基于BIM技術的橋梁工程運維管理平臺構建研究

陳國佳

（江蘇森尚工程設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

橋梁工程項目的全生命周期包括前期規劃與可行性調研、設計、施工、運維、廢除共五個階段[2]。運維階段不僅整個周期中所占比重最高的階段，也是占總建設成本最高的階段[3]。因此，為保證橋梁在其漫長的設計使用年限內能經受行車荷載和復雜自然條件考驗，降低維護成本和安全風險，及時了解橋梁各構件和設備的狀態，從而制定對應的維護計劃必不可少。

傳統的運維和養護需要維護人員查詢項目的圖紙、使用指導和維修記載等[4]，這些信息往往以紙質文件形式分布在不同的承包商手中，難以實時更新，彼此間也缺乏關聯，導致傳統的后期維護過程繁瑣且效率低下，極易發生錯漏。

為解決包括運維管理在內的項目設計、施工、維護環節存在的弊端，BIM 技術應運而生。這是一種以三維立體建模技術為底層構架，包含工程各方所需數據的信息模型[5]。這些數據涵蓋結構和構件的幾何數據，也包括其物理屬性、狀態、造價等信息[6]，可使各參與單位在同一平臺上進行實時編輯和數據共享，使得維護方可以實時整合、更新和同步項目所有信息。能有效減少維護時的資源消耗，提高運維效率和運維精度。

1 國內外研究現狀

BIM 技術的理論和應用研究最早起步于建筑領域，而被引入道橋領域的時間較晚，目前在設計與施工階段的研究正日趨完善，如在理論研究方面，H.M.等人[7]提出了BIM 項目的建造流程，C.S.等人[8]提出了可擴展的架構系統，并闡述了施工過程的4D 模擬。Dang N S 等人[9]開發了基于BIM 技術的橋梁運維系統，可實時獲取數據與圖像，并生成和實時上傳病害與損傷報告。在實際應用方面，在布里格里河谷斜拉橋和卡塔爾多哈大橋的設計與施工階段，BIM 技術也被廣泛應用，但對運維階段的實際應用仍較為空白。

綜上所述，當前國內外對BIM 技術在橋梁工程中的應用研究更多聚焦在設計階段，對在運維階段的研究偏理論，缺乏對BIM 技術在橋梁工程運維階段實際應用案例的討論。因此，本文希望依托滬通長江大橋項目，對基于BIM 技術的運維管理平臺的平臺構架和具體搭建步驟進行探討，為運維階段橋梁的可視化和智能化養護的實際應用及推廣提供參考。

2 工程概況

滬通長江大橋（見圖1）位于長江江蘇段，南起張家港市、北通南通市，是中國自主研發設計的全球首座橫跨千米的公鐵兩用斜拉橋。

圖1 滬通長江大橋

滬通長江大橋全程11.072 km，由航道橋（分主航道與專用航道橋）、聯絡橋和引橋三部分組成。其中正橋5.831 km，南引橋3.370 km、北引橋長18.71 km。具有橋型全、體量大、多項技術世界領先的特點。大橋于2014 年3 月動工，2019 年9 月實現兩端匯首，2020 年7 月1 日建成投入使用。

3 建設階段BIM 模型構建

由于滬通長江大橋項目橋型全、體量大、難度高、協作單位多、協同管理難度大，建設指揮部從項目全生命周期的應用角度出發，自主研發了BIM 平臺，形成了“極簡化平臺+可插拔模塊”的應用方式，其技術架構見圖2。

圖2 滬通長江大橋BIM 應用技術架構圖

項目選擇了擅長鋼結構建模的TEKLA 軟件。依托施工圖和施工需求編制了建模標準，統一了不同階段的LOD 等級和構件命名規則等，以降低模型管理和使用時的難度。其底層整體采用 C/S（Client/Server）模式開發，共包括施組編制、進度跟蹤、可視化交底、工程量統計、設計變更管理、施工監控、健康監測、架橋機監控、焊縫質量管理、數字化預拼裝10 大功能模塊。通過使用云平臺，用戶通過PC端和移動端訪問系統云端，實現協同工作。項目的分層架構見圖3。

圖3 系統分層架構圖

4 建設階段與運維階段模型間的數據傳遞

構建一個統一的運維養護管理平臺，首先需要篩選和整合項目前期階段產生的數據，將這些格式、來源、表現形式都不同的數據換為一個統一的、運維階段需要的模型和數據，從而保證信息的一致性，也能避免不必要的工作量，降低數據丟失風險，實現信息集成、共享、更新和管理，促進各參與單位的信息交流和共享，達到對全過程的精準控制，為管理和決策提供幫助。

在滬通長江大橋項目中，運維管理平臺的數據轉化和傳遞過程可分概括為：多源數據的補充與篩選，多源數據的輸出、整合與校驗，和多源數據的傳遞三個步驟。

4.1 多源數據的篩選與補充

橋梁工程的BIM 模型涉及多個階段的數據和信息，上一階段的信息在下一階段未必會被應用。如果這些信息流轉到下一階段，會降低信息查看和利用的效率。多源數據補充與篩選的目的就是剔除運維管理階段不需要的數據，加入運維階段必須的數據，以降低不必要的信息量，提高養護精度和管理效率。

以項目建設階段主梁的BIM 模型向運維階段的信息篩選與補充為例（見表1），建設階段的主梁模型包含橋梁設計依靠的主要技術標準、結構設計特點、項目特點、構件信息以及施工信息等。到了運營階段，橋梁項目整體模型中會進一步輸入橋梁所處區域環境的監測信息，如風速、溫度等。而對于施工要點等施工建造信息，則會予以剔除。

表1 滬通長江大橋項目主梁信息繼承表

4.2 多源數據的整合、輸出與校驗

由于項目中使用的BIM 軟件種類繁多，這些軟件有的側重鋼結構建模，有的側重電氣建模，各軟件采用的底層數據結構和框架不同，數據單位和表現方式有所差異，生產出的數據格式也相去甚遠。因此，在數據轉換前需要確定統一的中間數據格式，避免在數據傳遞時出現前后數據不一致，以及數據丟失。

4.2.1導出前統一文件格式

為解決上述問題，滬通長江大橋項目運維平臺統一采用了IFC 標準。IFC 是一種文件格式，有很好的平臺獨立性，在各個平臺均能被識別。在數據傳遞時，先將某種模型的數據轉換為IFC 數據文件，能最大限度避免因軟件或系統差異導致的信息錯漏與前后不一致，IFC 標準也因此成為串聯各個工程階段、各家參建單位及各個BIM 軟件之間的橋梁。

4.2.2導出IFC 標準數據文件時存在的問題

本文通過IFC 文件在BIM 模型中的讀取和導出測試，總結了會導致IFC 文件在不同BIM 模型間出現錯漏和信息不一致時的三種情況：

（1）不同BIM 模型使用了不同的表述方式和字符對同一結構部件的屬性進行描述；

（2）BIM 軟件無法完全讀取其他BIM 軟件導出的IFC 文件中的所有實體及其屬性；

（3）實際工程項目涉及的信息和面對的情況紛繁復雜，當前的IFC 標準還無法描述所有項目需要的所有信息。

4.2.3導出IFC 標準數據文件后的校驗

在導出IFC 文件后，需要對導出的IFC 文件進行校驗。首先，從不同的BIM 軟件中各自生成IFC 文件。其次，對這些生成的IFC 文件中的信息進行分類。再來，將提取的實體屬性性值，并輸入校驗系統進行校驗，判斷信息中心是否包含用戶所需的數據（如幾何形狀、顏色、材料等），以及判斷文件中采用的信息描述是否符合IFC 的基本框架。最后，校驗系統可將檢驗結果輸出。

以圖4 所示的變電站模型為例，通過校驗系統校驗變電站中所有的38 種電氣設備，校驗完成后得到的校驗結果的result 和summary 的部分內容見表2。

圖4 滬通長江大橋項目變電站三維模型及其中電氣設備模型

表2 校驗結果

4.3 多源數據的傳遞

滬通長江大橋項目各階段的BIM 模型匯集的橋梁設計、施工、巡檢等各個環節的業務管理信息數據通常以數據庫的方式存儲與傳輸。即不同階段的模型和通過連接同一個數據庫服務器的同一張表進行數據交換。當模型A 請求模型B 處理數據的時候，模型A 輸入一條數據，模型B 選擇模型A 插入的數據進行處理，具體過程見圖5。而業務數據的交換主要依賴基于數據庫的數據接口方式進行。

圖5 滬通長江大橋項目變電站三維模型及其中電氣設備模型

5 運維管理平臺的總體架構

5.1 運維管理平臺的基本目標

由于受到行車荷載和各種自然因素的影響，在橋梁的使用壽命內，內部的損耗會逐漸積累，如果不加以維護，會引發突發性的破壞。因此運維人員需要定期巡檢，并進行及時養護，以保護大橋安全運營。因此平臺需要輔助管理人員，隨時監測橋梁狀況，為橋梁的養護提供決策依據。

5.2 運維管理平臺的功能模塊

為滿足上述目標，滬通長江大橋項目運維管理平臺構建了四個功能模塊：后臺管理、資產管理、任務管理、BIM 智慧大屏，框架見圖6。

圖6 養護管理平臺簡要框架

5.2.1后臺管理

后臺管理是實現所有功能的一個基礎模塊，包括部門管理、用戶管理、日志管理和權限管理。實現用戶角色的設置、用戶權限的分配、用戶操作記錄的存儲。

5.2.2資產管理

資產管理的功能主要是對橋梁資產管理、設備管理、BIM 模型管理、文檔管理和報表管理。

（1）橋梁資產管理。為運維提供一套完整的橋梁資產信息，便于后期監測資產的生命周期與完整數據。

（2）設備管理。授權用戶可以統計資產類型和數量，還可以通過設備名稱、編碼、等信息查找對應設備，設備管理偏向記錄設備生命周期完整數據。

（3）BIM 模型管理。實現BIM 模型的發布、模型的分類，對模型高亮、場景、GIS 位置、相機視角等進行設置。

（4）文檔管理。對文檔進行統一的保存，展示。可通過后臺權限進行上傳、查看、刪除、下載等操作。傳感器的報廢更換、大橋上的重大預警記錄、巡檢月度考核、定期檢查傳感器等數據可通過文檔分類進行展示。

（5）報表管理。統一管理系統數據導出功能，可按照對應分類和篩選條件進行導出。

5.2.3任務管理

任務管理主要是對巡檢任務、養護任務、病害查詢、信息發布的全過程管理，使得各參與方不僅能夠全面了解任務信息狀態、而且能夠系統提升任務管理能力。

（1）巡檢管理。根據添加的巡檢計劃進行巡檢任務的新增。巡檢任務可通過選擇時間任務地點添加人員等在后臺的編輯操作進行任務的下放和內容的添加。任務下放至小程序端，巡檢人員可通過小程序的信息進行掃描反饋橋梁巡檢信息。

（2）養護管理。新建、查看養護計劃、養護任務，還可查看養護計劃、養護任務的狀態，方便管理員查看責任方，可對養護計劃、任務進行實時監督。

（3）病害管理。對巡檢過程中發現對病害進行錄入、可以查詢病害描述已經病害應對措施。對已有病害數據進行統計。

（4）信息發布。主要是對情報板、告警等發布的信息或預備發布的信息進行統一管理，可根據信息狀態篩選出對應的信息列表，同時可查看信息關聯的模型三維模型上體現播放點。

5.2.4智慧大屏

BIM 智慧大屏主要是將巡檢、養護數據可視化、展示健康監測結果，健康監測研究包括環境、設備、橋梁本體的靜態數據和動態數據的顯示。對應急數據及時展現，并可以查看數據大屏統計信息。

（1）構建信息查看。通過BIM 模型樹，控制具體模型顯示，以及視角調整。點擊模型構建，模型高亮顯示，并彈出BIM 信息框，顯示構建詳細信息。

（2）病害查看。在BIM 模型對應位置，顯示病害介紹，對BIM 主體進行高亮顯示。通過不同顏色，區分病害嚴重程度。

（3）巡檢養護查看。在對應路段，顯示巡檢任務，包括巡檢類型、巡檢路段、巡檢人員。顯示當前養護進度,包含作業人員，養護路段可視化等

（4）健康監測。健康監測包括對多種監測數據的展示，以及健康監測評價的顯示。常見的監測包括：橋梁數據監測，通過設置風險區段，按照不同顏色顯示為正常、輕微、中度、危險等不同狀態。當超出閾值時，顯示報警提示。動態數據采集和展示的主要內容包括：振動數據、動應變數據、動撓度數據等。交通流量監測，包括數據接收及管理、地圖數據處理及分析、地圖及數據的發布。不僅對交通數據進行直觀、生動的顯示，還可以提供最新的查詢和分析,進而為交通流量分析提供決策和支持。橋梁安全監測，通過現代測試技術對橋梁結構進行長期在線監測，并有效利用監測信息評估橋梁結構狀態。

（5）應急管理。當發生緊急事件時，大屏在彈出紅色預警框，并定位到BIM 模型具體位置，可及時查看到緊急事件，填寫處理聯系負責人和處理意見，實時進行上報處理。

6 結語

本文的研究可分為兩部分：

第一部分研究了多源數據在設計施工階段BIM模型和運維階段BIM 模型之間的傳遞方法。該部分對能整合各BIM 模型產生的多源數據的向IFC 標準數據文件做了深入研究；針對BIM 模型數據導出IFC 標準數據文件時，數據表達不一致的成因進行了分析；針對多源數據的篩選原則和校驗方法進行了探討。最終得出了構建運維管理平臺時合理的數據傳遞策略。

第二部分探討了運維管理平臺的總體構架和需要具備的功能模塊。平臺需要充分利用BIM 可視化的技術，強化信息技術與橋梁養護需求的深度融合，在基于BIM 技術的滬通長江大橋建養管理平臺上，開發可視、可解析、可輔助養護決策的大跨橋梁養護模塊，實現BIM 技術在橋梁全壽命周期的應用，圍繞提升大跨橋梁狀況的監控評估技術水平的需求，構建既有橋梁信息仿真模型，實現橋梁監測結果可視化呈現。