基于BIM技術的大型橋梁管養平臺研究

吳巨峰 石峻峰3 趙訓剛 江 禹 王 鑫

(1.中鐵大橋科學研究院有限公司，武漢 430034；2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，武漢 430034；3.湖北工業大學，武漢 430034)

引言

近年來，隨著我國橋梁事業快速發展，建造了數量巨大的跨江跨海大橋，對國民經濟的發展起到了重要作用。但在大型橋梁的運營過程中，病危情況也逐漸增加，交通安全存在嚴重隱患，針對大型橋梁的精細化管理也一直是研究熱點，還需要不斷完善和改進現有大型橋梁的養護管理方法，以確保橋梁健康安全運營。

BIM技術具有可視化、信息化及智能化的顯著特點，目前在很多橋梁工程項目中都有對BIM技術的研究及應用[1]，但大多數應用僅停留在施工階段，應用程度也比較淺，而針對養護管理的BIM應用更少。結合養護管理實際需求及BIM技術建立大型橋梁全壽命期管養平臺，創新管理體制與手段，對實現大型橋梁全壽命期管理的信息化、智能化，提高養護管理工作效率具有重大意義。

1 概述

1.1 項目概況

武漢某公路大橋為城市環線跨越長江大型橋梁，全長7548m，主橋為938m雙塔雙索面全飄浮體系斜拉橋，主塔高度279.5m。全線橋梁形式多樣，結構復雜，工程材料數量大，主橋有大跨、重載、超寬的特點，運營管養標準高； 橋址處大重型車輛通行密集，安全隱患風險高，因此需要對其建設及養護綜合管理技術進行研究，降低運營過程中出現危害的風險[2]。

1.2 大型橋梁養護管理中存在的問題

國內橋梁重建輕養的現象比較突出，特別是針對各種大型復雜橋梁結構，傳統管理體制不完善，對運營期養護工作的開展造成了較大影響。同時，大型橋梁有著更高的運營管養標準要求，針對中小型橋梁的簡單管養手段已無法滿足大型橋梁管養需要，部分橋梁養護管理工作人員專業素質欠佳，對橋梁的資料保管不當，對養護管理工作也不夠重視，存在橋梁結構巡檢不規范、橋梁損壞維修不及時等問題。

另外，更突出的問題在于，傳統橋梁全壽命期的信息化程度極為低下，橋梁信息無法有效傳遞及利用，大型橋梁各種資料紛繁復雜，信息零散，形成信息孤島[3]。在養護管理中表現為無法精準定位橋梁損壞部位、無法查看構件信息、評估結果以及對管養過程表達不夠直觀，管養計劃無法準確有效執行，這些問題對大型橋梁管養精準度及效率造成了較大的影響。

2 構建基于BIM的大型橋梁管養平臺

2.1 平臺優勢

平臺依托橋梁BIM模型，整合設計、施工、運營養護全過程信息，基于B/S模式，實現橋梁全壽命期信息化管理。平臺具有以下優勢：

1)橋梁三維可視化。通過BIM技術建立主體結構模型，GIS和無人機傾斜攝影技術真實還原環境背景，使橋梁整體更加直觀，同時也可以精確定位到橋梁的各個部位，對需要管養的構件及時準確地傳達位置信息[4]；

2)信息及時、完整。BIM模型包含大型橋梁全壽命周期基礎信息，同步更新橋梁各部位的實時數據，管養階段包括環境信息、交通信息、管養計劃、管養資金以及管養進度等，不僅能夠快速查看橋梁基礎信息，還能反應橋梁管養的狀況，方便各方人員的信息傳遞與溝通，使橋梁的管養更加細致完整，有利于延長橋梁的壽命周期。

2.2 平臺目標

基于BIM的大型橋梁管養平臺，將實現具體工程數據與三維模型對接，實現人員作業與橋梁管養各方精準信息傳遞與協同[5]，對養護質量、進度等信息進行有效控制，通過BIM信息化形成標準巡檢養護流程，保障管養工作各環節得到有效執行。主要建設目標如下：

(1)施工、管養數據和巡檢養護過程的規范化、標準化；

(2)管養信息結構化、構件化；

(3)橋梁構件全壽命期信息可追溯，設計、施工、運維資料的構件級檢索；

(4)基于BIM二維碼的管養數據展示與精細化管理；

(5)橋梁病害——構件綁定自動化管理，病害的四維可視化記錄，提高管養人員工作效率；

(6)管養計劃與橋梁構件技術狀況三維可視化及智能提醒；

(7)管養系統數據融合展示，實現預警、報警信息的三維表達，提高養護維修的及時性和精準度。

圖1 基于BIM的大型橋梁管養平臺業務架構圖

3 平臺信息管理及管理權限設計

3.1 面向管養的BIM編碼

實現BIM信息化管理基礎是實現數模分離，通過BIM編碼實現橋梁三維構件化管理，同時考慮設計、施工、運營管養信息集成，串接各項業務數據。根據大型橋梁養護技術規范，對施工期BIM模型進行梳理，基于運營養護需求重新進行結構單元劃分與合并，并重新制定編碼及映射關系，建立BIM與管養功能之間的聯系[6]。

圖2 面向運營養護需求的構件編碼

針對大型橋梁大量構件編碼工作繁瑣復雜的情況，目前手動輸入方式，不僅效率低，出錯率也高[6]，缺乏自動化處理方法和工具； 基于此，開發了自動編碼工具，實現模型編碼自動化、精確化。首先針對各種大型橋梁構件，編譯工程實體分解(EBS)和工程信息模型分類(IFD)字典庫； 然后通過編程開發自動編碼工具，導入BIM建模軟件形成工具插件，在工具插件中創建模型新名稱、EBS、IFD編輯欄，并完成構件過濾、自動編碼生成、批量化命名等工作； 最終，導出BIM模型上傳至管養平臺，生成構件編碼結構樹。

圖3 BIM模型自動化編碼應用方案

3.2 構件信息檢索

將設計、施工、運營養護等管理信息節點經過合理的組織，形成一體化的信息網絡，減少各環節之間的信息流失，使有效信息能夠精確地傳遞與表達，實現橋梁全壽命周期內各參與方的信息共享與高效協同[7]。

圖4 基于BIM的橋梁構件信息檢索方案

BIM管養平臺主要包含了橋梁的整體信息、構件附加信息和掛接的資料，并從不同的角度進行信息分類，實現了在模型中點擊任意構件，可以清晰地預覽關鍵設計參數以及關鍵性施工資料，方便了橋梁運營期的管養工作。

圖5 大型橋梁BIM構件信息檢索

3.3 BIM二維碼應用

按照BIM模型構件標準編碼生成唯一動態二維碼，然后再對應粘貼到現場，現場通過平臺內提供的APP掃碼即可實時查看構件屬性、養護及巡查周期、以往存在的問題等信息，并可快捷錄入巡檢養護信息和作業智能化打卡，對巡檢養護工作進行精細化管理，遇突發情況時，能及時將橋梁現場狀況通報給相關管養單位，對問題構件進行及時處理[8]。

3.4 系統層級管理權限設計

基于BIM技術的管養平臺為每個功能設置了層級訪問權限和業務權限，同時也對不同角色設計了不同的功能權限和數據訪問權限，規范了管理者和技術人員對橋梁信息的使用，避免因權限控制缺失或操作不當引發的風險問題，確保了信息安全。從管養業務出發，設置了巡查人員、養護人員、主管工程師等角色，每個角色在病害處置各個環節各司其職，通過消息機制驅動實現閉環管理； 通過BIM可以實現消息三維可視化表達，不同角色在BIM模型中可以查看需要自己處理的事務，并及時進行信息反饋，極大提升工作效率。

4 平臺功能實現

基于BIM技術的大型橋梁養護管理平臺依托武漢某公路大橋項目，通過BIM模型集成了設計施工信息。平臺包括WEB、專用APP兩種應用方式，功能包括健康監測、巡檢養護、視頻監控等(如圖6所示)，功能模塊之間信息共享，共同構建起性能完善的BIM管養平臺。

圖6 BIM管養平臺功能組織

4.1 項目介紹

項目介紹對項目概況、橋梁主體結構、施工過程相關影像資料進行集中管理和展示，包括了項目漫游、項目概況、項目風采、工程展示、項目進度、行車模擬等功能。

BIM管養平臺提供了橋址原地形地貌實體模型，可以直觀真實地掌握橋梁管養現狀以及與周邊環境的匹配關系，通過漫游飛行模式鳥瞰項目總覽[9]，足不出戶即可對橋梁養護管理整體情況了如指掌，還可以對需要重點關注的巡檢養護點以及工程部位進行快速定位[10]。

4.2 健康監測

與健康監測系統對接，建立模型與監測數據之間的關系，在BIM模型中展示監測設備和監測數據。包括：1)監測設備漫游定位及信息查看； 2)監測傳感器數據與BIM模型實時關聯，在構件詳細信息頁面，能夠查看構件綁定的各監測點信息和狀態(正常、橙色報警、紅色報警)； 另外能夠查看監測點實時數據、閾值線、歷史數據曲線以及全橋線形、整體索力柱狀圖等； 3)監測報警聯動與快速處置，通過短信和郵件的方式提示橋梁管養人員，在BIM模型中直觀展示監測報警點位置，可以快速定位查看相關的數據，對報警數據進行分析及處置，實施快速的響應。

圖7 基于BIM技術的健康監測功能

圖8 基于BIM技術的監測報警功能

4.3 巡檢管養

BIM與巡檢管養對接，實現基于三維構件的橋梁巡檢養護管理。1)通過智能手機APP實現大橋日常巡檢和定期檢查病害的標準化錄入，通過BIM構件編碼將其掛接到模型上，實現巡檢養護內容的四維可視化表達； 2)將每個構件的巡檢養護周期和實際執行情況與BIM模型集成，對巡檢養護執行進度進行可視化管理； 3)通過不同顏色對構件的技術狀況進行形象化展示，并且可以查看每個構件詳細的病害及養護情況，增強管養針對性，做到養護管理工作有的放矢，提高工作效率； 4)對巡檢養護出勤軌跡進行記錄，通過BIM展示派工單內容和作業現場情況，在BIM模型上對病害養護措施及處置建議進行三維批注，并將作業情況通過智能手機APP上報，形成作業前后圖像對比，從而實現巡檢管養的全流程標準化和信息化。

圖9 基于BIM的橋梁巡檢養護管理

5 結語

基于BIM技術的大型橋梁養護管理平臺融合GIS、移動互聯網、物聯網、無人機傾斜攝影等新技術，并整合了項目展示、健康監測、監測報警、巡檢管養等多個子模塊，各個模塊之間可以信息共享，信息表達更為直觀。平臺在武漢某公路大橋項目應用過程中，集成了設計施工資料，實現竣工BIM模型電子化交付[11]，為養護管理提供了多方面的參考數據； 三維可視化表達使得管養過程更加高效，有效形成了從發現問題到養護維修的信息化閉環管理； 通過BIM進行各類管養數據綜合集成展示，形成各種數據看板和報表，極大減少數據匯總分析工作量，實現生產一線與管理層面的實時溝通與組織協調[12]。平臺目前還只適用公路橋梁養護規范的基本框架，還需進一步納入城市、鐵路橋梁相關內容； 同時還有待在更多項目中進行應用，不斷提升平臺的用戶體驗和應用價值。