持。2）橋梁狀況的顯示。橋梁檢測的目的在于隨時掌握橋梁的技術(shù)狀況和安全狀況，而且養(yǎng)護和維修離不開橋梁的檢測結(jié)果。因此，管理系統(tǒng)應(yīng)能直觀明了地顯示橋梁狀況，便于管理人員快速、準確地作出決策。一旦橋梁出現(xiàn)事故，可通過GIS技術(shù)及時獲得相關(guān)信息，將損失減到最小。3）數(shù)據(jù)的采集、編輯、動態(tài)更新。運營階段在橋梁的全生命周期中跨度最長，數(shù)據(jù)和信息的更新頻繁，需及時處理。GIS提供了強大的數(shù)據(jù)采集與編輯功能。

但在CBMSV12.0的使用中發(fā)現(xiàn)，目前GIS主要用于橋梁的宏觀環(huán)境與地理空間信息方面，加上橋梁建模成本較高且生成的模型都是“空殼”，沒有橋梁細部構(gòu)造信息，GIS的應(yīng)用仍停留在瀏覽查看橋梁的外部方面。而BIM對于存儲橋梁的屬性信息十分完整，能包含橋梁設(shè)計、施工和運營維護的全部信息。在BIM模型信息中，所有的結(jié)構(gòu)信息都可方便查詢，大到橋梁墩臺，小到伸縮縫和支座的螺栓都可根據(jù)模型界面進行細微查閱，避免低效率地查閱圖紙。因此，BIM技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，能實現(xiàn)兩者功能的互補。

BIM與GIS集成應(yīng)用于橋梁管理系統(tǒng)，其核心價值主要體現(xiàn)在：1）提高大橋工程和橋梁群的管理能力。兩者的集成，實現(xiàn)了基于GIS的全線宏觀管理和基于BIM的橋梁精細化管理。GIS模型能顯示某橋梁在橋梁群的空間信息，并通過點擊該橋梁的GIS模型，就能切換到橋梁BIM模型，查閱相關(guān)的橋梁屬性信息。2）提高橋梁檢測的便捷性和準確性。在現(xiàn)場的檢測人員能在移動端上查閱橋梁的周圍環(huán)境和各個構(gòu)件的屬性，這意味著檢測人員無需攜帶大量的圖紙和資料就能掌握橋梁的全部信息。并且檢測人員能實時了解橋梁的維修歷史，使檢測結(jié)果更為精準。

3.2橋梁信息展示

通過Bentley的核心建模軟件建立的全橋三維模型不僅可在桌面端顯示三維模型，更可將其通過NavigatorMobilePublisher轉(zhuǎn)化為I-model形式，實現(xiàn)在移動端的模型瀏覽。I-model作為一種信息開放式交換載體，為BIM應(yīng)用于橋梁運營管理方面提供了技術(shù)支持。

CBMS主要包含數(shù)據(jù)管理模塊、養(yǎng)護管理模塊和報表管理模塊，這些模塊都離不開圖表和文字描述，對這些數(shù)據(jù)的管理和使用是CBMS的重中之重。為此，采用可視化的橋梁養(yǎng)護信息，實現(xiàn)BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護管理中的應(yīng)用。結(jié)合BIM的信息化和可視化特點，將橋梁檢測后的相關(guān)資料在模型上實現(xiàn)查看與檢索。具體功能如下：

（1）定位病害。在現(xiàn)役公路橋梁管理系統(tǒng)中存儲著橋梁的歷史檢測和維修數(shù)據(jù)，將這些信息以添加鏈接的形式鏈接到橋梁三維模型。橋梁各個構(gòu)件上的相關(guān)病害數(shù)據(jù)（照片、表格等）都與模型一一對應(yīng)，使模型元素帶有工程屬性和相關(guān)文檔（如圖3所示），方便現(xiàn)場檢查，從而提高橋梁病害的發(fā)現(xiàn)速度。

圖3　可視化的橋梁養(yǎng)護信息

（2）信息共享和實時傳遞。橋梁的日常養(yǎng)護和定期檢測中需對發(fā)現(xiàn)的病害信息進行現(xiàn)場拍照并登記到紙質(zhì)記錄本上，再進行相關(guān)內(nèi)業(yè)工作。移動端的數(shù)字化移交改變了這種模式，使其工作效率得到較大提升。如現(xiàn)場檢測人員發(fā)現(xiàn)某橋墩處有一明顯的裂縫，即可將橋墩的現(xiàn)場照片和相關(guān)文字描述直接上傳到模型中所對應(yīng)的橋墩上。在BIM技術(shù)的支持下，養(yǎng)護檢測人員在記錄病害時對病害位置的記錄更精確，并且能將信息進行實時共享，提高了數(shù)據(jù)的及時性和工作效率。

（3）專家輔助決策。CBMS的評價決策子系統(tǒng)存在對橋梁的病害描述代碼不很全面的問題，在實際操作中會遇到有的病害在數(shù)據(jù)庫中找不到合適的病害代碼來描述的情況。通過BIM技術(shù)，在可視化展示橋梁病害信息的基礎(chǔ)上建立一個專家決策輔助系統(tǒng)，通過信息模型，對橋梁出現(xiàn)的病害信息進行準確描述，并在系統(tǒng)相關(guān)規(guī)則下自動給出經(jīng)濟、科學(xué)的養(yǎng)護決策建議。

4　結(jié)語

將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護管理，是實現(xiàn)橋梁全生命周期管理的關(guān)鍵所在。以橋梁三維模型為基礎(chǔ)，提取并管理相關(guān)信息，實現(xiàn)橋梁的精細化管理。通過BIM技術(shù)可視化橋梁的養(yǎng)護信息，并在桌面端和移動端同時實現(xiàn)信息的展示與傳遞，提高橋梁養(yǎng)護管理的效率與質(zhì)量?；贑BMS的應(yīng)用模塊，研究BIM與GIS的集成和專家輔助決策系統(tǒng)，能為養(yǎng)護人員提供寶貴意見。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護管理系統(tǒng)的價值是巨大的，方向也是明確的。但需注意的是，BIM技術(shù)在中國仍處于起步階段，需加大研究力度和深度，在國家政策的指導(dǎo)下，探索BIM在橋梁設(shè)計、施工和運營中的應(yīng)用。

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