如何讓BIM在橋梁全生命周期充分發(fā)揮作用

文 中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司 吳宏波

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡(jiǎn)稱“BIM”）技術(shù)作為信息技術(shù)的代表之一，近年來在公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中開始受到廣泛重視并得到大量應(yīng)用。與建筑、市政、鐵路等領(lǐng)域相比，公路領(lǐng)域開展BIM研究和應(yīng)用較晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛。以中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)為例，2014年，集團(tuán)就針對(duì)BIM開展特大科研項(xiàng)目立項(xiàng)，并組織集團(tuán)重點(diǎn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。幾年來，BIM技術(shù)在項(xiàng)目上的應(yīng)用，已經(jīng)從最初重點(diǎn)集中于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的方案展示、碰撞檢查、三維模型制作，逐步發(fā)展到正向設(shè)計(jì)，施工進(jìn)度、質(zhì)量和成本管理，再到運(yùn)維階段的建養(yǎng)一體化管養(yǎng)平臺(tái)搭建，逐步展示出通過BIM技術(shù)手段在橋梁工程全生命周期實(shí)現(xiàn)信息傳遞、共享、使用所帶來的巨大效益。

方案設(shè)計(jì)階段

橋梁設(shè)計(jì)的第一步是方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)確定橋型選擇、跨徑布置、主要結(jié)構(gòu)方案及尺寸、施工方案、工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。這一階段對(duì)BIM的研究和應(yīng)用，重點(diǎn)在地形模型、地質(zhì)模型、橋梁方案的結(jié)構(gòu)模型等方面。對(duì)此，長(zhǎng)大橋國(guó)家中心和公規(guī)院開展了智能設(shè)計(jì)研究，不同于傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)軟件以力學(xué)計(jì)算分析為中心，智能設(shè)計(jì)以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心，針對(duì)橋梁的安全、經(jīng)濟(jì)性、工期等多目標(biāo)開展優(yōu)化研究，并有針對(duì)性地設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)既有成功設(shè)計(jì)案例的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)提出針對(duì)目標(biāo)建設(shè)條件的合理橋梁方案。

地形模型

目前，獲取地形模型所需圖像信息的方式主要有衛(wèi)星圖片、航拍、無人機(jī)拍攝、激光掃描等幾種。衛(wèi)星圖片是最容易獲取的信息，但受限于圖片精度，無法達(dá)到工程要求。航拍、無人機(jī)拍照、激光掃描在精度上都可以達(dá)到工程要求。實(shí)際應(yīng)用表明，對(duì)于如基坑開挖防護(hù)等小范圍地形抽模，旋翼式小型無人機(jī)即可勝任，但是如果對(duì)高速公路等大范圍地形進(jìn)行建模工作，使用大型固定翼無人機(jī)才是更好的選擇。

地質(zhì)模型

公規(guī)院團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高精度三維地質(zhì)模型軟件，采用高精度的三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)無需人工交互的智能化三維地形地質(zhì)一體化融合重構(gòu)，同時(shí)采用后臺(tái)云計(jì)算快速建模，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

利用地質(zhì)模型，長(zhǎng)大橋國(guó)家中心開發(fā)了樁基正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了樁長(zhǎng)自動(dòng)計(jì)算，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

橋梁方案模型

通過將工程模型與場(chǎng)地模型相結(jié)合，可以在投標(biāo)和方案研究階直觀方便地選擇和優(yōu)化工程方案。圖1-1、1-2是新疆龍口一號(hào)大橋剛構(gòu)橋方案和拱橋方案的比較模型圖。

圖1-1.剛構(gòu)橋方案

圖1-2.拱橋方案

橋梁方案智能設(shè)計(jì)

目前，長(zhǎng)大橋國(guó)家中心正在開展橋梁方案智能設(shè)計(jì)研究。以圖2為例，通過建立橋梁數(shù)據(jù)知識(shí)庫，利用機(jī)器學(xué)習(xí)既有成功設(shè)計(jì)案例的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)代替工程師提出針對(duì)目標(biāo)建設(shè)條件的合理橋梁方案，并根據(jù)目標(biāo)權(quán)重對(duì)方案進(jìn)行打分，幫助設(shè)計(jì)者選擇方案。這種方式可以充分融入眾多優(yōu)秀設(shè)計(jì)師的先進(jìn)思想，避免由于個(gè)體認(rèn)識(shí)不足造成的方案缺陷。

橋梁方案VR展示

工程的總體方案可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)展示，以直觀感受設(shè)計(jì)方案的真實(shí)效果。公規(guī)院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的大連灣跨海大橋，對(duì)比了多種傾斜角度（0度、5度、7度）的橋塔方案，直觀地展示了各種傾斜角度的橋塔在車行和船行兩個(gè)視角下的視覺效果，幫助業(yè)主確定最終方案。

圖2.橋梁方案智能設(shè)計(jì)技術(shù)路線

施工圖設(shè)計(jì)階段

在橋梁施工圖設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)完成具體結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)造優(yōu)化、配筋設(shè)計(jì)、施工工藝選擇等工作。這一階段對(duì)BIM的研究和應(yīng)用，重點(diǎn)在BIM正向設(shè)計(jì)、碰撞檢查、設(shè)計(jì)分析一體化、正向二維出圖等方面。總體而言，這一階段的智能深化設(shè)計(jì)尚處在探索研究階段。

BIM正向設(shè)計(jì)

BIM正向設(shè)計(jì)是目前的趨勢(shì)。首先是參數(shù)化建模，通過建立土木工程結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫（如箱梁、橋塔、墩身、基礎(chǔ)等），可實(shí)現(xiàn)快速參數(shù)化建模。同時(shí)，符合規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)化建模方式是實(shí)現(xiàn)下文所述設(shè)計(jì)計(jì)算一體化的關(guān)鍵。由此看來，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫（族庫）隨著工程實(shí)例的增加而不斷完善，最終將成為一家單位的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。碰撞主要分幾何碰撞和時(shí)間流程碰撞兩類，在設(shè)計(jì)階段主要針對(duì)的是幾何碰撞。對(duì)于橋梁設(shè)計(jì)而言，主要是結(jié)構(gòu)的碰撞、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的碰撞，以及機(jī)電管線的碰撞。采用BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，碰撞檢查可以有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

設(shè)計(jì)分析一體化

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常希望通過一個(gè)模型同時(shí)完成設(shè)計(jì)和總體計(jì)算工作。但由于橋梁BIM模型是實(shí)體模型，而總體計(jì)算模型是桿、梁、索單元的簡(jiǎn)化模型，需要將實(shí)體模型抽象成簡(jiǎn)化單元，并進(jìn)行多方面的簡(jiǎn)化考慮。公規(guī)院基于自主研發(fā)的三維非線性計(jì)算分析軟件OSIS，編制了一套可參數(shù)化的命令流語言，通過修改參數(shù)來驅(qū)動(dòng)橋梁模型，實(shí)現(xiàn)有限元模型的快速修改，以此參數(shù)化的命令流為核心，完成BIM建模軟件與分析軟件的互通。通過參數(shù)化建模軟件Dynamo提供的Python語言，將參數(shù)化腳本文件自動(dòng)生成OSIS軟件能夠識(shí)別的命令流，從而根據(jù)BIM模型在分析軟件OSIS中生成節(jié)點(diǎn)、截面，并添加邊界條件，自動(dòng)建立有限元模型，用于結(jié)構(gòu)總體計(jì)算。當(dāng)對(duì)BIM模型進(jìn)行修改時(shí)，有限元模型也會(huì)自動(dòng)修正，實(shí)現(xiàn)了BIM參數(shù)化建模與有限元總體計(jì)算的統(tǒng)一。

面對(duì)整個(gè)正向設(shè)計(jì)的全過程，公規(guī)院正在研究建立以數(shù)據(jù)為中心的橋梁全過程數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)智能設(shè)計(jì)體系，從而對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率進(jìn)行有效管理。

圖3.以數(shù)據(jù)為中心的橋梁全過程數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)智能設(shè)計(jì)體系

正向二維出圖

由于長(zhǎng)期以來形成的習(xí)慣，工程師們還是離不開二維圖紙，利用三維BIM模型，在符合一般制圖規(guī)定的前提下快速批量生成二維圖紙，是亟需提升的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對(duì)BIM軟件的二次開發(fā)，筆者團(tuán)隊(duì)目前已基本解決了二維出圖問題。

施工階段

設(shè)計(jì)階段生成的BIM模型與施工階段無縫銜接是應(yīng)用BIM技術(shù)的一個(gè)重要目標(biāo)。施工階段對(duì)BIM的研究和應(yīng)用，重點(diǎn)在利用模型指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、施工工藝的檢驗(yàn)，并管理施工進(jìn)度、質(zhì)量、成本。同時(shí)，根據(jù)施工的實(shí)際情況，也可以反過來修正設(shè)計(jì)BIM模型，最終形成用于數(shù)字化交付的施工模型。

鋼構(gòu)件預(yù)制和拼裝

公規(guī)院主持設(shè)計(jì)的港珠澳大橋采用橋—島—隧形式，其中沉管隧道最終接頭的設(shè)計(jì)和施工是大橋建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。為保證最終接頭的加工精度，團(tuán)隊(duì)攜手設(shè)備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)了BIM模型在設(shè)計(jì)和預(yù)制環(huán)節(jié)的無縫銜接。將BIM模型導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床，采用自主研發(fā)軟件自動(dòng)進(jìn)行工藝余量添加，通過半自動(dòng)套料排版，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化下料切割，之后再進(jìn)行鋼構(gòu)件拼裝。這一技術(shù)顯著提高了新型整體預(yù)制安裝式鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率和精確度，縮短了設(shè)計(jì)和施工整體工期，保障了沉管隧道最終成功沉放對(duì)接。

施工協(xié)同管理平臺(tái)

在施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)的關(guān)鍵是展示完整施工過程的BIM模型和相應(yīng)的施工管理平臺(tái)，確?？蛇M(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的虛擬施工模擬、圖紙及模型管理、材料管理、施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量管理、數(shù)字孿生等。通過虛擬施工模擬，在實(shí)際施工前就能了解整個(gè)項(xiàng)目施工的過程、結(jié)果及對(duì)應(yīng)的工程量，為實(shí)際工程項(xiàng)目施工提供經(jīng)驗(yàn)和最優(yōu)可行方案。將BIM模型附加施工進(jìn)度計(jì)劃屬性參數(shù)，形成4D模型，可直觀展現(xiàn)計(jì)劃建造過程，并通過手機(jī)、iPad等終端溝通施工方、監(jiān)理方和管理者，通過反饋的實(shí)際施工信息，分析其與進(jìn)度計(jì)劃的偏差，合理糾偏并調(diào)整進(jìn)度計(jì)劃，使管理者對(duì)工程量及進(jìn)度一目了然。

施工監(jiān)控

長(zhǎng)大橋國(guó)家中心在內(nèi)蒙古昭君黃河大橋的施工中，結(jié)合施工協(xié)同管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了施工監(jiān)控，主要功能包括數(shù)據(jù)采集、在線分析評(píng)估信息、實(shí)時(shí)安全預(yù)警及決策等，達(dá)到了較好效果。

圖4.BIM+IOT+施工監(jiān)控（昭君黃河大橋）

智慧工地

目前的智慧工地，主要根據(jù)施工建造場(chǎng)景，按照人員安全管理、設(shè)備安全管理、結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)識(shí)別等內(nèi)容，通過多目標(biāo)、多角度、多環(huán)境、多距離的圖像采集，建立人員、設(shè)備、結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)庫，通過研究圖像智能化采集、標(biāo)注、去重、清洗和入庫算法，形成橋梁建造圖像庫，利用圖像庫完成圖像分析、預(yù)警、應(yīng)對(duì)，實(shí)現(xiàn)智慧化的工地管理。

運(yùn)維階段

運(yùn)維階段也是BIM技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)，橋梁運(yùn)維階段占橋梁全生命周期的大部分時(shí)間，面臨著大量監(jiān)測(cè)檢測(cè)信息處理任務(wù)，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)針對(duì)危險(xiǎn)及時(shí)預(yù)警和提出針對(duì)災(zāi)害的防治決策。因此，建立一個(gè)功能完善的建養(yǎng)一體化BIM管理系統(tǒng)是非常重要的，這也是BIM技術(shù)和智能技術(shù)發(fā)揮作用的重要戰(zhàn)場(chǎng)。

智能監(jiān)測(cè)和數(shù)字化巡檢

目前，監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)設(shè)備的智能化是研究熱點(diǎn)，在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式的基礎(chǔ)上，智能傳感設(shè)備及組網(wǎng)、非接觸式監(jiān)測(cè)等技術(shù)都進(jìn)一步提升了監(jiān)測(cè)工作的智能化水平。面對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與異常識(shí)別技術(shù)也在不斷完善，有效提高了應(yīng)急預(yù)警和反饋的效率。作為信息的載體、決策的指揮中心、行動(dòng)的協(xié)調(diào)中心，建養(yǎng)一體化BIM管理平臺(tái)承擔(dān)著重要職責(zé)。

除長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)外，定期檢測(cè)同樣對(duì)橋梁損傷的發(fā)生和發(fā)展、結(jié)構(gòu)性能評(píng)估預(yù)測(cè)起著重要作用。對(duì)于約束關(guān)鍵裝置、主要受力構(gòu)件等關(guān)鍵部位，采用基于視頻增強(qiáng)的智能無損檢測(cè)等技術(shù)，融合機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺等新技術(shù)，再結(jié)合健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、室內(nèi)試驗(yàn)等方法和手段，能夠更好地保障大橋的安全和運(yùn)營(yíng)。

圖5.智能監(jiān)測(cè)體系（智能傳感設(shè)備及組網(wǎng)、非接觸式監(jiān)測(cè)）

橋梁建養(yǎng)一體化云平臺(tái)

目前，長(zhǎng)大橋國(guó)家中心在位于河北固安的研發(fā)基地建立了基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化云平臺(tái)，硬件設(shè)備主要來自監(jiān)控大廳和橋梁云數(shù)據(jù)中心，軟件系統(tǒng)則由橋梁運(yùn)維BIM模型、橋梁實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、數(shù)字化巡檢系統(tǒng)、橋梁評(píng)估及預(yù)警決策系統(tǒng)組成。

抗災(zāi)及總體服役性能評(píng)估預(yù)警

在橋梁運(yùn)維BIM模型上分析智能監(jiān)測(cè)和數(shù)字化巡檢得到的運(yùn)維信息，可進(jìn)行橋梁抗災(zāi)及總體服役性能評(píng)估預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、巡查檢查、養(yǎng)護(hù)檢測(cè)評(píng)定、日常養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)工程等養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)全過程的信息化、智能化管理。關(guān)鍵技術(shù)包括橋梁運(yùn)維多源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及融合技術(shù)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)差異性病害計(jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)智能識(shí)別算法及特征提取技術(shù)、結(jié)構(gòu)重要性評(píng)價(jià)技術(shù)、關(guān)鍵構(gòu)件及結(jié)構(gòu)體系服役狀況評(píng)估技術(shù)、養(yǎng)護(hù)及性能提升關(guān)鍵技術(shù)等。

近年來，數(shù)字孿生與智能建造是兩個(gè)熱門話題。筆者認(rèn)為，智能建造建立在高度信息化、工業(yè)化、智能化的基礎(chǔ)上，而BIM模型是智能建造的基礎(chǔ)，也是將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在智能建造中的基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生技術(shù)，即指某種物理產(chǎn)品在數(shù)字化空間中的虛擬映射。事實(shí)上，公路行業(yè)所希望實(shí)現(xiàn)的BIM在橋梁全生命周期中的應(yīng)用，本質(zhì)上就是數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。只是目前限于建設(shè)管理模式和軟件技術(shù)水平，離真正的數(shù)字孿生尚有較大差距。

總的來看，將BIM技術(shù)與設(shè)計(jì)分析計(jì)算、施工控制、運(yùn)營(yíng)安全分析評(píng)估預(yù)警等需要大量分析計(jì)算能力的工作進(jìn)行有效融合，是現(xiàn)階段的主要發(fā)展方向?；贐IM技術(shù)向數(shù)字孿生、智能建造逐步發(fā)展，是行業(yè)未來的主要研究方向。筆者團(tuán)隊(duì)目前開發(fā)的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)，功能還不完善，如施工控制、智能評(píng)估預(yù)警、應(yīng)急處置等功能尚有待改進(jìn)，相信通過下一步持續(xù)不斷的研究加以針對(duì)性改善，將最終形成企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。