馬鞍山長江大橋懸索橋管養(yǎng)BIM 信息系統(tǒng)研發(fā)實踐

戴 瑋，孫 莉

（1. 安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088；2. 公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽合肥 230088）

引 言

作為道路交通網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點，長大橋梁的安全運行至關(guān)重要。為保障其安全運行，在目前的養(yǎng)護管理中，一些長大橋梁部署了橋梁管理系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)，以分別實現(xiàn)對橋梁檢查數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與管理，從而更好地指導(dǎo)橋梁維修、翻新或重建。但在實際橋梁運營管理中發(fā)現(xiàn)還存在以下問題：

（1）各系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)主要以表單的形式展現(xiàn)，存在重點不突出，內(nèi)容不具體、表達不形象、標準不統(tǒng)一等問題；

（2）各系統(tǒng)獨立運行，數(shù)據(jù)未融合，功能拓展性較差。

針對以上問題，為提高長大橋梁養(yǎng)護管理過程中數(shù)據(jù)與信息的使用效率，基于現(xiàn)代信息技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展融合而成的BIM 技術(shù)，近年來逐漸開始受到學(xué)者們的重視，研究將其應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護管理中的實現(xiàn)路徑、框架或方法等［1-3］，如歐盟Infrava?tion 基金支持的SeeBridge 項目，致力于研發(fā)一款面向未來的橋梁管理與檢測平臺，探索通過采用激光點云、BIM 等技術(shù)，來獲取、收集和管理橋梁養(yǎng)護所需的各類數(shù)據(jù)與信息［1］；文獻［2］介紹了韓國一個基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和Midas CIM 的新型橋梁管理系統(tǒng)的研發(fā)。此外歐美國家的一些商業(yè)橋梁檢測管理軟件則推出了3D 檢查模塊，突出BIM 技術(shù)的應(yīng)用?？梢娺@將是未來的發(fā)展方向之一。

1 BIM 在橋梁養(yǎng)護管理中的應(yīng)用概述

一般認為，將BIM 應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護管理中，將帶來以下改變：

（1）融合信息模型與養(yǎng)護管理、設(shè)施管理等系統(tǒng)，為運營養(yǎng)護提供完備的信息庫，并將傳統(tǒng)的基于文件的信息組織，向面向?qū)ο蟮男畔⒔M織方式轉(zhuǎn)變［4］；

（2）通過鏈接運營養(yǎng)護數(shù)據(jù)與信息模型，實現(xiàn)信息的可視化直觀展示；并融合新興技術(shù)的發(fā)展如混合現(xiàn)實MR 等，逐漸實現(xiàn)對工程隱蔽部位的更好管理，最終實現(xiàn)智慧運營；

（3）融合信息技術(shù)的發(fā)展，逐漸實現(xiàn)養(yǎng)護、監(jiān)測、管理等數(shù)據(jù)的實時傳輸、實時展示、實時分析，從而輔助養(yǎng)護決策，提高養(yǎng)護工作效率。

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護管理中，即面向養(yǎng)護管理階段的相應(yīng)需求，提供一套較完備的信息模型，并以合適的方式交付給業(yè)主，方便其查閱、分享和使用，并運用BIM 技術(shù)在可視化、關(guān)聯(lián)性、協(xié)調(diào)性等方面的優(yōu)勢，不僅有一個具有一定精細度的全橋三維模型，還將搭建網(wǎng)絡(luò)協(xié)作平臺，以模型為載體，添加沿襲自設(shè)計和施工階段的信息，并對接橋梁原有各個獨立管理系統(tǒng)中的養(yǎng)護信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，形成一個較完善的橋梁工程信息庫，各類數(shù)據(jù)信息由圖形驅(qū)動。在累積了一定量的病害數(shù)據(jù)后，可借助大數(shù)據(jù)分析，獲得各類病害的時空變化圖。當進一步開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的養(yǎng)護管理和輔助決策等功能，則可對橋梁原先部署的各類獨立系統(tǒng)升級，形成新的橋梁養(yǎng)護管理綜合信息系統(tǒng)。

目前已有較多BIM 在橋梁設(shè)計與施工階段的應(yīng)用案例，而關(guān)于BIM 在橋梁運營養(yǎng)護中的應(yīng)用，則案例相對較少。本文以馬鞍山長江大橋左汊懸索橋為依托項目，探討在我國橋梁養(yǎng)護管理相關(guān)規(guī)范所定義的框架下，基于BIM 的長大橋梁管養(yǎng)信息系統(tǒng)的研發(fā)實踐。

2 馬橋左汊懸索橋橋梁概況

馬鞍山長江大橋左汊懸索橋建成于2013 年，是世界上最大跨度的雙主跨懸索橋之一，擁有兩個1080 m 主跨。橋梁橫向按雙向6 車道高速公路設(shè)計，設(shè)計時速100 km/h。全橋三維模型的渲染效果如圖1 所示。

橋梁主纜跨徑（360+1080+1080+360）m，主跨纜垂跨比1/9，橋塔為門式塔，兩邊塔為混凝土結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜的中塔采用鋼-混疊合塔，疊合區(qū)段如圖2 所示，橋塔樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁；南北錨碇均采用沉井基礎(chǔ)。主纜采用預(yù)制平行鋼絲索股，單根主纜由154 束91 根φ5.2 mm 鍍鋅高強鋼絲組成；主纜索股經(jīng)散索鞍散開后，先與錨塊前錨面外的錨桿相連，再通過后錨梁傳力給錨塊，單邊單側(cè)設(shè)94 個錨桿，分單束錨桿和雙束錨桿；吊索采用銷接式，由預(yù)制平行鋼絲束制成，索距16 m，共132 對，其中標準索由109 根φ5.0 mm 鋼絲組成；加勁梁采用扁平流線型鋼箱梁，標準段梁高3.5 m，含風(fēng)嘴的梁寬38.5 m。根據(jù)近年來的定期檢查報告，該橋運行狀況良好，主要病害為鋼構(gòu)件的防護涂層劣化。

3 管養(yǎng)BIM 信息系統(tǒng)案例實踐

3.1 橋梁管養(yǎng)BIM 信息系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)的開發(fā)及相關(guān)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作基于如圖3 所示的層次圖開展。系統(tǒng)功能總體分為橋梁養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)的錄入和數(shù)據(jù)查詢與實時渲染兩部分，數(shù)據(jù)錄入實現(xiàn)各類橋梁檢查數(shù)據(jù)的錄入、定期檢查技術(shù)狀況的自動評分等功能；數(shù)據(jù)查詢與實時渲染，則實現(xiàn)原始配置和后期錄入的橋梁養(yǎng)護管理數(shù)據(jù)在位于三維地理信息系統(tǒng)中模型上的動態(tài)展示。

目前有關(guān)信息模型交付，占據(jù)主流的是商業(yè)軟件及其二次開發(fā)客戶端，如Bentley Navigator，Au?todesk Navisworks 等，但其兼容性差，且功能有限，多關(guān)注工程設(shè)計階段的應(yīng)用，因此近年來通過B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)的Web 交付方式，因簡單易用、易于擴展等特點，開始受到人們的青睞。Web 端的三維圖形顯示以往多通過插件實現(xiàn)，但隨著HTML5 標準的推廣，通過WebGL 進行三維顯示逐漸成為主流的方式［5］。本文所介紹的案例在信息模型交付方面即采用了這一方案，系統(tǒng)可視化模塊結(jié)合使用GIS 和BIM 技術(shù)。

3.2 信息模型創(chuàng)建

大橋的三維模型采用Bentley 系列軟件來進行創(chuàng)建，其中三維路線的建立采用了OpenRoads De?signer，與路線相關(guān)的主梁、橋面鋪裝等構(gòu)件采用OpenBridge Modeler 創(chuàng)建，其他大部分橋梁構(gòu)件和附屬設(shè)施則采用了通用建模軟件MicroStation 來創(chuàng)建。以上所生產(chǎn)的三維模型均為DGN 數(shù)據(jù)格式，通過使用基于MicroStation 二次開發(fā)的程序，將其轉(zhuǎn)換為適應(yīng)信息系統(tǒng)前端Cesium 框架的GLTF 格式，從而實現(xiàn)WEB 端的橋梁模型渲染顯示。

根據(jù)GB/T 51301-2018［6］，建筑信息模型應(yīng)包含以下內(nèi)容：1）模型單元的系統(tǒng)分類；2）模型單元的關(guān)聯(lián)關(guān)系；3）模型單元幾何信息及幾何精度；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。在本文案例實施時，JTG/T 2420-2021［7］，JTG/T 2421-2021［8］還未發(fā)布。本案例制訂了項目級的信息模型分類和編碼標準以及交付標準，在這些標準的指導(dǎo)下，建立了各類構(gòu)件的屬性模板。以塔柱節(jié)段為例，中塔上游“M-U-1#塔柱節(jié)段”的部分屬性如表1 所示。

表1 “M-U-1#塔柱節(jié)段”信息

由于面向的是運營養(yǎng)護階段的應(yīng)用需求，本案例參考公路橋梁技術(shù)狀況評估時采用的分層綜合評定法［9］，采用“橋梁→部位→部件→構(gòu)件組→最小檢查構(gòu)件”的方法來對整座橋梁進行實體結(jié)構(gòu)分解，以建立橋梁模型單元之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最小檢查構(gòu)件即BIM 模型中的單個模型單元，對應(yīng)信息模型分類標準中的最細層級。在檢查部件與構(gòu)件之間，添加了構(gòu)件組這一劃分單位，構(gòu)件組作為一個或多個最小橋梁檢查構(gòu)件所組成的集合，對應(yīng)橋梁技術(shù)狀況評估時的評分構(gòu)件的概念，將有助于信息模型與技術(shù)狀況評估數(shù)據(jù)的鏈接。經(jīng)統(tǒng)計，全橋的信息模型包含橋梁構(gòu)件和附屬設(shè)施4476 個，健康監(jiān)測傳感器260 個，工程屬性信息10 萬余條。

3.3 橋梁檢查數(shù)據(jù)的標準化與結(jié)構(gòu)化

橋梁檢查數(shù)據(jù)是橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)的重要組成部分，內(nèi)容主要包含病害數(shù)據(jù)和項目檢查數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，是利用數(shù)據(jù)庫中二維表結(jié)構(gòu)來表達數(shù)據(jù)，可以通過固有鍵值獲取相應(yīng)信息。特點為數(shù)據(jù)以行為單位，一行數(shù)據(jù)表示一個實體的信息，每一行數(shù)據(jù)的屬性相同?；跀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的定義和特點，并考慮橋梁病害的特點，將病害數(shù)據(jù)分為以下兩類，并分別建立數(shù)據(jù)庫表單：

（1）病害的基礎(chǔ)屬性，包括ID、類型、名稱、起終止時間、維修狀態(tài)、處理情況等；

（2）病害的獨立屬性，根據(jù)病害類型的不同，有不同的特征參數(shù)描述。

以鋼構(gòu)件涂層劣化病害為例，病害分類編碼為2010［10］，檢查任務(wù)ID 可定義到某單次檢查記錄，病害ID 為該次檢查記錄中該病害的全局唯一標識符GUID，其作用為通過映射到對應(yīng)的橋梁構(gòu)件ID 后，可以將該病害與對應(yīng)構(gòu)件關(guān)聯(lián)起來，從而達到定位及統(tǒng)計病害的目的，并作為進行下一步評定工作的基礎(chǔ)。

在以上標準工作的基礎(chǔ)上，將橋梁近年的檢查數(shù)據(jù)全部結(jié)構(gòu)化和數(shù)字化；再通過數(shù)據(jù)接口服務(wù)，將健康監(jiān)測數(shù)據(jù)也接入系統(tǒng)中；此外，由于采用的是基于GIS 的系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，相關(guān)地圖服務(wù)、氣象信息也很容易接入。

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的鏈接，在梳理橋梁養(yǎng)護管理各項業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，建立了符合管養(yǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的橋梁、部位、部件、構(gòu)件組、構(gòu)件、病害記錄、檢查記錄等之間的E-R 實體關(guān)系圖，為數(shù)據(jù)融合打下堅實基礎(chǔ)。

3.4 系統(tǒng)主要功能

3.4.1 基于模型的橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)查詢與渲染

（1）橋梁基本信息概覽

基本信息概覽分橋梁基本信息和最新技術(shù)狀況評分的展示，以及圖形窗口中的信息展示。按前述的“橋梁→部位→部件→構(gòu)件組→最小檢查構(gòu)件”的實體結(jié)構(gòu)分解方法，為全橋的構(gòu)件建立了清晰明了的目錄樹，如圖4-5 所示。

表2 鋼構(gòu)件涂層劣化（2010）的部分屬性信息

通過目錄樹，可定位至選中的橋梁構(gòu)件，并打開屬性窗口，此外通過直接點擊橋梁構(gòu)件模型單元，也能打開屬性窗口，獲取與構(gòu)件關(guān)聯(lián)的構(gòu)件設(shè)計與施工信息、病害信息、技術(shù)狀況數(shù)據(jù)和圖紙資料等。通過切換屬性窗口上的信息標簽，即可查詢不同的數(shù)據(jù)信息。

（2）病害信息查詢和展示

通過選擇病害類型、發(fā)現(xiàn)時間段、病害發(fā)展類型、病害嚴重程度等查詢條件，可對橋梁上的病害進行查詢，并在圖形模塊中的信息模型上同步標記查詢結(jié)果，如圖6 所示。進一步點擊病害圖標，則可獲取病害的詳情以及病害隨時間的發(fā)展情況，如圖7所示。

（3）技術(shù)狀況數(shù)據(jù)結(jié)合模型的專題渲染

在前述橋梁養(yǎng)護數(shù)據(jù)標準化和結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)上，橋梁各年度技術(shù)狀況評定的橋梁評分、部位評分、部件評分和構(gòu)件組評分等，可結(jié)合橋梁模型進行相應(yīng)的專題渲染，數(shù)據(jù)展示直觀明了，如圖8 所示。

（4）運行監(jiān)測信息的融合管理

大橋信息模型包含了各類傳感器，并通過接口服務(wù)接入了健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可根據(jù)傳感器類型或其目錄樹，進行傳感器基本信息、歷史與實時數(shù)據(jù)和報警信息等的查詢與展示，如圖9 所示。

3.4.2 基于模型的病害數(shù)據(jù)錄入

目前橋梁定檢仍主要采用人工逐條記錄、拍照的方式開展，需檢測人員在現(xiàn)場用描述性語言對病害的位置、形態(tài)、嚴重程度等進行記錄和評價，再輔以照片說明。這一記錄方法的結(jié)果呈現(xiàn)，多為一條條數(shù)據(jù)集合，不夠形象直觀。本案例則采用了基于模型的橋梁病害數(shù)據(jù)錄入，以點元素在圖形中表達病害對象，并在病害的基礎(chǔ)屬性集中，增加了經(jīng)度、緯度與高程的屬性字段。病害定位的基礎(chǔ)是加載在三維地理信息系統(tǒng)中的橋梁三維模型，該模型是將商業(yè)建模軟件創(chuàng)建的模型，經(jīng)格式和坐標轉(zhuǎn)換后形成的，其有較準確的空間位置信息。

在病害錄入時，通過與三維地理信息系統(tǒng)中的橋梁構(gòu)件三維模型交互操作，獲取病害特征標記點的經(jīng)緯度高程。圖10 給出了在橋塔鞍罩上記錄涂層劣化病害時的示意圖，通過在圖形窗口橋梁模型的相應(yīng)位置上點擊，即可以獲取病害點的經(jīng)緯度高程，并在圖形中增加一個紅色病害標記點。此外，在病害數(shù)據(jù)錄入時，選擇橋梁構(gòu)件后，系統(tǒng)即自動推送該構(gòu)件上存在的歷史病害信息（如有），如果某個歷史病害仍然存在于構(gòu)件上，且有發(fā)展，則可在系統(tǒng)推送的病害歷史詳情的基礎(chǔ)上，更新該病害的信息。

4 結(jié) 語

（1）本文依據(jù)橋梁養(yǎng)護管理相關(guān)規(guī)范，結(jié)合馬鞍山長江大橋左汊懸索橋管養(yǎng)需求，開發(fā)了基于BS架構(gòu)的BIM 信息系統(tǒng)，采用WebGL 標準將懸索橋的工程信息模型在瀏覽器中進行渲染與表達，并以信息模型為紐帶，將橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、病害數(shù)據(jù)、技術(shù)狀況數(shù)據(jù)和健康監(jiān)測數(shù)據(jù)等鏈接起來。

（2）目前該系統(tǒng)已部署使用，針對大橋的日常檢查與管理實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化、集成化，一定程度上提升了大橋管理的精細化水平。因為大跨懸索橋的模型體量巨大，三維模型在Web 端的順暢展示需耗費較多計算機資源。未來將研究采用云計算的方式解決此問題。

（3）目前我國橋梁養(yǎng)護管理雖已推廣使用CBMS 等系統(tǒng)，但由于相關(guān)橋梁養(yǎng)護規(guī)范對技術(shù)狀況評價之外的如構(gòu)件退化、養(yǎng)護策略、養(yǎng)護規(guī)劃等較少涉及，各類養(yǎng)護管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對橋梁養(yǎng)護決策的支持還有限。本文所介紹案例，重點解決了橋梁數(shù)據(jù)的可視化問題，未來將進一步研究數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用。