面向養護的橋梁BIM模型交付標準探討

李 潔，張耀允，孫 莉

（1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

BIM是對Building Information Model/Modelling的簡稱，國內一般譯作“建筑信息模型”。一般認為BIM的概念于2004年前后隨國外三維建模軟件在國內的推廣而引入，但真正受到廣泛的關注是在2010年以后。將BIM應用于工程項目中，可獲取更真實的工程環境；打破信息孤島，促進協同工作；提高數據信息的準確性，推動設計優化；有助于模擬分析和可視化展現等，進而總體上實現工作效率和質量的提升，帶來項目成本的節約。

伴隨著過去十年國內基礎設施建設的蓬勃發展，BIM在工程項目設計與施工階段的應用案例已經很多，而將BIM運用于工程項目的運營養護中，則相對來說較少。實際BIM也可以為運營養護賦能，歐盟BIM工作組在討論將BIM引入歐洲公共基礎設施的建設中時，指出：BIM是工程施工與資產運營的數字化形式，它融合信息技術進步和行業流程再造，從根本上為工程建設帶來改變。BIM為建筑和公共基礎設施全壽命周期內的各項工作賦能，不僅適用于新建項目，更重要地是，也支持項目的養護、維修與更新[1]。

1 BIM與橋梁養護管理

我國目前是世界第一橋梁大國，截止2018年末，公路橋梁已達85.15萬座，總長達5 568.59萬米。橋梁是公路工程中的重要節點，服役周期長，各級公路上的特大橋、大橋和高等級公路上的中橋等，其設計使用年限不應低于100年[2]，橋梁養護的重要性不言而喻。根據《公路橋涵養護規范》（JTG H11-2004），橋涵養護的主要工作內容包括：檢查及評價，采集更新數據；保養、維修和安全防護；加固改造；環保、防災；建立檔案和數據庫等[3]。

在目前的橋梁養護中，雖然大部分橋梁部署了數據庫管理系統，一些大型橋梁還部署了健康監測系統，但總體上這些系統均是傳統的二維系統，數據和信息多以表單的形式展現，未能通過三維圖形來驅動數據，或將相關檢查結果直接展現在三維圖形中；并且數據一般以橋梁為單位統計，沒有具體到橋梁構件上。這些導致將橋梁數據展現給養護人員時，信息籠統不形象、內容不具體，不利于養護工作者準確而快速地做出決策。

2018年3月交通運輸部發布了《關于推進公路水運工程BIM技術應用的指導意見》，其中主要任務和重點工作之一是加強BIM數據應用，提升養護管理效能；指出建設、運營單位應完善項目管理制度，加快實現設計、施工、養護、運營管理各階段工程信息共享傳遞，充分利用建設期BIM數據改進養護管理，提高養護決策水平。鼓勵對在役項目，搭建BIM技術養護管理平臺，逐步推進養護信息數字化管理，提升管理水平。

在實際項目應用時，首先需要解決為項目建立滿足養護階段應用要求的BIM信息模型。該模型需具體包含哪些內容，模型單元間如何組織，模型應包含哪些信息。由于目前公路行業建筑信息模型的相關標準還未出臺，因此參考《建筑信息模型設計交付標準》（GB/T 51301-2018）中的相關內容。

2 養護用橋梁BIM交付模型應包含的內容

目前關于建筑信息模型交付的國標[4]已出臺，雖然其細節內容均圍繞建筑工程展開，不涉及橋梁工程，但其中一些基本內容對橋梁BIM模型的創建與交付仍具有指導意義。

從交付的角度說，養護用橋梁BIM模型為竣工移交物或面向養護的交付物中的重要組成部分。根據GB/T 51301-2018的4.3.1節，建筑信息模型應包含的內容：（1）模型單元的系統分類；（2）模型單元的關聯關系；（3）模型單元幾何信息及幾何表達精度；（4）模型單元屬性信息及信息深度；（5）屬性值的數據來源。

模型單元是工程對象在建筑信息模型數字化環境中的體現，分為實體和屬性兩個維度[4]。圖1為某懸索橋橋塔的一個塔柱節段，三維模型體現了其幾何細節，而與該模型單元關聯的大量屬性信息，則真正定義了塔柱這樣一個工程對象。

圖1 橋梁信息模型

3 養護用橋梁BIM模型的組織與信息需求

3.1 模型單元的系統分類

模型單元系統分類問題即橋梁構件的分類問題。橋梁養護管理通常是對一定區域范圍內的大量橋梁進行統一管理，對橋梁構件的合理分類，是實現橋梁有序管理的基礎。因為同類構件的病害問題相似，可以集中處理，維修措施也更容易做到標準化。

總體上將橋梁構件分為上部結構構件、下部結構構件和附屬工程構件三大類，每一類別下再細分子功能系統，各種橋型中出現的構件都按上述原則列舉在相應類別中，不區分構件的組成材料、具體構造形式等。表1給出了這種分類方法的一個示例，列舉了橋梁上部結構中的部分構件及其對應的編碼。

此外考慮到橋梁構件的組成材料和具體構造形式是影響其可能發生的病害的兩個主要因素，還同時從這兩個維度，對橋梁構件進行分類，確定其材料分類和構造形式的分類。以某橋上部結構中的預應力混凝土T梁為例，從構件分類角度，它屬于表1中的主梁；從材料角度，為預應力混凝土；從具體構造形式來說，為T梁。

表1 橋梁構件分類與編碼示例

對橋梁構件進行系統分類后，則可以在創建信息模型時，對它們進行統一描述，保障信息有序而規范的傳遞，同時也可以讓信息模型和其實際使用功能一一對應。

3.2 模型單元的關聯關系

橋梁組成構件相互聯系形成一個有機整體，從而為車輛通行提供可靠空間。與之對應的虛擬信息模型，則也需要定義模型單元間的關聯關系，才能充分表達實際工程對象。

在橋梁運營養護中，橋梁檢查和技術狀況評定是其中的重要一環，現行的《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21-2011）采用的分層綜合評定法是先對橋梁各構件進行評定，然后對橋梁各部件進行評定，再對三大部位進行評定，最后進行全橋總體技術狀況評定[5]。該方法隱含了一種橋梁構件的組織方法，即橋梁-部位-部件-構件，因此面向養護建立橋梁BIM模型時，可根據該方法對一座橋梁進行實體結構分解，分解完成，也就建立了模型單元間的關聯關系。

圖2給出了某懸索橋的實體結構分解。以主鞍為例，其模型單元與圖中的最細一級一一對應，這些模型單元相互并列，具有相同的構件分類編碼，它們與相應橋梁部件、部位和橋梁的關聯關系可據此定義。

圖2 某懸索橋的實體結構分解

在實踐中很容易混淆模型單元的系統分類和模型單元的關聯關系這兩個概念。一般來說，模型單元的系統分類應盡量保持穩定，而關聯關系則可以根據不同的應用需求分別定義，圖2中的6個主鞍模型單元，還可以按上下游分成2組，或按橋塔位置分成3組，但其構件分類與編碼始終不變。

3.3 模型單元幾何信息及幾何表達精度

在實際工程中，受制于工程體量、建模成本、模型展現時的軟硬件等條件，信息模型無法做到十分完備和表達出構件的全部幾何真實細節。針對橋梁養護，應結合養護應用需求，確定BIM模型的信息模型發展等級LOD[6]。LOD可表達為不同應用階段的模型單元深度、幾何精度和信息深度的全面性的綜合指標。參考GB/T 51301-2018中的定義，橋梁運營養護階段BIM交付模型的LOD應定為LOD4。

關于模型單元深度，可狹義地理解為模型單元的豐富程度。通過對橋梁養護應用需求的調研，橋梁BIM模型LOD4對應的模型單元深度要求，見表2。

表2 LOD4橋梁信息模型的模型單元深度要求

關于模型單元的幾何精度，它會影響模型單元的視覺呈現效果，進而影響人在與模型互動時，能否快速識別模型所表達的工程對象。

幾何精度劃分與LOD等級之間無嚴格對應關系，在同一項目的不同階段，基本模型單元根據使用需求，可采用不同的幾何精度。面向養護時，橋梁BIM模型LOD4對應的幾何精度要求，可參考表3，其中G2表示滿足空間占位、主要顏色等粗略識別需求的幾何表達精度；G1表示滿足二維化或符號化識別需求的幾何表達精度[4]。

表3 LOD4橋梁信息模型幾何精度要求

3.4 模型單元的屬性信息及信息深度

BIM交付模型中包含的豐富屬性信息是BIM對于養護管理的價值所在，這些屬性信息可為養護工針對運營養護中出現的問題制定解決方案時，提供決策參考。

從模型信息屬性標準化角度出發，可針對各橋梁構件，制定標準化的信息屬性模板以及定義LOD4對應的信息深度。總體上構件屬性可分為基本屬性、構件特有屬性以及材料屬性三大類。表4為橋梁工程上部結構中的主梁，列出了LOD4對應的信息深度要求，即各類屬性中應包含的屬性字段。

表4 主梁LOD4信息模型的信息深度

3.5 屬性值的數據來源

模型單元的屬性值隨工程發展而迭代。當橋梁工程從設計之初即引入BIM模型，則竣工移交時屬性值為經設計和施工階段不斷修正后，最終項目上實際采用的設計規格。而對在役橋梁，當在其運營養護中引入BIM模型時，屬性值則主要源于竣工圖紙與資料，并仍反映項目實際。

4 結語

在《建筑信息模型設計交付標準》（GB/T 51301-2018）的基本原則的指導下，結合橋梁工程實際，討論了面向養護時橋梁工程信息模型的交付標準。遵守交付標準建立和移交的橋梁BIM模型，進一步接入橋梁檢查、技術狀況、健康監測等養護數據，以及地圖、氣象、維修、資金計劃等其他數據，將為橋梁的運營養護提供一個豐富的數據庫，并且BIM模型單元將作為數據的承載實體，連接起這些數據，實現工程信息的共享傳遞與可視化表達。