基于BIM技術(shù)的大型橋梁管養(yǎng)平臺研究

吳巨峰 石峻峰3 趙訓(xùn)剛 江 禹 王 鑫

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢 430034；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430034；3.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430034)

引言

近年來，隨著我國橋梁事業(yè)快速發(fā)展，建造了數(shù)量巨大的跨江跨海大橋，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要作用。但在大型橋梁的運(yùn)營過程中，病危情況也逐漸增加，交通安全存在嚴(yán)重隱患，針對大型橋梁的精細(xì)化管理也一直是研究熱點(diǎn)，還需要不斷完善和改進(jìn)現(xiàn)有大型橋梁的養(yǎng)護(hù)管理方法，以確保橋梁健康安全運(yùn)營。

BIM技術(shù)具有可視化、信息化及智能化的顯著特點(diǎn)，目前在很多橋梁工程項(xiàng)目中都有對BIM技術(shù)的研究及應(yīng)用[1]，但大多數(shù)應(yīng)用僅停留在施工階段，應(yīng)用程度也比較淺，而針對養(yǎng)護(hù)管理的BIM應(yīng)用更少。結(jié)合養(yǎng)護(hù)管理實(shí)際需求及BIM技術(shù)建立大型橋梁全壽命期管養(yǎng)平臺，創(chuàng)新管理體制與手段，對實(shí)現(xiàn)大型橋梁全壽命期管理的信息化、智能化，提高養(yǎng)護(hù)管理工作效率具有重大意義。

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

武漢某公路大橋?yàn)槌鞘协h(huán)線跨越長江大型橋梁，全長7548m，主橋?yàn)?38m雙塔雙索面全飄浮體系斜拉橋，主塔高度279.5m。全線橋梁形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程材料數(shù)量大，主橋有大跨、重載、超寬的特點(diǎn)，運(yùn)營管養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)高； 橋址處大重型車輛通行密集，安全隱患風(fēng)險高，因此需要對其建設(shè)及養(yǎng)護(hù)綜合管理技術(shù)進(jìn)行研究，降低運(yùn)營過程中出現(xiàn)危害的風(fēng)險[2]。

1.2 大型橋梁養(yǎng)護(hù)管理中存在的問題

國內(nèi)橋梁重建輕養(yǎng)的現(xiàn)象比較突出，特別是針對各種大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)管理體制不完善，對運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)工作的開展造成了較大影響。同時，大型橋梁有著更高的運(yùn)營管養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對中小型橋梁的簡單管養(yǎng)手段已無法滿足大型橋梁管養(yǎng)需要，部分橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作人員專業(yè)素質(zhì)欠佳，對橋梁的資料保管不當(dāng)，對養(yǎng)護(hù)管理工作也不夠重視，存在橋梁結(jié)構(gòu)巡檢不規(guī)范、橋梁損壞維修不及時等問題。

另外，更突出的問題在于，傳統(tǒng)橋梁全壽命期的信息化程度極為低下，橋梁信息無法有效傳遞及利用，大型橋梁各種資料紛繁復(fù)雜，信息零散，形成信息孤島[3]。在養(yǎng)護(hù)管理中表現(xiàn)為無法精準(zhǔn)定位橋梁損壞部位、無法查看構(gòu)件信息、評估結(jié)果以及對管養(yǎng)過程表達(dá)不夠直觀，管養(yǎng)計劃無法準(zhǔn)確有效執(zhí)行，這些問題對大型橋梁管養(yǎng)精準(zhǔn)度及效率造成了較大的影響。

2 構(gòu)建基于BIM的大型橋梁管養(yǎng)平臺

2.1 平臺優(yōu)勢

平臺依托橋梁BIM模型，整合設(shè)計、施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)全過程信息，基于B/S模式，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命期信息化管理。平臺具有以下優(yōu)勢：

1)橋梁三維可視化。通過BIM技術(shù)建立主體結(jié)構(gòu)模型，GIS和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)真實(shí)還原環(huán)境背景，使橋梁整體更加直觀，同時也可以精確定位到橋梁的各個部位，對需要管養(yǎng)的構(gòu)件及時準(zhǔn)確地傳達(dá)位置信息[4]；

2)信息及時、完整。BIM模型包含大型橋梁全壽命周期基礎(chǔ)信息，同步更新橋梁各部位的實(shí)時數(shù)據(jù)，管養(yǎng)階段包括環(huán)境信息、交通信息、管養(yǎng)計劃、管養(yǎng)資金以及管養(yǎng)進(jìn)度等，不僅能夠快速查看橋梁基礎(chǔ)信息，還能反應(yīng)橋梁管養(yǎng)的狀況，方便各方人員的信息傳遞與溝通，使橋梁的管養(yǎng)更加細(xì)致完整，有利于延長橋梁的壽命周期。

2.2 平臺目標(biāo)

基于BIM的大型橋梁管養(yǎng)平臺，將實(shí)現(xiàn)具體工程數(shù)據(jù)與三維模型對接，實(shí)現(xiàn)人員作業(yè)與橋梁管養(yǎng)各方精準(zhǔn)信息傳遞與協(xié)同[5]，對養(yǎng)護(hù)質(zhì)量、進(jìn)度等信息進(jìn)行有效控制，通過BIM信息化形成標(biāo)準(zhǔn)巡檢養(yǎng)護(hù)流程，保障管養(yǎng)工作各環(huán)節(jié)得到有效執(zhí)行。主要建設(shè)目標(biāo)如下：

(1)施工、管養(yǎng)數(shù)據(jù)和巡檢養(yǎng)護(hù)過程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化；

(2)管養(yǎng)信息結(jié)構(gòu)化、構(gòu)件化；

(3)橋梁構(gòu)件全壽命期信息可追溯，設(shè)計、施工、運(yùn)維資料的構(gòu)件級檢索；

(4)基于BIM二維碼的管養(yǎng)數(shù)據(jù)展示與精細(xì)化管理；

(5)橋梁病害——構(gòu)件綁定自動化管理，病害的四維可視化記錄，提高管養(yǎng)人員工作效率；

(6)管養(yǎng)計劃與橋梁構(gòu)件技術(shù)狀況三維可視化及智能提醒；

(7)管養(yǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合展示，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、報警信息的三維表達(dá)，提高養(yǎng)護(hù)維修的及時性和精準(zhǔn)度。

圖1 基于BIM的大型橋梁管養(yǎng)平臺業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

3 平臺信息管理及管理權(quán)限設(shè)計

3.1 面向管養(yǎng)的BIM編碼

實(shí)現(xiàn)BIM信息化管理基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)數(shù)模分離，通過BIM編碼實(shí)現(xiàn)橋梁三維構(gòu)件化管理，同時考慮設(shè)計、施工、運(yùn)營管養(yǎng)信息集成，串接各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。根據(jù)大型橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，對施工期BIM模型進(jìn)行梳理，基于運(yùn)營養(yǎng)護(hù)需求重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元劃分與合并，并重新制定編碼及映射關(guān)系，建立BIM與管養(yǎng)功能之間的聯(lián)系[6]。

圖2 面向運(yùn)營養(yǎng)護(hù)需求的構(gòu)件編碼

針對大型橋梁大量構(gòu)件編碼工作繁瑣復(fù)雜的情況，目前手動輸入方式，不僅效率低，出錯率也高[6]，缺乏自動化處理方法和工具； 基于此，開發(fā)了自動編碼工具，實(shí)現(xiàn)模型編碼自動化、精確化。首先針對各種大型橋梁構(gòu)件，編譯工程實(shí)體分解(EBS)和工程信息模型分類(IFD)字典庫； 然后通過編程開發(fā)自動編碼工具，導(dǎo)入BIM建模軟件形成工具插件，在工具插件中創(chuàng)建模型新名稱、EBS、IFD編輯欄，并完成構(gòu)件過濾、自動編碼生成、批量化命名等工作； 最終，導(dǎo)出BIM模型上傳至管養(yǎng)平臺，生成構(gòu)件編碼結(jié)構(gòu)樹。

圖3 BIM模型自動化編碼應(yīng)用方案

3.2 構(gòu)件信息檢索

將設(shè)計、施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等管理信息節(jié)點(diǎn)經(jīng)過合理的組織，形成一體化的信息網(wǎng)絡(luò)，減少各環(huán)節(jié)之間的信息流失，使有效信息能夠精確地傳遞與表達(dá)，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期內(nèi)各參與方的信息共享與高效協(xié)同[7]。

圖4 基于BIM的橋梁構(gòu)件信息檢索方案

BIM管養(yǎng)平臺主要包含了橋梁的整體信息、構(gòu)件附加信息和掛接的資料，并從不同的角度進(jìn)行信息分類，實(shí)現(xiàn)了在模型中點(diǎn)擊任意構(gòu)件，可以清晰地預(yù)覽關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)以及關(guān)鍵性施工資料，方便了橋梁運(yùn)營期的管養(yǎng)工作。

圖5 大型橋梁BIM構(gòu)件信息檢索

3.3 BIM二維碼應(yīng)用

按照BIM模型構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)編碼生成唯一動態(tài)二維碼，然后再對應(yīng)粘貼到現(xiàn)場，現(xiàn)場通過平臺內(nèi)提供的APP掃碼即可實(shí)時查看構(gòu)件屬性、養(yǎng)護(hù)及巡查周期、以往存在的問題等信息，并可快捷錄入巡檢養(yǎng)護(hù)信息和作業(yè)智能化打卡，對巡檢養(yǎng)護(hù)工作進(jìn)行精細(xì)化管理，遇突發(fā)情況時，能及時將橋梁現(xiàn)場狀況通報給相關(guān)管養(yǎng)單位，對問題構(gòu)件進(jìn)行及時處理[8]。

3.4 系統(tǒng)層級管理權(quán)限設(shè)計

基于BIM技術(shù)的管養(yǎng)平臺為每個功能設(shè)置了層級訪問權(quán)限和業(yè)務(wù)權(quán)限，同時也對不同角色設(shè)計了不同的功能權(quán)限和數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，規(guī)范了管理者和技術(shù)人員對橋梁信息的使用，避免因權(quán)限控制缺失或操作不當(dāng)引發(fā)的風(fēng)險問題，確保了信息安全。從管養(yǎng)業(yè)務(wù)出發(fā)，設(shè)置了巡查人員、養(yǎng)護(hù)人員、主管工程師等角色，每個角色在病害處置各個環(huán)節(jié)各司其職，通過消息機(jī)制驅(qū)動實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理； 通過BIM可以實(shí)現(xiàn)消息三維可視化表達(dá)，不同角色在BIM模型中可以查看需要自己處理的事務(wù)，并及時進(jìn)行信息反饋，極大提升工作效率。

4 平臺功能實(shí)現(xiàn)

基于BIM技術(shù)的大型橋梁養(yǎng)護(hù)管理平臺依托武漢某公路大橋項(xiàng)目，通過BIM模型集成了設(shè)計施工信息。平臺包括WEB、專用APP兩種應(yīng)用方式，功能包括健康監(jiān)測、巡檢養(yǎng)護(hù)、視頻監(jiān)控等(如圖6所示)，功能模塊之間信息共享，共同構(gòu)建起性能完善的BIM管養(yǎng)平臺。

圖6 BIM管養(yǎng)平臺功能組織

4.1 項(xiàng)目介紹

項(xiàng)目介紹對項(xiàng)目概況、橋梁主體結(jié)構(gòu)、施工過程相關(guān)影像資料進(jìn)行集中管理和展示，包括了項(xiàng)目漫游、項(xiàng)目概況、項(xiàng)目風(fēng)采、工程展示、項(xiàng)目進(jìn)度、行車模擬等功能。

BIM管養(yǎng)平臺提供了橋址原地形地貌實(shí)體模型，可以直觀真實(shí)地掌握橋梁管養(yǎng)現(xiàn)狀以及與周邊環(huán)境的匹配關(guān)系，通過漫游飛行模式鳥瞰項(xiàng)目總覽[9]，足不出戶即可對橋梁養(yǎng)護(hù)管理整體情況了如指掌，還可以對需要重點(diǎn)關(guān)注的巡檢養(yǎng)護(hù)點(diǎn)以及工程部位進(jìn)行快速定位[10]。

4.2 健康監(jiān)測

與健康監(jiān)測系統(tǒng)對接，建立模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，在BIM模型中展示監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)。包括：1)監(jiān)測設(shè)備漫游定位及信息查看； 2)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)與BIM模型實(shí)時關(guān)聯(lián)，在構(gòu)件詳細(xì)信息頁面，能夠查看構(gòu)件綁定的各監(jiān)測點(diǎn)信息和狀態(tài)(正常、橙色報警、紅色報警)； 另外能夠查看監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)、閾值線、歷史數(shù)據(jù)曲線以及全橋線形、整體索力柱狀圖等； 3)監(jiān)測報警聯(lián)動與快速處置，通過短信和郵件的方式提示橋梁管養(yǎng)人員，在BIM模型中直觀展示監(jiān)測報警點(diǎn)位置，可以快速定位查看相關(guān)的數(shù)據(jù)，對報警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處置，實(shí)施快速的響應(yīng)。

圖7 基于BIM技術(shù)的健康監(jiān)測功能

圖8 基于BIM技術(shù)的監(jiān)測報警功能

4.3 巡檢管養(yǎng)

BIM與巡檢管養(yǎng)對接，實(shí)現(xiàn)基于三維構(gòu)件的橋梁巡檢養(yǎng)護(hù)管理。1)通過智能手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)大橋日常巡檢和定期檢查病害的標(biāo)準(zhǔn)化錄入，通過BIM構(gòu)件編碼將其掛接到模型上，實(shí)現(xiàn)巡檢養(yǎng)護(hù)內(nèi)容的四維可視化表達(dá)； 2)將每個構(gòu)件的巡檢養(yǎng)護(hù)周期和實(shí)際執(zhí)行情況與BIM模型集成，對巡檢養(yǎng)護(hù)執(zhí)行進(jìn)度進(jìn)行可視化管理； 3)通過不同顏色對構(gòu)件的技術(shù)狀況進(jìn)行形象化展示，并且可以查看每個構(gòu)件詳細(xì)的病害及養(yǎng)護(hù)情況，增強(qiáng)管養(yǎng)針對性，做到養(yǎng)護(hù)管理工作有的放矢，提高工作效率； 4)對巡檢養(yǎng)護(hù)出勤軌跡進(jìn)行記錄，通過BIM展示派工單內(nèi)容和作業(yè)現(xiàn)場情況，在BIM模型上對病害養(yǎng)護(hù)措施及處置建議進(jìn)行三維批注，并將作業(yè)情況通過智能手機(jī)APP上報，形成作業(yè)前后圖像對比，從而實(shí)現(xiàn)巡檢管養(yǎng)的全流程標(biāo)準(zhǔn)化和信息化。

圖9 基于BIM的橋梁巡檢養(yǎng)護(hù)管理

5 結(jié)語

基于BIM技術(shù)的大型橋梁養(yǎng)護(hù)管理平臺融合GIS、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)傾斜攝影等新技術(shù)，并整合了項(xiàng)目展示、健康監(jiān)測、監(jiān)測報警、巡檢管養(yǎng)等多個子模塊，各個模塊之間可以信息共享，信息表達(dá)更為直觀。平臺在武漢某公路大橋項(xiàng)目應(yīng)用過程中，集成了設(shè)計施工資料，實(shí)現(xiàn)竣工BIM模型電子化交付[11]，為養(yǎng)護(hù)管理提供了多方面的參考數(shù)據(jù)； 三維可視化表達(dá)使得管養(yǎng)過程更加高效，有效形成了從發(fā)現(xiàn)問題到養(yǎng)護(hù)維修的信息化閉環(huán)管理； 通過BIM進(jìn)行各類管養(yǎng)數(shù)據(jù)綜合集成展示，形成各種數(shù)據(jù)看板和報表，極大減少數(shù)據(jù)匯總分析工作量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)一線與管理層面的實(shí)時溝通與組織協(xié)調(diào)[12]。平臺目前還只適用公路橋梁養(yǎng)護(hù)規(guī)范的基本框架，還需進(jìn)一步納入城市、鐵路橋梁相關(guān)內(nèi)容； 同時還有待在更多項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用，不斷提升平臺的用戶體驗(yàn)和應(yīng)用價值。