BIM與云、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橋梁全生命周期中的研究及應用

王慶賀,劉瑞鑫,孫立曄,楊永琛

(沈陽建筑大學土木工程學院,沈陽 110168)

1 概述

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，新一輪的數(shù)字化變革已經(jīng)展開。為應對即將到來的挑戰(zhàn)，我國在《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中明確提出要在“十三五”時期全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強BIM與大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)集成應用能力[1]；“十九大”報告中也指出，要“推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合”[2]。將這些新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合，是時代發(fā)展的趨勢。

在此背景下，學者們進行了系列理論與應用研究，張云翼等[3]通過文獻調(diào)研，指出我國新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM的融合應用尚處于初級階段，缺乏理論指導，工程應用也面臨挑戰(zhàn)；韓冬辰等[4]聚焦于現(xiàn)有BIM體系的建成信息缺位而導致的“信息-物理”不交互，進行了建筑數(shù)字孿生體的理論框架和建成信息部分的理想化建構(gòu)；王成龍等[5]提出可從任意角度對BIM云平臺中三維模型進行剖切的分割算法，可以解決BIM云平臺中三維模型剖切面信息獲取的難題；張貴忠[6]通過對基于互聯(lián)網(wǎng)搭建的橋梁現(xiàn)場感知體系的研究，解決BIM模型的輕量化問題，實現(xiàn)了管理手段和項目管控方式的創(chuàng)新；謝琳琳等[7]基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)管理平臺的研究，實現(xiàn)了物理施工系統(tǒng)與虛擬施工系統(tǒng)之間的實時交互；劉天成等[8-9]通過探索基于BIM平臺的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息融合技術(shù)，實現(xiàn)了BIM平臺對橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的實時獲取、分析和智能預警決策。上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前研究多以單點應用研究為主，基本集中于橋梁的施工或運維階段，缺乏全生命周期中多項技術(shù)集成應用研究。

基于此，開展橋梁全生命周期多項技術(shù)集成應用研究，綜合應用云計算、物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)，構(gòu)建適用于橋梁全生命周期的BIM信息管理平臺，解決項目全生命周期的信息孤島問題，改善工程數(shù)據(jù)的積累、存儲、管理及應用狀況，提高全生命周期內(nèi)各參與方的協(xié)同管理能力，實現(xiàn)全方位三維可視化管控和精細化管理，為新興信息技術(shù)與BIM技術(shù)集成應用的相關(guān)研究提供參考。

2 BIM信息管理平臺研發(fā)

2.1 平臺建設思路

以工程三維模型為載體，打造基于BIM技術(shù)的工程項目管控系統(tǒng)，形成以質(zhì)量控制、進度控制為目標，信息管理、安全管理、運維管理為手段，貫穿規(guī)劃設計、施工、運維管養(yǎng)各階段，統(tǒng)一模型、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一應用的信息系統(tǒng)[10]；利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時采集并存儲施工及運維管養(yǎng)過程中的大規(guī)模數(shù)據(jù)，形成虛實結(jié)合的項目管控系統(tǒng)；建立以可視化模型為載體，以過程控制原始資料為基礎的文檔控制管理體系。

2.2 平臺架構(gòu)

基于上述建設思路，構(gòu)建BIM信息管理平臺，平臺整體搭建是基于基礎數(shù)據(jù)層之上，基礎數(shù)據(jù)層作為包含項目整體建設信息的數(shù)據(jù)庫，主要由數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)、分布式計算引擎等部分構(gòu)成，內(nèi)部數(shù)據(jù)處理采用Hadoop數(shù)據(jù)處理框架[11]。而數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)還通過攝像頭、各類傳感器、計量表、I/O模塊等設施設備進行部分信息采集[12]。業(yè)務層主要由6個項目管理模塊構(gòu)成，分別是進度管理模塊、安全管理模塊、質(zhì)量管理模塊、運維管理模塊、現(xiàn)場管理模塊和文檔管理模塊。平臺訪問層共分為4個，分別是瀏覽器、移動端、客戶端、移動APP，平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

2.3 平臺實現(xiàn)

BIM信息管理平臺圍繞工程管理需求進行模塊劃分，下文從進度管理、安全管理、質(zhì)量管理、運維管理、圖紙文檔管理、現(xiàn)場管理6個模塊進行評述。

圖1 BIM信息管理平臺總體架構(gòu)

進度管理模塊包含施工計劃、實際進度和進度分析等子系統(tǒng)?！笆┕び媱潯弊酉到y(tǒng)直觀地展現(xiàn)了各施工工序之間穿插關(guān)系與持續(xù)時間，將進度計劃導入“施工總進度計劃”子系統(tǒng)，自動將計劃按年、月、周進行分配、并按規(guī)定準時發(fā)送給責任人，使得各環(huán)節(jié)都有據(jù)可依；在工作人員將收集的進度信息導入“實際進度”子系統(tǒng)后，自動進行進度分析并生成報表，為進度管理提供依據(jù)。

安全管理模塊包含視頻監(jiān)控、安全檢查、安全風險預警等子系統(tǒng)?！耙曨l監(jiān)控”子系統(tǒng)連接施工場地的攝像頭，可以及時記錄并反映安全管理中的重大危險源；“安全檢查”子系統(tǒng)是對場地安全隱患的整改記錄；“安全風險預警”子系統(tǒng)在施工前一周將三級以上風險以短信形式發(fā)送給相關(guān)人員，提醒其做好安全防范措施，直至施工安全員上傳現(xiàn)場照片進行消警閉環(huán)。

質(zhì)量管理模塊包含檢驗批質(zhì)量、試驗檢測等子系統(tǒng)?！皺z驗批質(zhì)量”子系統(tǒng)是對施工質(zhì)量信息的匯總，“試驗檢測”子系統(tǒng)是對各項材料的合格證、質(zhì)保書、原廠檢測報告等信息的匯總，并都與構(gòu)件部位進行關(guān)聯(lián)[13]，以備監(jiān)理方檢查。

運維管理模塊包含監(jiān)測預警、巡檢管養(yǎng)、工單管理、應急管理等子系統(tǒng)?！氨O(jiān)測預警”子系統(tǒng)通過傳感器和監(jiān)控等設備，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型進行關(guān)聯(lián)，加強對運維期工程的把控；“巡檢管養(yǎng)”子系統(tǒng)分別向巡檢人員、養(yǎng)護人員、維修人員發(fā)送相關(guān)任務，各部門人員通過移動APP上傳實景照片進行閉環(huán)；“工單管理”子系統(tǒng)匯總?cè)粘Ｇ鍧?、養(yǎng)護及故障維修工單等信息；“應急管理”子系統(tǒng)是對火災、交通等緊急事件情況的記錄，并總結(jié)事故發(fā)生規(guī)律，以便制定規(guī)范化的事故處置方案。

圖紙管理模塊包含了項目全生命周期內(nèi)所有的施工圖紙；文檔管理模塊包含了合同、日志、報告、政策法規(guī)在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)資料。

現(xiàn)場管理模塊包含項目圈、人員進退場管理、機械進退場管理等子系統(tǒng)?！绊椖咳Α弊酉到y(tǒng)反映了項目全壽命期內(nèi)所有的安全、質(zhì)量問題，并附帶整改閉環(huán)記錄。

2.4 平臺優(yōu)勢

在建設實體工程的同時，構(gòu)建數(shù)字孿生工程，實現(xiàn)全過程管理信息的實時、可視掌控，構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心，提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務，提供低耦合的微應用場景服務，具有顯著優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)管理方面，平臺不僅解決傳統(tǒng)意義上數(shù)據(jù)交流困難、信息量龐大、信息安全難以保證等問題，具有良好的安全性、兼容性和處理能力；更憑借其強大的運算能力和存儲能力，使得無論何地登錄平臺，均可按類按時按需進行上傳、查閱與工程項目相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。此外，平臺還能通過數(shù)據(jù)積累，分析已有案例，為今后事故預防提供借鑒。

協(xié)同管理方面，平臺可以解決傳統(tǒng)紙質(zhì)方式交流的“信息孤島”問題，打通不同參與方、不同階段、不同專業(yè)之間的分散特性，將分散的各參與方從時間和空間上聯(lián)系起來[14]。各參與方共享同一套工程信息數(shù)據(jù)，可根據(jù)權(quán)限隨時查看實時問題，切實幫助項目提高管理效率和管理質(zhì)量。

安全管理方面，平臺可以克服傳統(tǒng)安全管理中主觀性大、時效性低等弊端，在科學性、準確性、及時性等方面進行改善。通過運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在實時監(jiān)測的基礎上進行管理，以“事前防控危險源，實時監(jiān)控安全隱患”的方式，可有效降低安全事故發(fā)生的概率。

3 BIM管理平臺的應用研究

3.1 工程概況

基于某大跨度鋼管混凝土系桿拱橋進行平臺可行性驗證。鋼管混凝土系桿拱橋平臺首頁如圖2所示，該系桿拱橋跨度為72 m，矢跨比為1/5，在1號墩與2號墩間跨越某高速公路。系桿拱橋設計采用預應力混凝土系梁、鋼管混凝土拱，基礎使用摩擦型鉆孔灌注樁，1號墩使用φ1.25 m樁基礎，設計樁長50 m，呈矩形布置；2號墩采用φ1.5 m樁基礎，設計樁長50 m，呈梅花形布置。1號墩承臺尺寸為20 m×9 m×2.5 m，2號墩承臺尺寸為19.4 m×10 m×3 m。

3.2 設計階段

在設計階段，使用BIM信息管理平臺構(gòu)建三維可視化模型，能夠更直觀反映設計圖與周圍環(huán)境的空間關(guān)系，便于設計方案確定；通過應用碰撞分析、有限元分析等軟件進行深化設計，提高設計效率和質(zhì)量，避免后續(xù)階段不必要的設計變更。

3.2.1 模型建立

結(jié)合各種形式的橋梁設計標準，針對橋梁設計方案，采用Revit軟件將橋梁的3個主要組成部分：上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)進行拆分，并進行參數(shù)化建模[15]。將模型及其信息導入BIM管理平臺，實現(xiàn)設計方案模型的可視化參數(shù)驅(qū)動，模型如圖2所示。

圖2 某大跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋平臺

3.2.2 碰撞分析

將橋梁模型導入Navisworks軟件進行碰撞分析，從多方位、多接口、多角度進行觀察，并將分析結(jié)果上傳數(shù)據(jù)共享中心，完成平臺對設計方案可視化驗證。本次分析發(fā)現(xiàn)2處不合理的地方，具體而言，鋼欄桿與拱腳發(fā)生碰撞，鋼欄桿圖紙數(shù)量為78、實際只能擺放62件，如圖3所示；1號臨時墩與基礎錯位，按照方案圖紙建立模型發(fā)現(xiàn)位置無法正好坐落在基礎上，如圖4所示。

圖3 鋼欄桿與拱腳發(fā)生碰撞

圖4 臨時墩與基礎錯位

3.2.3 有限元分析

采用MIDAS Civil對橋梁進行分析，如圖5所示，并以TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》和TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》為標準，按A類預應力混凝土結(jié)構(gòu)進行驗算。分析得到，采用預設的施工方案時，施工過程以及成橋階段系桿拱橋各主要構(gòu)件的受力均能滿足設計相關(guān)要求，該方案是合理可行的。與此同時，將有限元關(guān)鍵性結(jié)果輸入平臺，作為施工與運營過程中的控制性指標。

圖5 MIDAS力學分析模型

3.3 施工階段

BIM平臺解決信息孤島問題，使得各參與方可以進行跨階段信息協(xié)同交流。因此，設計階段BIM模型在深化后，可在施工階段繼續(xù)使用?；贐IM平臺對全線橋梁構(gòu)件進行快速、有序的EBS編碼，確保構(gòu)件編碼的惟一性，將之作為承載橋梁相關(guān)信息的身份標識；建立BIM模型與實體EBS的聯(lián)系，完成對所有信息的統(tǒng)一管理[16]。

3.3.1 進度管理

根據(jù)工序報工數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動生成實際工程進度并與計劃進度進行比較，滯后部位以不同顏色顯示并生成報表，如圖6所示。系統(tǒng)自動分析滯后的原因，報表格式是定制化的，但隨著工程項目增多，不停迭代，系統(tǒng)自動分析的原因也會越來越準確。

平臺實現(xiàn)對施工整體進度的可視化把控，選中關(guān)聯(lián)的構(gòu)件模型，可查詢構(gòu)件的基本信息：計劃起止時間、實際起止時間及完成狀態(tài)等。同時，系統(tǒng)會根據(jù)未來的工程數(shù)量和任務，自動生成材料分析明細表、材料分配及使用狀況表等，供管理人員隨時調(diào)取，以保證資源的合理調(diào)配，實現(xiàn)精細化管理。

3.3.2 質(zhì)量管理

質(zhì)量管理以工序管理為核心，以平臺標準庫內(nèi)的規(guī)范作為控制標準。平臺系統(tǒng)采用標準化管理方式，利用二維碼、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實時采集工序控制點和施工過程中的海量數(shù)據(jù)，并自動比對實際數(shù)據(jù)和BIM模型，記錄構(gòu)件整體的大小和扭轉(zhuǎn)等誤差信息，給出誤差較大的位置和數(shù)值[17]。若誤差超出允許值，平臺質(zhì)量預警會自動觸發(fā)，同時施工標段安全員與項目經(jīng)理會收到信息提醒，直至問題整改完成，所上傳信息與模型數(shù)據(jù)相匹配，預警模式才會消除，實現(xiàn)基于模型可視化的質(zhì)量安全閉環(huán)管理。

圖6 進度統(tǒng)計評估

同時，制定嚴格的審批責任機制，保證項目有序、高效推進，避免大規(guī)模返工現(xiàn)象的發(fā)生。項目審批限制時間，在規(guī)定時間內(nèi)沒有審批完成，將依此對相關(guān)人員進行懲處，追究其責任。

3.3.3 安全管理

通過安全風險預警、安全檢查等手段，提高施工現(xiàn)場安全管理水平和安全管理的效率，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有力掌控[18]?，F(xiàn)場安全設施日常巡查。對于現(xiàn)場安全設施，施工安全員每日巡查拍照，監(jiān)理拍照復核，平臺自動提取拍照的時間、地點、拍照終端，確保信息真實，確保安全設施處于可控、在控狀態(tài)。

人工智能技術(shù)輔助管理。通過人工智能手段，智能識別是否佩戴安全帽安全帶，并即時提醒；配置電子圍欄，人員進入安全隱患區(qū)域，會發(fā)出現(xiàn)場鳴笛、安全帽震動等警告，并有安全人員實時通訊指導走出危險區(qū)域；電子地圖實時展現(xiàn)人員、車輛信息及歷史軌跡，實現(xiàn)人員車輛實時動態(tài)監(jiān)控，人工智能輔助管理如圖7所示。

圖7 人工智能輔助管理

3.3.4 資源管理

在物資管理方面，平臺不僅會自動計算WBS節(jié)點的日、周、月各項施工資源計劃用量，合理安排人員、材料、設備的調(diào)度[19-20]；還可以根據(jù)施工過程中其他信息的改變動態(tài)調(diào)整資源使用計劃。而憑借移動APP和設備掃碼等設備，對物資進場、出庫、檢驗等全過程實現(xiàn)信息化管理，并在平臺中對每個構(gòu)件物資設計用量、實際工程用量等進行三維可視化對比分析。在機械管理管理方面，對施工場地的機械設備進行編碼，并將生成的二維碼貼到機械設備上，通過移動APP掃描將信息錄入平臺，結(jié)合視頻監(jiān)控，加強對設備進退場的實時管控。

3.4 運維管養(yǎng)

平臺內(nèi)集成了該鋼管混凝土系桿拱橋全生命周期內(nèi)所有的數(shù)據(jù)資料，包含不同階段的各種狀態(tài)，為運營期管養(yǎng)決策提供科學的數(shù)據(jù)支撐。運維管養(yǎng)階段的BIM模型是施工階段傳遞下來的真實竣工模型，將監(jiān)測預警、巡檢管養(yǎng)等信息通過BIM模型進行集成，實現(xiàn)橋梁的數(shù)字化管養(yǎng)。

3.4.1 監(jiān)測預警

監(jiān)測預警階段BIM模型將傳感器監(jiān)測信息、外觀信息、專項檢測信息等監(jiān)測數(shù)據(jù)高效集成，以設計、施工階段的驗算數(shù)據(jù)作為預警指標，并將監(jiān)測量與預警指標的關(guān)系在BIM模型上直接映射，實現(xiàn)監(jiān)測預警的三維可視化。例如，以MIDAS Civil成橋階段的驗算結(jié)果作為結(jié)構(gòu)方面的預警指標。以預警指標為閾值，通過不同預警可視化顏色，將預警等級分為5級，更直觀地了解橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)[21]。針對多指標問題，分別基于各單項指標劃分預警區(qū)間，采用加權(quán)的方式將各項指標進行融合，得到總體預警區(qū)間。對于三級以上預警構(gòu)建，平臺會即時提醒工作人員進行整改，以免造成更大危害。

3.4.2 巡檢管養(yǎng)

通過日常巡檢養(yǎng)護對監(jiān)測預警進行查漏補缺，提高橋梁結(jié)構(gòu)管養(yǎng)的全面性。在日常巡檢過程中，皆根據(jù)集成信息所確定的標度值進行，避免人員專業(yè)性水平差異問題。系統(tǒng)會定期將巡檢、養(yǎng)護任務發(fā)送給相關(guān)人員，進一步保證橋梁健康，延長使用壽命。若出現(xiàn)病害狀況，巡檢人員通過采用移動APP將病害情況發(fā)送至項目圈，而這些信息都會自動歸集到平臺中；同時，平臺即刻將病害狀況轉(zhuǎn)發(fā)給整改人員，直至其將整改結(jié)果拍照上傳到相應項目圈下進行消項，并附帶整改方法以備查詢，任務才會閉合，自動歸檔。而在BIM模型上通過不同顏色對病害進行標記、追蹤，與預警可視化顏色進行區(qū)分，以便整改人員鎖定構(gòu)件，查看所在病害處的設計、施工資料及歷史病害情況，為制定科學有針對性的處置措施提供基礎。

4 結(jié)論

基于橋梁全生命周期新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應用研究，通過綜合應用云計算、物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)，構(gòu)建了適用于橋梁全生命周期的BIM信息管理平臺，經(jīng)實例應用驗證，得出以下結(jié)論。

(1)通過研究云計算、物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)的交叉融合，實現(xiàn)了對大規(guī)模數(shù)據(jù)的實時采集和存儲，實現(xiàn)時間與空間的精確定位，為高效、及時、準確的管理提供基礎，并為新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM集成應用的相關(guān)研究提供參考。

(2)通過研究BIM與云、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全生命周期內(nèi)的集成應用，打通了不同參與方、不同階段、不同專業(yè)之間的分散特性，便于發(fā)掘數(shù)據(jù)間蘊藏的聯(lián)系，為協(xié)同化管理提供基礎。

(3)通過構(gòu)建BIM信息管理平臺，解決信息孤島、可視化程度低等問題，改善工程數(shù)據(jù)的積累、存儲、管理及應用狀況，從整體上降低橋梁項目的安全質(zhì)量風險，實現(xiàn)了智慧型決策與精細化管理。