面向養(yǎng)護的橋梁BIM模型交付標準探討

李 潔，張耀允，孫 莉

（1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

BIM是對Building Information Model/Modelling的簡稱，國內一般譯作“建筑信息模型”。一般認為BIM的概念于2004年前后隨國外三維建模軟件在國內的推廣而引入，但真正受到廣泛的關注是在2010年以后。將BIM應用于工程項目中，可獲取更真實的工程環(huán)境；打破信息孤島，促進協(xié)同工作；提高數(shù)據(jù)信息的準確性，推動設計優(yōu)化；有助于模擬分析和可視化展現(xiàn)等，進而總體上實現(xiàn)工作效率和質量的提升，帶來項目成本的節(jié)約。

伴隨著過去十年國內基礎設施建設的蓬勃發(fā)展，BIM在工程項目設計與施工階段的應用案例已經很多，而將BIM運用于工程項目的運營養(yǎng)護中，則相對來說較少。實際BIM也可以為運營養(yǎng)護賦能，歐盟BIM工作組在討論將BIM引入歐洲公共基礎設施的建設中時，指出：BIM是工程施工與資產運營的數(shù)字化形式，它融合信息技術進步和行業(yè)流程再造，從根本上為工程建設帶來改變。BIM為建筑和公共基礎設施全壽命周期內的各項工作賦能，不僅適用于新建項目，更重要地是，也支持項目的養(yǎng)護、維修與更新[1]。

1 BIM與橋梁養(yǎng)護管理

我國目前是世界第一橋梁大國，截止2018年末，公路橋梁已達85.15萬座，總長達5 568.59萬米。橋梁是公路工程中的重要節(jié)點，服役周期長，各級公路上的特大橋、大橋和高等級公路上的中橋等，其設計使用年限不應低于100年[2]，橋梁養(yǎng)護的重要性不言而喻。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》（JTG H11-2004），橋涵養(yǎng)護的主要工作內容包括：檢查及評價，采集更新數(shù)據(jù)；保養(yǎng)、維修和安全防護；加固改造；環(huán)保、防災；建立檔案和數(shù)據(jù)庫等[3]。

在目前的橋梁養(yǎng)護中，雖然大部分橋梁部署了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，一些大型橋梁還部署了健康監(jiān)測系統(tǒng)，但總體上這些系統(tǒng)均是傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和信息多以表單的形式展現(xiàn)，未能通過三維圖形來驅動數(shù)據(jù)，或將相關檢查結果直接展現(xiàn)在三維圖形中；并且數(shù)據(jù)一般以橋梁為單位統(tǒng)計，沒有具體到橋梁構件上。這些導致將橋梁數(shù)據(jù)展現(xiàn)給養(yǎng)護人員時，信息籠統(tǒng)不形象、內容不具體，不利于養(yǎng)護工作者準確而快速地做出決策。

2018年3月交通運輸部發(fā)布了《關于推進公路水運工程BIM技術應用的指導意見》，其中主要任務和重點工作之一是加強BIM數(shù)據(jù)應用，提升養(yǎng)護管理效能；指出建設、運營單位應完善項目管理制度，加快實現(xiàn)設計、施工、養(yǎng)護、運營管理各階段工程信息共享傳遞，充分利用建設期BIM數(shù)據(jù)改進養(yǎng)護管理，提高養(yǎng)護決策水平。鼓勵對在役項目，搭建BIM技術養(yǎng)護管理平臺，逐步推進養(yǎng)護信息數(shù)字化管理，提升管理水平。

在實際項目應用時，首先需要解決為項目建立滿足養(yǎng)護階段應用要求的BIM信息模型。該模型需具體包含哪些內容，模型單元間如何組織，模型應包含哪些信息。由于目前公路行業(yè)建筑信息模型的相關標準還未出臺，因此參考《建筑信息模型設計交付標準》（GB/T 51301-2018）中的相關內容。

2 養(yǎng)護用橋梁BIM交付模型應包含的內容

目前關于建筑信息模型交付的國標[4]已出臺，雖然其細節(jié)內容均圍繞建筑工程展開，不涉及橋梁工程，但其中一些基本內容對橋梁BIM模型的創(chuàng)建與交付仍具有指導意義。

從交付的角度說，養(yǎng)護用橋梁BIM模型為竣工移交物或面向養(yǎng)護的交付物中的重要組成部分。根據(jù)GB/T 51301-2018的4.3.1節(jié)，建筑信息模型應包含的內容：（1）模型單元的系統(tǒng)分類；（2）模型單元的關聯(lián)關系；（3）模型單元幾何信息及幾何表達精度；（4）模型單元屬性信息及信息深度；（5）屬性值的數(shù)據(jù)來源。

模型單元是工程對象在建筑信息模型數(shù)字化環(huán)境中的體現(xiàn)，分為實體和屬性兩個維度[4]。圖1為某懸索橋橋塔的一個塔柱節(jié)段，三維模型體現(xiàn)了其幾何細節(jié)，而與該模型單元關聯(lián)的大量屬性信息，則真正定義了塔柱這樣一個工程對象。

圖1 橋梁信息模型

3 養(yǎng)護用橋梁BIM模型的組織與信息需求

3.1 模型單元的系統(tǒng)分類

模型單元系統(tǒng)分類問題即橋梁構件的分類問題。橋梁養(yǎng)護管理通常是對一定區(qū)域范圍內的大量橋梁進行統(tǒng)一管理，對橋梁構件的合理分類，是實現(xiàn)橋梁有序管理的基礎。因為同類構件的病害問題相似，可以集中處理，維修措施也更容易做到標準化。

總體上將橋梁構件分為上部結構構件、下部結構構件和附屬工程構件三大類，每一類別下再細分子功能系統(tǒng)，各種橋型中出現(xiàn)的構件都按上述原則列舉在相應類別中，不區(qū)分構件的組成材料、具體構造形式等。表1給出了這種分類方法的一個示例，列舉了橋梁上部結構中的部分構件及其對應的編碼。

此外考慮到橋梁構件的組成材料和具體構造形式是影響其可能發(fā)生的病害的兩個主要因素，還同時從這兩個維度，對橋梁構件進行分類，確定其材料分類和構造形式的分類。以某橋上部結構中的預應力混凝土T梁為例，從構件分類角度，它屬于表1中的主梁；從材料角度，為預應力混凝土；從具體構造形式來說，為T梁。

表1 橋梁構件分類與編碼示例

對橋梁構件進行系統(tǒng)分類后，則可以在創(chuàng)建信息模型時，對它們進行統(tǒng)一描述，保障信息有序而規(guī)范的傳遞，同時也可以讓信息模型和其實際使用功能一一對應。

3.2 模型單元的關聯(lián)關系

橋梁組成構件相互聯(lián)系形成一個有機整體，從而為車輛通行提供可靠空間。與之對應的虛擬信息模型，則也需要定義模型單元間的關聯(lián)關系，才能充分表達實際工程對象。

在橋梁運營養(yǎng)護中，橋梁檢查和技術狀況評定是其中的重要一環(huán)，現(xiàn)行的《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21-2011）采用的分層綜合評定法是先對橋梁各構件進行評定，然后對橋梁各部件進行評定，再對三大部位進行評定，最后進行全橋總體技術狀況評定[5]。該方法隱含了一種橋梁構件的組織方法，即橋梁-部位-部件-構件，因此面向養(yǎng)護建立橋梁BIM模型時，可根據(jù)該方法對一座橋梁進行實體結構分解，分解完成，也就建立了模型單元間的關聯(lián)關系。

圖2給出了某懸索橋的實體結構分解。以主鞍為例，其模型單元與圖中的最細一級一一對應，這些模型單元相互并列，具有相同的構件分類編碼，它們與相應橋梁部件、部位和橋梁的關聯(lián)關系可據(jù)此定義。

圖2 某懸索橋的實體結構分解

在實踐中很容易混淆模型單元的系統(tǒng)分類和模型單元的關聯(lián)關系這兩個概念。一般來說，模型單元的系統(tǒng)分類應盡量保持穩(wěn)定，而關聯(lián)關系則可以根據(jù)不同的應用需求分別定義，圖2中的6個主鞍模型單元，還可以按上下游分成2組，或按橋塔位置分成3組，但其構件分類與編碼始終不變。

3.3 模型單元幾何信息及幾何表達精度

在實際工程中，受制于工程體量、建模成本、模型展現(xiàn)時的軟硬件等條件，信息模型無法做到十分完備和表達出構件的全部幾何真實細節(jié)。針對橋梁養(yǎng)護，應結合養(yǎng)護應用需求，確定BIM模型的信息模型發(fā)展等級LOD[6]。LOD可表達為不同應用階段的模型單元深度、幾何精度和信息深度的全面性的綜合指標。參考GB/T 51301-2018中的定義，橋梁運營養(yǎng)護階段BIM交付模型的LOD應定為LOD4。

關于模型單元深度，可狹義地理解為模型單元的豐富程度。通過對橋梁養(yǎng)護應用需求的調研，橋梁BIM模型LOD4對應的模型單元深度要求，見表2。

表2 LOD4橋梁信息模型的模型單元深度要求

關于模型單元的幾何精度，它會影響模型單元的視覺呈現(xiàn)效果，進而影響人在與模型互動時，能否快速識別模型所表達的工程對象。

幾何精度劃分與LOD等級之間無嚴格對應關系，在同一項目的不同階段，基本模型單元根據(jù)使用需求，可采用不同的幾何精度。面向養(yǎng)護時，橋梁BIM模型LOD4對應的幾何精度要求，可參考表3，其中G2表示滿足空間占位、主要顏色等粗略識別需求的幾何表達精度；G1表示滿足二維化或符號化識別需求的幾何表達精度[4]。

表3 LOD4橋梁信息模型幾何精度要求

3.4 模型單元的屬性信息及信息深度

BIM交付模型中包含的豐富屬性信息是BIM對于養(yǎng)護管理的價值所在，這些屬性信息可為養(yǎng)護工針對運營養(yǎng)護中出現(xiàn)的問題制定解決方案時，提供決策參考。

從模型信息屬性標準化角度出發(fā)，可針對各橋梁構件，制定標準化的信息屬性模板以及定義LOD4對應的信息深度?？傮w上構件屬性可分為基本屬性、構件特有屬性以及材料屬性三大類。表4為橋梁工程上部結構中的主梁，列出了LOD4對應的信息深度要求，即各類屬性中應包含的屬性字段。

表4 主梁LOD4信息模型的信息深度

3.5 屬性值的數(shù)據(jù)來源

模型單元的屬性值隨工程發(fā)展而迭代。當橋梁工程從設計之初即引入BIM模型，則竣工移交時屬性值為經設計和施工階段不斷修正后，最終項目上實際采用的設計規(guī)格。而對在役橋梁，當在其運營養(yǎng)護中引入BIM模型時，屬性值則主要源于竣工圖紙與資料，并仍反映項目實際。

4 結語

在《建筑信息模型設計交付標準》（GB/T 51301-2018）的基本原則的指導下，結合橋梁工程實際，討論了面向養(yǎng)護時橋梁工程信息模型的交付標準。遵守交付標準建立和移交的橋梁BIM模型，進一步接入橋梁檢查、技術狀況、健康監(jiān)測等養(yǎng)護數(shù)據(jù)，以及地圖、氣象、維修、資金計劃等其他數(shù)據(jù)，將為橋梁的運營養(yǎng)護提供一個豐富的數(shù)據(jù)庫，并且BIM模型單元將作為數(shù)據(jù)的承載實體，連接起這些數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工程信息的共享傳遞與可視化表達。