基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)架構(gòu)

方 宇 李 莉

基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)架構(gòu)

方 宇 李 莉

目前我國城市橋梁的管理仍然停留在人工和經(jīng)驗管理的層面上，信息化程度低、技術(shù)手段落后。同時，由于很多橋梁建設(shè)期早，使用時間較長，已經(jīng)進(jìn)入了快速損傷階段，存在潛在的安全隱患。而建筑信息模型（BIM）技術(shù)的出現(xiàn)為提高城市橋梁安全運行水平提供了一種新的思路和手段，具有良好的應(yīng)用前景。本文從研究城市大型橋梁的安全管理需求和基于BIM的優(yōu)化手段出發(fā)，詳細(xì)分析了BIM技術(shù)相對傳統(tǒng)安全管理具有優(yōu)勢的六大應(yīng)用領(lǐng)域，對基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)功能模塊設(shè)計，并對橋梁應(yīng)急安全管理中的典型工況場景——火災(zāi)應(yīng)急管理進(jìn)行了簡要分析，提出了一個基于BIM技術(shù)的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)架構(gòu)，從而達(dá)到運用BIM技術(shù)提高城市橋梁安全運行水平的目的。

城市橋梁是城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，橋梁安全是否受控往往是橋梁管理的第一要務(wù)。長期以來，我國城市橋梁的安全管理長期以來一直停留在人工和經(jīng)驗管理的層面，管理的信息化程度低，技術(shù)手段落后。隨著城市橋梁承載交通量的不斷擴張，和橋梁年齡的逐漸增長，出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)性能和使用性能的退化難以避免。同時橋梁安全狀況還受到各種突發(fā)事故或災(zāi)害事件的威脅，因此城市橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)、維修工作難度越來越大。如何借助先進(jìn)的技術(shù)手段和工具，提高橋梁管理水平成為一個亟待解決的難題。

BIM這一概念最早起源于美國，是Building Information Modeling（建筑信息模型）的簡稱，由被稱為“BIM之父”的Chuck Eastman率先提出。1975年，當(dāng)時任職于卡耐基梅隆大學(xué)的Charles Eastman在《AIA Journal》中提出了BIM的雛形——建筑描述系統(tǒng)（Building Description System）的概念。2007年，美國國家建筑科學(xué)研究院（NIBS）在發(fā)布的國家BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）中，將BIM技術(shù)定義為：“BIM是一個設(shè)施（建設(shè)項目）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM模型中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)”。

在設(shè)施管理領(lǐng)域，BIM可以將各管理方集成在一個連貫有序的數(shù)據(jù)組織中，能夠有效彌補項目參與者之間的溝通缺陷以及管理周期內(nèi)的信息傳遞缺失和失真問題，有助于形成簡潔有效的設(shè)施管理平臺。在設(shè)施管理中使用 BIM可以有效的集成各類信息，還可以實現(xiàn)設(shè)施的三維動態(tài)瀏覽。BIM 技術(shù)相較于傳統(tǒng)設(shè)施管理技術(shù)有以下幾點優(yōu)勢：①實現(xiàn)信息集成和共享；②實現(xiàn)設(shè)施的可視化管理；③定位建筑構(gòu)件。就大型市政基礎(chǔ)設(shè)施，特別是城市大型橋梁而言，盡管目前部分橋梁已具備了一定信息化管理水平，但仍存在不少尚未實現(xiàn)的功能需求，特別是在以預(yù)防性養(yǎng)護(hù)為主要需求的前提下，橋梁的安全管理水平尚有巨大的提升空間。因此，將BIM技術(shù)引入城市大型橋梁安全管理中，將有效提升大型橋梁的安全管理水平，大大節(jié)約養(yǎng)護(hù)維修成本，并提高管理效率，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

安全管理需求和BIM應(yīng)用分析

目前，現(xiàn)代信息化意義上的城市橋梁安全管理、特別是大型橋梁的安全管理一般包含以下事務(wù)：協(xié)調(diào)橋梁業(yè)務(wù)管理、橋梁維護(hù)分析診斷、輔助橋梁管理部門正確決策、橋梁安全信息共享以及橋梁管理過程系統(tǒng)化等需求。

傳統(tǒng)的橋梁管理體系難以完全實現(xiàn)上述所有功能，因此BIM技術(shù)的引入是一種極具前景的嘗試，有望從根本上改善城市大型橋梁安全管理的模式。BIM在許多管理應(yīng)用方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，具體可歸納為以下幾個方面：日常安全管理、安全應(yīng)急管理、養(yǎng)護(hù)維修決策、突發(fā)安全事件處理、異常狀況預(yù)警以及長期安全管理追蹤分析等，具體如圖1所示。

日常安全管理

在橋梁的日常管理中，傳統(tǒng)的城市橋梁運維安全管理系統(tǒng)，需要大量的表格、CAD圖紙以及文檔資料的形式對相關(guān)信息進(jìn)行存儲和輸出，文件一般以部位或構(gòu)件編號為依據(jù)進(jìn)行存儲和關(guān)聯(lián)，彼此之間無時空對應(yīng)，文件錯誤或數(shù)據(jù)沖突往往難以發(fā)現(xiàn)。而基于BIM的橋梁安全管理系統(tǒng)能夠結(jié)合空間、時間關(guān)系收集、存儲、和共享有關(guān)橋梁構(gòu)件的所有數(shù)據(jù)，可以提供包括橋梁三維空間視圖在內(nèi)的多種報表形式，還能對橋梁的關(guān)鍵構(gòu)件和設(shè)施安全進(jìn)行實時監(jiān)測，有利于高效管理橋梁運行數(shù)據(jù)，特別是安全管理相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以在第一時間獲取，同時也有效降低了數(shù)據(jù)矛盾和錯誤的出現(xiàn)概率，提高了日常安全管理的控制水平。

安全應(yīng)急管理

圖1　BIM在城市大型橋梁安全管理中具備優(yōu)勢的領(lǐng)域

現(xiàn)有的城市橋梁安全管理系統(tǒng)通常缺乏有效的安全應(yīng)急手段，其安全應(yīng)急預(yù)案往往以規(guī)章制度等文件的形式給出，需要橋梁管理人員進(jìn)行現(xiàn)場電話指揮，在面對諸如結(jié)構(gòu)損傷、交通事故、自然災(zāi)害等在內(nèi)的具體突發(fā)事件時，難以給出全面可靠的應(yīng)急措施，也不能提前對突發(fā)事件進(jìn)行安全應(yīng)急模擬預(yù)演。橋梁管理人員通常需要在事故第一線掌握情況和進(jìn)行指揮，各管理部門間缺乏相互溝通平臺，應(yīng)急管理的反應(yīng)不夠迅速。而基于BIM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)在進(jìn)行應(yīng)急管理時，可以利用BIM所特有的三維空間展示和情景動畫模擬功能，鎖定具體的故障區(qū)域和上下游構(gòu)件，為橋梁的應(yīng)急管理提供相應(yīng)安全管控預(yù)案和安全應(yīng)急培訓(xùn)。BIM技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了對緊急狀況的實時應(yīng)對和提前模擬，為橋梁管理的安全應(yīng)急培訓(xùn)提供了幫助，給各管理部門的協(xié)同管理提供了平臺，大大提升了橋梁的安全運行水平。

養(yǎng)護(hù)維修決策

當(dāng)前在進(jìn)行城市橋梁的養(yǎng)護(hù)和維修時，橋梁管理者通常憑借經(jīng)驗進(jìn)行決策，只有當(dāng)橋梁的相關(guān)構(gòu)件出現(xiàn)相關(guān)損壞或安全評分較低時才會進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和修理，而不能實現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)?；贐IM的橋梁運維安全管理系統(tǒng)可以為橋梁的運營和維護(hù)提供相關(guān)的決策依據(jù)，對橋梁構(gòu)件設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，以實現(xiàn)在適當(dāng)?shù)臅r機進(jìn)行橋梁大中修養(yǎng)護(hù)，兼顧安全和經(jīng)濟兩方面，達(dá)到預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的目的。同時由于BIM具有在設(shè)計、施工以及運營維護(hù)等全壽命周期內(nèi)，對建筑設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項目生命周期信息進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)的特點，因此可以實現(xiàn)橋梁全壽命周期的管控，從而大大提高城市橋梁的安全管理水平。

突發(fā)安全事件處理

當(dāng)城市橋梁發(fā)生諸如設(shè)施損壞、交通事故、暴風(fēng)雨、自然災(zāi)害等突發(fā)性事故后，傳統(tǒng)的橋梁管理方式需要查閱大量文檔和CAD圖紙資料，結(jié)合現(xiàn)場實地檢測，由經(jīng)驗豐富的專家判斷出故障的具體位置和嚴(yán)重程度。整個過程周期較長，缺乏對突發(fā)安全事件的實時應(yīng)對能力。基于BIM的橋梁管理系統(tǒng)可以通過傳感器自動監(jiān)測和巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)施故障情況，根據(jù)空間關(guān)系迅速定位事故具體位置，并將故障位置實時可視化的呈現(xiàn)出來。通過BIM模型的定位功能，還可以迅速給出最近逃生路線和可用應(yīng)急設(shè)備等安全管理信息，協(xié)調(diào)各職能部門迅速制定事故處理措施，為橋梁設(shè)施的安全運營提供保障，保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

異常狀況預(yù)警

橋梁管理過程中的數(shù)據(jù)資料來源眾多、形式多樣，而傳統(tǒng)的城市橋梁安全管理系統(tǒng)又缺乏統(tǒng)一、規(guī)范化的數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)，因此很難通過歷史記錄分析、運維數(shù)據(jù)挖掘等手段對橋梁可能出現(xiàn)的異常情況提前進(jìn)行預(yù)警?；贐IM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)把通過自動采集和人工巡檢等手段獲取的數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過規(guī)范化處理后，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)輸入核心數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合BIM模型更為直觀和綜合地對橋梁構(gòu)件設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲以及分析等操作。實現(xiàn)了對城市橋梁的結(jié)構(gòu)安全和運行安全進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況能及時進(jìn)行預(yù)警。保證了城市橋梁設(shè)施的安全運行，提升其安全運營和維護(hù)水平。

長期安全管理追蹤分析

通過全方位的設(shè)施數(shù)據(jù)積累以及對安全管理措施和制度、安全預(yù)案執(zhí)行情況等的長期追蹤，可以利用BIM的大數(shù)據(jù)挖掘能力分析當(dāng)前安全管理策略的有效性和執(zhí)行風(fēng)險，并根據(jù)目標(biāo)安全管理水平進(jìn)行不斷調(diào)整，以使橋梁安全服務(wù)水平不斷提高、管理方式不斷完善。特別是BIM的安全預(yù)案模擬可以根據(jù)現(xiàn)實執(zhí)行情況的反饋不斷修正和完善，比如通過災(zāi)后分析和經(jīng)驗總結(jié)優(yōu)化預(yù)案。在橋梁安全管理中使用BIM，符合現(xiàn)今設(shè)施管理方式日趨精細(xì)化、數(shù)據(jù)獲取方式日趨多樣化的趨勢，BIM優(yōu)秀的數(shù)據(jù)挖掘和分析潛力以及分析結(jié)果的快速表達(dá)能力，都將有助于管理人員提升對橋梁安全服務(wù)能力的認(rèn)識并事實上提升橋梁的安全運行水平。

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)上文所述的城市橋梁安全管理的需求分析、BIM優(yōu)化手段和應(yīng)用領(lǐng)域分析，基于BIM的城市橋梁運維安全管理系統(tǒng)的功能模塊主要由以下部分組成。

城市橋梁的BIM模型

對橋梁設(shè)施建立BIM數(shù)據(jù)模型，BIM模型既是3D展示的平臺，也是數(shù)據(jù)平臺。橋梁的BIM模型應(yīng)包括完整的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如主梁、橋塔、橋墩、承臺、基礎(chǔ)、斜拉索、錨固節(jié)點、橋面系及支座、伸縮縫、路燈等附屬設(shè)施、監(jiān)測、監(jiān)控設(shè)備等。需要注意的是BIM的建模深度應(yīng)能滿足運營管理對結(jié)構(gòu)信息的要求，同時必須對所有構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)的分類、編號，以便于對在之后的管理應(yīng)用中對構(gòu)件進(jìn)行查詢、標(biāo)注及定位。

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

在進(jìn)行城市大型橋梁的安全管理時，需求對橋梁的各項基礎(chǔ)安全檢測和監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、有效的收集，準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是后續(xù)管理功能正常、良好運行的前提?；贐IM的橋梁安全管理系統(tǒng)核心就是通過計算機三維模型所形成的BIM中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，中心數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中包含了建筑生命周期中大量重要的基礎(chǔ)信息，這些建筑信息數(shù)據(jù)都以有序、便于調(diào)取和編輯的組織方式存儲于計算機中。

橋梁安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)

安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)主要通過健康檢測系統(tǒng)、定期檢測、日常巡檢等方式進(jìn)行橋梁安全數(shù)據(jù)的收集，進(jìn)而將信息匯總到中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)中。橋梁安全管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)作為支持，所以數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量將直接影響系統(tǒng)性能，該部分功能包括數(shù)據(jù)的編輯、修改、校檢等，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的檢索、查詢、查看圖像以及橋梁各種信息的輸出等功能。

橋梁安全狀態(tài)評估子系統(tǒng)

圖2　基于BIM的橋梁安全管理系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

利用監(jiān)測、檢測橋梁狀態(tài)信息與橋梁的BIM模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能分析，對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性進(jìn)行綜合評估，從而為結(jié)構(gòu)運營管理提供科學(xué)的依據(jù)。該子系統(tǒng)必須保證評估結(jié)果的可靠度較高，并包含對評估結(jié)果的分級功能。在基于BIM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)中，融入安全狀態(tài)綜合評估機制，對每種典型的風(fēng)險事態(tài)，給出對結(jié)構(gòu)安全、構(gòu)件安全和運營安全的風(fēng)險水平評估方法，在風(fēng)險事態(tài)發(fā)生之后，根據(jù)風(fēng)險水平的不同，給出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

橋梁安全使用壽命預(yù)測模塊

通過自動采集和人工巡檢等手段，對橋梁構(gòu)件的安全狀況進(jìn)行檢測，利用所得的檢測數(shù)據(jù)對橋梁各個部分進(jìn)行分析評定，得出對橋梁構(gòu)件的壽命預(yù)測。同時對歷年的檢測結(jié)果進(jìn)行時間序列上的數(shù)據(jù)挖掘，從中篩選出高頻易損的橋梁構(gòu)件。通過對各構(gòu)件安全狀況和壽命預(yù)測進(jìn)行加權(quán)綜合，得到橋梁整體的使用現(xiàn)狀評價，進(jìn)而對橋梁結(jié)構(gòu)整體的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，為橋梁的養(yǎng)護(hù)和維修決策提供相關(guān)依據(jù)。

維護(hù)方案設(shè)計與模擬子系統(tǒng)

維護(hù)方案設(shè)計與模擬子系統(tǒng)應(yīng)具有根據(jù)橋梁狀態(tài)評估子系統(tǒng)的評估結(jié)果與相關(guān)技術(shù)規(guī)范及歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)對維護(hù)方案進(jìn)行預(yù)先設(shè)計的功能，并且該子系統(tǒng)應(yīng)可以與橋梁BIM三維模型結(jié)合進(jìn)行維護(hù)方案的模擬。常用的維修和養(yǎng)護(hù)工作主要包括有：日常養(yǎng)護(hù)、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、大中修工程以及應(yīng)急養(yǎng)護(hù)等幾種類型。維護(hù)方案設(shè)計與模擬子系統(tǒng)需要針對不同的橋梁狀態(tài)評估結(jié)果，設(shè)計出安全可靠地維修和養(yǎng)護(hù)方案作為參考。

經(jīng)濟分析與評估子系統(tǒng)

經(jīng)濟分析與評估子系統(tǒng)應(yīng)與橋梁安全使用壽命預(yù)測、維護(hù)方案設(shè)計與模擬等模塊相結(jié)合。在有限的養(yǎng)護(hù)資源約束下，保障或提高橋梁的安全運行水平，發(fā)揮出現(xiàn)有資源最大的效益，實現(xiàn)長效安全管理。常見的經(jīng)濟分析與評估內(nèi)容包括：維護(hù)方案的經(jīng)濟投入、維護(hù)方案的壽命、維護(hù)對象的優(yōu)先等級等。基于BIM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)借助其從設(shè)計、施工到運行維護(hù)階段的全壽命周期管理功能，可以對城市橋梁的養(yǎng)護(hù)和維修實現(xiàn)全壽命經(jīng)濟分析。

人機交互平臺

人機交互平臺包括主界面子系統(tǒng)跟輔助界面子系統(tǒng)，應(yīng)對所有其他的子系統(tǒng)進(jìn)行界面化與可視化。主要目的是實現(xiàn)向用戶提供方便的操作及科學(xué)、有效直觀的管理界面、并實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、成果輸出等功能。人機交互平臺還應(yīng)包括對不同的數(shù)據(jù)處理成果的輸出與發(fā)布功能，例如：橋梁安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸出、評估子系統(tǒng)評估報告的發(fā)布、BIM三維模型可視化定位信息的輸出、維護(hù)預(yù)設(shè)計方案的發(fā)布、維護(hù)的經(jīng)濟指標(biāo)評估報告的發(fā)布以及模擬維護(hù)施工指導(dǎo)動畫的輸出等，以方便不同專業(yè)的人員利用成果進(jìn)行后續(xù)工作。

典型工況場景分析

應(yīng)急安全管理是城市大型橋梁安全管理的核心和關(guān)鍵所在，利用BIM技術(shù)提升應(yīng)急安全管理水平也將對橋梁的安全運行大有裨益。下面就以應(yīng)急安全管理下的典型工況場景——火災(zāi)安全應(yīng)急為例，簡要分析基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)如何針對火災(zāi)應(yīng)急進(jìn)行管理。其運作流程如3所示。

城市橋梁安全管理系統(tǒng)的安全狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，利用傳感器自動采集和人工定期巡檢實時對橋梁的運行安全（結(jié)構(gòu)安全要素、環(huán)境安全要素、偶然作用等）進(jìn)行監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)諸如火災(zāi)、交通事故之類的突發(fā)性安全事故。當(dāng)橋梁突發(fā)火災(zāi)時，安全狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)一旦檢測到橋梁安全狀態(tài)的異常變化會及時報警，同時安全狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)會對火災(zāi)的嚴(yán)重程度和造成的安全風(fēng)險進(jìn)行評估與判定。借助BIM模型的空間定位和三維展示能力，橋梁管理人員可以迅速在三維可視化模型上確定火災(zāi)發(fā)生的位置，再結(jié)合橋梁安全管理系統(tǒng)中已有的應(yīng)急安全管理預(yù)案模擬，管理人員能夠及時對發(fā)生的火災(zāi)應(yīng)急指揮，采取諸如緊急消防安全噴淋滅火、人員疏散最短逃生線路規(guī)劃、橋上車輛交通誘導(dǎo)與管制等應(yīng)急管理策略。BIM技術(shù)在安全應(yīng)急管理中作為應(yīng)急管理的指揮平臺、定位工具、和模擬手段，能在事故預(yù)警、報警、處置的全過程中發(fā)揮重要作用，大大提升橋梁的應(yīng)急管理水平。

圖3　火災(zāi)應(yīng)急管理流程

總結(jié)

本文主要研究如何運用BIM技術(shù)提升城市大型橋梁的安全運行水平，分析了大型城市橋梁安全管理的需求，對在橋梁安全管理系統(tǒng)中基于BIM技術(shù)的優(yōu)化方式進(jìn)行了闡釋：BIM技術(shù)有利于數(shù)據(jù)綜合管理和安全運行分析延伸，能夠提升橋梁安全評估精度和養(yǎng)護(hù)資源利用效率，提高養(yǎng)護(hù)維修效率與快速安全響應(yīng)能力，改善經(jīng)濟指標(biāo)評估和決策信息的表達(dá)方式。探討了BIM技術(shù)在城市大型橋梁安全管理中可能的應(yīng)用領(lǐng)域，歸納出BIM技術(shù)在城市橋梁安全管理中的應(yīng)用領(lǐng)域有：日常安全管理、安全應(yīng)急管理、養(yǎng)護(hù)維修決策、突發(fā)安全事件處理、異常狀況預(yù)警以及長期安全管理追蹤分析等方面。

本文闡述了基于BIM的橋梁安全管理系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計，主要包括：城市橋梁的BIM模型、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、橋梁安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)、橋梁安全狀態(tài)評估子系統(tǒng)、橋梁安全使用壽命預(yù)測模塊、維護(hù)方案設(shè)計與維護(hù)方案模擬子系統(tǒng)、經(jīng)濟分析與評估子系統(tǒng)、和人機交互平臺等?？偨Y(jié)歸納了構(gòu)建基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)的設(shè)計思路和流程。同時，本文還詳細(xì)分析了在應(yīng)急安全管理的典型工況——火災(zāi)應(yīng)急管理場景下，如何運用BIM技術(shù)提高城市大型橋梁的安全運行水平。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.030