關于橋梁養護的BIM及BIM相關技術的探究

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、簡介

BIM是一種智能3D信息模型，通過提供一種機制，計算機程序可以處理和解釋用于促進決策的工程數據，從而可以加強對項目的知識管理。 在工程項目中使用BIM可以帶來明顯的收益。例如，它可以顯著降低錯誤風險并提高決策過程的效率，從而降低成本。正因為如此，它被認為是強大的工具，在建筑工程行業內有多種應用。

BIM在建筑行業中的應用已經很多。但是，基礎設施領域中BIM的應用剛剛起步。相關的研究數量非常有限，因此BIM在基礎設施領域中有巨大的潛力，特別是在橋梁領域。一般來說，橋梁項目的生命周期由四個主要階段組成：計劃，設計，施工，運營。由于運營階段占用大部分時間，并且在整個生命周期中具有巨大的信息和管理工作量。在這個階段的成本遠遠超過了施工階段的成本。近年來，在施工過程中的BIM應用有顯著增加，但在運營階段中，BIM應用卻很少。因此，BIM在運營階段具有顯著的潛在價值。

二、傳統橋梁養護

(一)傳統橋梁養護過程

傳統的橋梁養護可以分為四個部分：1.檢測與監測：對于中小型橋梁，主要依靠人工紙質數據采集。檢查員結合目視檢查和設備檢查來觀察和收集數據。2.條件評估：在對收集的數據進行整理后，檢查員會將這些數據與相應規范進行比較，并評估橋梁各單元的狀況，然后編寫與全橋狀況相關的橋梁檢查報告。3.決策：檢查報告將交給資產所有者，并根據實際情況作出最終決定。4.修復：一旦資產所有者決定修復受損橋梁。根據檢查報告和養護規定，將聯系施工方到現場進行維修或重建。此外，養護工作將被記錄和評估。

(二)傳統橋梁養護缺陷

基于上述情況，目視檢查和人工評估在橋梁養護過程中扮演重要角色。但這些方法有局限性：1.目視檢查是主觀的，取決于橋梁檢查員是否能夠正確收集所有需要的信息; 2.檢查員只記錄缺陷的類型，數量和嚴重程度，而不記錄詳細的損傷位置; 3.即使安裝在橋上的傳感器可以收集準確的機械數據，但由于這些傳感器是分散設置的，所以它們仍不能表示被檢測結構的完整表面性能; 4.現場的檢查員可能會遇到一些安全問題。

三、橋梁養護中BIM及相關技術

最近，BIM，GIS，VR等信息通信技術在橋梁養護階段越來越受歡迎。在本節中，總結了許多可以用于橋梁養護的BIM及相關技術。這些技術不僅可以提供設計和管理的先進工具來克服傳統方法的缺陷，還可以改善不同組織之間的協作。

(一)準備階段：數據庫。數據庫技術在這個領域顯示出巨大的潛力。有價值的信息都可以被捕獲并存儲在數據庫中，然后可以根據特定的標準自動提取。所有參與項目的人都可以根據具體目的查看所需信息，這將顯著提高工作的便利性。此外，從過去的事故中學習并獲得有用的經驗，從而可以對未來工作中危害的更好預防。

(二)檢測階段：激光掃描 。由于照片質量或照明條件差，基于視覺的檢查可能會有誤差。為了避免物理檢測的局限性，3D激光掃描技術可作為一種可選方法。它是一種準確無接觸的方式，可以收集難以到達的區域的表面信息。激光掃描是最流行的測量工具，并已廣泛應用于建筑工程領域。它可以以非常高的精度直接獲得三維數據(在50米處大約2-6毫米)和高測量率(高達960,000點/秒)。但是，這個方法有其局限性，無法獲取語義信息對建筑構件進行評價，因此，引入建筑信息建模技術并將采集到的數據傳輸到BIM模型具有重要意義。

(三)評估階段：BIM可視化。作為數字化的結果， BIM的應用可以給建筑工程行業帶來的諸多益處。BIM重要的優點之一是數字模型允許用戶存儲大量信息，隨后可以將數據可視化，從而提高對項目的理解。一個概念框架被開發出來，其中包括使用Revit對橋梁的不同單元進行建模，并隨后為其分配條件狀態。不同顏色用于表示各種條件，根據標準分級規范分為四類：條件1表示單元處于良好狀態;條件2表示單元處于普通狀態;條件3表示單元處于不良狀態;條件4表示單元處于非常糟糕的狀態，如下圖所示。在這種情況下，BIM可以促進共享缺陷位置和嚴重性的信息，可以將這些信息可視化來幫助決策者進行決策。

(四)決策階段：地理信息系統。BIM可用于描述使用詳細屬性和幾何的建筑項目，而地理信息系統(GIS)可以獲取，整合，評估和表達各種形式的地理數據。調查發現，GIS可以大大降低估算成本，提高可視化質量。

集成GIS和BIM系統的最大挑戰之一是避免數據丟失。研究GIS和BIM可以集成的最有效的方法大致有三條路徑: (1) 那些專注于GIS的人贊成將BIM數據集成到GIS領域的方法，以創建一個采用GIS規則和技術的概覽系統。 (2) 那些專注于BIM的人傾向于在嘗試對地理空間信息(如地下管道，道路和地形)進行建模之前，先用高級語義對3D建筑進行詳細建模。(3) 第三種方法是將BIM和GIS集成到一個新的平臺中。

迄今為止，BIM和GIS系統的全面集成尚未實現。然而，人們已經投入了大量的精力來探索可能的最佳方法。

(五)修復階段：虛擬現實。橋梁維修的修復和重建階段與施工階段非常相似。因此在此階段需要評估現場安全風險。

虛擬現實技術可以用來消除風險并為現場工作人員提供適當的培訓。虛擬現實(VR)用計算機對真實場景和事件進行模擬。例如，利用虛擬3D交互技術來培訓現場工作人員并突出現場風險。有研究者開發了一個多用戶交互式平臺，學員可以在平臺上玩游戲。隨后，他們利用該平臺開展安全培訓，加強了施工現場的安全管理。研究結果表明，虛擬培訓環境可以幫助員工學習安全施工方法和流程，還可以幫助學員識別哪里存在危險。

四、總結

本文回顧了現有的BIM及相關技術，總結了他們的優勢和缺陷。如文獻指出的，已有大量的BIM技術可以改進橋梁養護過程。這些先進的技術可以消除方法許多限制，并可以提高了橋梁管理的可靠性和效率值得注意的是，本文中描述的大多數研究仍處于概念階段。例如，一些整合GIS和BIM的努力并未完全成功。糾正數據層面存在的問題并不容易。因此，在實際項目中應用BIM方法前，還有很多工作要做。

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