基于BIM和AI技術(shù)的鐵路橋梁智能布跨研究

宋 浩，韓廣暉

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司 數(shù)字工程研究中心，北京 100055）

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，對建筑全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和共享。在建筑布局規(guī)劃中，前期策劃與建筑功能的無縫對接，以及建筑空間規(guī)劃的最優(yōu)化求解，一直是建筑學(xué)術(shù)界重點關(guān)注的2個基本問題。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能（AI，Artificial Intelligence）技術(shù)的成熟[1]，人們開始嘗試通過深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法來解決上述問題，即在BIM設(shè)計工具中融入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)AI輔助的建筑方案選型，提高數(shù)據(jù)的利用效率，為工程建設(shè)各階段提供更加準(zhǔn)確的決策建議[2]。

目前，AI技術(shù)在工程領(lǐng)域已經(jīng)取得了較多的研究成果。李雪等人[3]將BIM技術(shù)融入審圖系統(tǒng)，完善建模軟件并改變了傳統(tǒng)的審圖模式，有效實現(xiàn)了AI審圖；胡珉等人[4]基于BIM數(shù)據(jù)，結(jié)合AI技術(shù)，為隧道環(huán)境監(jiān)測和控制決策提供依據(jù)。BIM與AI技術(shù)的結(jié)合是對現(xiàn)有設(shè)計手段的升級，能夠提高設(shè)計效率，輔助項目決策。

在傳統(tǒng)鐵路橋梁設(shè)計中，孔跨布置是一項繁重的工作。設(shè)計人員根據(jù)線路、地質(zhì)等上序?qū)I(yè)提供的信息對孔跨進(jìn)行布置，當(dāng)控制工程較多時，往往需要反復(fù)調(diào)整布跨方案，耗費(fèi)大量的人力。針對這一現(xiàn)狀，結(jié)合我國鐵路中橋梁占比高、橋梁標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件應(yīng)用范圍廣的特點，本文以BIM平臺為載體，將AI技術(shù)引入鐵路橋梁設(shè)計中，通過對Bentley平臺的二次開發(fā)設(shè)計了一套適用于一般鐵路橋梁的智能布跨方案。

1 橋梁布跨原則

橋梁布跨方案主要受道路、建筑物和地下管線等因素的影響，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性、適用性及設(shè)計邊界條件進(jìn)行孔跨的合理布置。針對本文研究內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求[5]，橋梁布跨主要原則如下。

1.1 一般橋梁孔跨布置

對于一般橋梁而言，當(dāng)控制性因素不復(fù)雜時，應(yīng)首先從標(biāo)準(zhǔn)跨度中選擇合適跨度進(jìn)行孔跨布置，布置原則盡量以32 m跨度為主，24 m跨度為輔[6]，用以規(guī)避主要約束條件；無法采用簡支梁跨度進(jìn)行規(guī)避時，優(yōu)先采取常用的連續(xù)梁跨度進(jìn)行孔跨布置。在曲線線路上，簡支梁通常采用“以直代曲”方案進(jìn)行布設(shè)；連續(xù)梁等特殊梁型采用“曲梁曲做”的方式進(jìn)行布設(shè)。

1.2 特殊橋梁孔跨布置

當(dāng)橋梁跨越河流時，以“一河一橋”為原則，河流有通航要求時，要適當(dāng)考慮變遷性河道的影響；當(dāng)跨越等級道路（高速、主干道等）、鐵路等控制性工點時，應(yīng)按照控制邊界條件選擇適當(dāng)跨度，標(biāo)準(zhǔn)跨度不滿足時，應(yīng)提供特殊跨度進(jìn)行布置，并考慮經(jīng)濟(jì)性等因素對特殊跨度的優(yōu)先等級進(jìn)行設(shè)置。

2 鐵路橋梁智能布跨方案

本文根據(jù)一般鐵路橋梁布跨設(shè)計原則，采用QLearning算法，并利用BIM的屬性信息，在Bentley平臺下進(jìn)行二次開發(fā)，形成最終的可視化智能布跨方案，具體流程如圖1所示。其中，信息集由根據(jù)智能橋梁孔跨布置需要而提取、處理的信息組成；智能布跨算法是根據(jù)Q-Learning算法，按照橋梁布跨原則對工程實例抽象化，以求得最優(yōu)方案；方案可視化是利用BIM技術(shù)的可視化特點，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)，對智能布跨方案進(jìn)行可視化展示及評估。

圖1 鐵路橋梁智能布跨流程

2.1 信息集

2.1.1 動作空間

在布跨算法中，建立橋梁構(gòu)件數(shù)據(jù)庫，能夠在形成算法動作空間的同時，為后續(xù)的模型設(shè)計提供便利。根據(jù)常用跨度的簡支梁、連續(xù)梁建立梁部構(gòu)件模型，并按照相關(guān)規(guī)范為模型掛載幾何與非幾何信息。構(gòu)件模型建立時，抽象出構(gòu)件的幾何特征，梳理特征之間的關(guān)聯(lián)并將特征參數(shù)化，利用Bentley平臺提供的Template模板解析技術(shù)，進(jìn)行幾何建模及屬性配置；對于非幾何特征，通過Bentley平臺下的EC Schema技術(shù)掛載到模型上，為模型設(shè)計提供更多的信息[7]。

橋梁數(shù)據(jù)庫可為以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式寫入的各類構(gòu)建提供統(tǒng)一管理工具，在需要時予以調(diào)用，如圖2所示。動作空間即在橋梁布跨設(shè)計時，根據(jù)設(shè)計條件選擇適合的數(shù)據(jù)庫，通過讀取數(shù)據(jù)庫中的橋梁跨度，作為智能體可選擇的動作。

圖2 橋梁構(gòu)件數(shù)據(jù)庫

2.1.2 環(huán)境信息

環(huán)境信息的獲取需基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，設(shè)計協(xié)同數(shù)據(jù)接口[8]，實現(xiàn)各專業(yè)間的數(shù)據(jù)協(xié)同，對橋梁專業(yè)所需要的信息進(jìn)行提取應(yīng)用。

（1）線路信息

線路信息包括線路里程信息、坐標(biāo)信息和線路要素信息等。將所有信息附加在線路模型上，在Bentley軟件中識別文件中對應(yīng)的Alignment元素，通過相應(yīng)接口函數(shù)即可獲取線路信息。

（2）地形信息

地形信息包括地面標(biāo)高、地形地物（道路、河流、溝渠、湖泊）特征等信息。地面標(biāo)高從利用數(shù)字高程模型加工生成的地形文件中獲取；地形地物特征則是根據(jù)地形文件不同圖層及其附加屬性，在橋址范圍內(nèi)沿線路方向進(jìn)行判斷獲取；個別信息提供手動配置工具，進(jìn)行信息組集輸入。

（3）起止里程信息

根據(jù)線路、地形信息，結(jié)合起橋條件，初步確定橋址里程范圍，其主要步驟如下。

① 將上序?qū)I(yè)文件以參考方式加入設(shè)計文件中，并激活相關(guān)地形、線路等模型，通過設(shè)置步長間隔獲取線路縱斷及地面線等相關(guān)資料；

② 設(shè)置橋梁布置范圍和起橋條件，一般是根據(jù)起橋高度結(jié)合地形進(jìn)行判斷；

③ 根據(jù)起橋高度復(fù)制偏移地面線，并計算其與線路縱斷的交點；

④ 根據(jù)起點前后側(cè)地形條件判斷該點是橋梁起點還是終點，并進(jìn)行起點的合理偏移設(shè)置；

⑤ 得到全部橋梁的起橋范圍，并作為智能布跨算法的輸入數(shù)據(jù)使用。

2.2 智能布跨算法設(shè)計

2.2.1 Q-Learning算法概述

Q-Learning算法是基于價值的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的過程是智能體通過感知環(huán)境而采取動作、與環(huán)境不斷交互的過程。智能體根據(jù)環(huán)境反饋的信息，不斷更新自身動作策略，最終得到一條最優(yōu)策略。假設(shè)Q(st,at)表示在狀態(tài)st下執(zhí)行動作at所獲得的價值，此后按最優(yōu)動作執(zhí)行所獲得的獎勵的期望[9]，其更新表達(dá)式為

其中，α為算法收斂的學(xué)習(xí)效率；rt+1為實時獎勵；γ為折扣因子。當(dāng)Q(st,at)值不再繼續(xù)變化，說明得到了一個收斂的結(jié)果。

2.2.2 智能布跨算法

橋梁的孔跨布置是一個將方案不斷優(yōu)化的過程，結(jié)合AI概念，采用Q-Learning算法，將孔跨布置相關(guān)約束條件抽象化為數(shù)據(jù)類型，根據(jù)工程實例將約束條件實例化[10]。智能體通過感知環(huán)境信息，采取不同的動作，并以獲得獎賞情況為指導(dǎo)改進(jìn)選擇策略，最終得出最優(yōu)的策略方案，算法主要流程如圖3所示。

圖3 智能布跨算法主要流程

對于鐵路工程實例，其所處的狀態(tài)和可選擇動作是有限的，因此可以將Q(st,at)以矩陣形式進(jìn)行表示，根據(jù)狀態(tài)—動作建立Q表，Q表的行代表智能體所處狀態(tài)，列代表可選擇的動作空間。鐵路工程是一條長大帶狀線性工程，為了節(jié)省Q表占用空間，沿線路按照一定距離進(jìn)行離散化設(shè)置，減少Q(mào)表的行列數(shù)。算法的獎賞函數(shù)則根據(jù)上述布置原則和環(huán)境信息，按照布跨優(yōu)先級和橋梁預(yù)估造價進(jìn)行設(shè)計。可選動作空間（橋梁跨度信息）則可以利用信息集，根據(jù)項目條件進(jìn)行相應(yīng)配置應(yīng)用。在每次動作完成之后，需要對動作的最終狀態(tài)和收斂性進(jìn)行判斷，收斂則表示得出了較優(yōu)的橋梁布跨方案。

2.3 方案可視化設(shè)計

根據(jù)上文設(shè)計的一般橋梁智能布跨方案，利用BIM技術(shù)的可視性建立三維模型，可在方案展示的同時搭載設(shè)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設(shè)計的可行性分析，提升鐵路橋梁設(shè)計水平[11]。地理信息數(shù)據(jù)庫能以直觀的地理圖形方式，通過統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系全局性地展示、分析和評估大范圍的空間對象及抽象化的建筑對象[12]。為了更好地評估橋梁布跨方案，提高方案的合理性，減少后期方案修改，利用多源數(shù)據(jù)融合平臺，載入橋梁布跨模型數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)，將BIM數(shù)據(jù)輕量化，結(jié)合實景模型對橋梁布跨方案進(jìn)一步優(yōu)化，具體包括以下2個方面。

（1）在Bentley平臺應(yīng)用二次開發(fā)讀取布跨方案，并根據(jù)布跨方案獲取匹配的構(gòu)件模型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)各構(gòu)件所處位置，將各類型構(gòu)件按照空間層級關(guān)系進(jìn)行精確定位，完成布跨方案的查看與評價。其中，梁部信息模型是根據(jù)橋梁跨度信息，從橋梁數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配，利用Bentley的自定義實體技術(shù)，以線路模型為基礎(chǔ)，構(gòu)造合適的空間位移矩陣，進(jìn)行梁部結(jié)構(gòu)的空間定位；橋墩則利用參數(shù)化單元進(jìn)行創(chuàng)建，依據(jù)橋梁布置位置及梁部特征信息，進(jìn)行橋墩的空間定位，并結(jié)合地形模型計算出墩高，修改相應(yīng)墩高參數(shù)。此時，橋墩僅發(fā)揮空間占位作用，用以輔助方案設(shè)計。

（2）BIM可以很好地反映方案結(jié)構(gòu)形式，能夠較為方便地展現(xiàn)橋梁孔跨布置模型，但是無法表達(dá)周邊建筑信息及橋梁跨越的地物信息。通過二次開發(fā)技術(shù)，在保留BIM模型數(shù)據(jù)精度和完整性的前提下，開發(fā)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換插件，將BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入多源數(shù)據(jù)融合平臺中，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)形成實景模型，如圖4所示。

圖4 BIM+GIS橋梁實景模型

3 方案應(yīng)用

3.1 應(yīng)用分析

通過某鐵路項目對本文設(shè)計的橋梁智能布跨方案進(jìn)行應(yīng)用，驗證方案對一般橋梁的適用性。具體步驟為：（1）參考相關(guān)專業(yè)（線路、地形）模型信息并激活模型，方便后續(xù)調(diào)用數(shù)據(jù)接口應(yīng)用，如圖5所示。（2）加載開發(fā)的橋梁布跨工具，提取、處理智能橋梁孔布跨所需信息，并組建信息集，調(diào)用智能布跨算法，輸出橋梁智能布跨方案，如圖6所示。（3）按照布跨方案進(jìn)行BIM創(chuàng)建，并結(jié)合GIS技術(shù)對布跨結(jié)果進(jìn)行可視化展示，如圖7所示。

圖5 參考并激活模型

圖6 橋梁智能布跨界面

圖7 布跨方案可視化展示

3.2 效益分析

與傳統(tǒng)鐵路橋梁布跨工作相比，利用BIM+AI技術(shù)的智能布跨方案的優(yōu)點體現(xiàn)在：（1）減少了設(shè)計人員對上序?qū)I(yè)信息的處理，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式下，通過制定標(biāo)準(zhǔn)格式的接口，最大化地利用上序?qū)I(yè)的成果，保證了數(shù)據(jù)的唯一性；（2）設(shè)計人員只需關(guān)注本專業(yè)內(nèi)的設(shè)計工作，減少了因數(shù)據(jù)再加工處理所消耗的時間與精力；（3）利用機(jī)器代替人工進(jìn)行程序化的工作，提高了設(shè)計效率；（4）可視化的成果展示更能夠保證方案準(zhǔn)確表達(dá)，對方案的合理性及可實施性有更為準(zhǔn)確的把控。

4 結(jié)束語

本文在總結(jié)鐵路橋梁布跨原則的基礎(chǔ)上，基于Q-Learning算法，對橋梁布跨算法進(jìn)行研究。依托統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互格式，通過BIM技術(shù)識別線路、地形等基本信息，實現(xiàn)橋梁布跨所需信息的自動提取、處理，組建信息集，并利用二次開發(fā)技術(shù)建立橋梁整體BIM，融合GIS技術(shù)對方案進(jìn)行可視化設(shè)計，給出一套適用于一般鐵路橋梁的智能布跨方案。該方案提高了橋梁設(shè)計效率與質(zhì)量，后續(xù)還需在特殊橋梁智能布跨方向進(jìn)行研究。