沈海華，王銀輝，2

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木建筑學(xué)院，浙江寧波 315000）

基于BIM的橋梁養(yǎng)護(hù)管理應(yīng)用初探?

沈海華1，王銀輝1，2

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院土木建筑學(xué)院，浙江寧波 315000）

通過(guò)分析建筑信息模型（BIM）的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，討論了BIM應(yīng)用于橋梁工程各個(gè)階段的可行性和必要性；在分析中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS）的基礎(chǔ)上，初步探討B(tài)IM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合的應(yīng)用模式及可視化橋梁養(yǎng)護(hù)信息的實(shí)現(xiàn)方式；結(jié)合橋梁信息模型的特點(diǎn)，分析了建立專家輔助決策系統(tǒng)的可能性，為BIM在橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展提供參考，以期實(shí)現(xiàn)基于BIM的橋梁全生命周期管理。

工程管理；橋梁；建筑信息模型（BIM）；養(yǎng)護(hù)管理；地理信息系統(tǒng)（GIS）

近年來(lái)，中國(guó)公路橋梁事業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，在役橋梁已達(dá)75.71萬(wàn)座。隨著使用年限的增加和交通量的加大，當(dāng)前步入維修期的橋梁日益增多，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，公路危橋數(shù)量已達(dá)到總數(shù)的10.5%。因此，政府和業(yè)內(nèi)人士越來(lái)越重視橋梁的養(yǎng)護(hù)管理。目前主要使用中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS）進(jìn)行橋梁管理。

建筑信息模型（BIM）以其可視化程度高、信息集成度好、協(xié)調(diào)性強(qiáng)等特點(diǎn)在國(guó)外得到迅速發(fā)展，中國(guó)在2002年開(kāi)始引入BIM概念并逐漸將其應(yīng)用于建筑行業(yè)。雖然BIM技術(shù)主要應(yīng)用于房建工程，但由于其所產(chǎn)生的顯著效益，目前橋梁工程方面也在對(duì)其進(jìn)行相關(guān)理論研究和應(yīng)用探索。交通運(yùn)輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃強(qiáng)調(diào)公路橋梁建設(shè)應(yīng)堅(jiān)持“創(chuàng)新引領(lǐng)，建養(yǎng)并重”，研發(fā)基于BIM技術(shù)的橋梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)，推動(dòng)公路橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)的升級(jí)換代。2016年交通運(yùn)輸部印發(fā)的“《交通運(yùn)輸重大技術(shù)方向和技術(shù)政策》的通知”中也將BIM放在了首要位置。由此可見(jiàn)，BIM技術(shù)的應(yīng)用將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)橋梁技術(shù)發(fā)展的重要方向。

1　BIM技術(shù)概要

BIM是一種基于數(shù)字化技術(shù)的工作過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)建筑的性能及設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)文檔和信息進(jìn)行處理。其核心是數(shù)據(jù)與信息，信息的集成和共享是BIM技術(shù)應(yīng)用的精髓所在。同樣，BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用也應(yīng)以橋梁三維可視化為基礎(chǔ)，以信息管理為核心，逐步實(shí)現(xiàn)橋梁的全生命周期管理。結(jié)合橋梁工程的特點(diǎn)，BIM在橋梁工程各個(gè)階段的應(yīng)用特征及優(yōu)勢(shì)可歸納為：

（1）設(shè)計(jì)階段。橋梁的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)均較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)能大大降低成本投入，減少后期不必要的返工。具體應(yīng)用價(jià)值表現(xiàn)為：1）三維模型用于方案的比選，增加可視化效果，提高決策能力；2）參數(shù)化建模便于設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和修改，在施工前就能發(fā)現(xiàn)和解決施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，大大減少?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)因設(shè)計(jì)造成的施工延誤和變更；3）通過(guò)模型直接生成二維CAD圖紙，雖然目前的BIM軟件能出圖，但本地化功能相對(duì)較弱，尚未形成適合設(shè)計(jì)院的出圖模式。

（2）施工階段。橋梁的施工工藝多樣且非常復(fù)雜，例如懸臂施工、頂推施工等多階段施工方法，對(duì)施工過(guò)程的精度控制和安全性要求都非常高。BIM的可視化施工模擬為其提供了技術(shù)支持，能實(shí)時(shí)掌握整個(gè)施工過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵工序，從而提高施工效率和安全性。BIM技術(shù)可與施工控制的三維仿真分析相結(jié)合，形成可視化的全過(guò)程仿真實(shí)時(shí)模擬控制。同樣，BIM技術(shù)可為施工階段的深化設(shè)計(jì)提供便利平臺(tái)，尤其是復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的裝配式施工，基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)可為施工帶來(lái)極大的便利。

（3）運(yùn)營(yíng)階段。橋梁在建成后需服役幾十年甚至上百年，其運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)維修尤為重要，其中大量數(shù)據(jù)和圖表處理需有效管理，并要求能隨時(shí)為橋梁養(yǎng)護(hù)工程師、管理人員和決策人員提供可視化、信息化的管理決策依據(jù)。而基于BIM的信息系統(tǒng)化運(yùn)營(yíng)，能有效提高橋梁的管理和養(yǎng)護(hù)水平，實(shí)現(xiàn)有效、規(guī)范的管理。

綜上，將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程，能實(shí)現(xiàn)橋梁的全生命周期管理。但文獻(xiàn)［7］、［8］表明：BIM在國(guó)內(nèi)橋梁工程中普遍應(yīng)用于設(shè)計(jì)和施工階段，應(yīng)用到運(yùn)營(yíng)階段的案例甚少。有研究者認(rèn)為，以解決設(shè)計(jì)和施工中的具體問(wèn)題作為采用BIM技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)的看法有待商榷，BIM應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)從運(yùn)營(yíng)維護(hù)入手。該文結(jié)合中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)的應(yīng)用模式，探索BIM在橋梁養(yǎng)護(hù)管理方面的應(yīng)用，以提高橋梁的管理和養(yǎng)護(hù)水平。

2　橋梁三維模型

以BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)營(yíng)管理的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，建立橋梁三維模型，是實(shí)現(xiàn)全生命周期管理的基礎(chǔ)。通過(guò)BIM核心建模軟件對(duì)橋梁建立精準(zhǔn)的三維模型，該模型包含其幾何信息和屬性信息等。BIM的三維模型是一個(gè)信息模型，囊括設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段的全部信息。以下通過(guò)對(duì)某三跨變截面連續(xù)梁橋的建模，討論橋梁的建模過(guò)程及模型特點(diǎn)，探索橋梁BIM模型作為信息載體的應(yīng)用。

2.1建模軟件的選擇

目前用于BIM的核心建模軟件可謂五花八門，主要有Autodesk、Bentley、Graphisoft和Dassault。其中流傳和使用最廣的是Autodesk平臺(tái)的Revit，該軟件為使用者提供了豐富且強(qiáng)大的族庫(kù)，很大程度上減少了建模師的工作量，深受用戶的喜愛(ài)。但面對(duì)橋梁工程特有的結(jié)構(gòu)形式和施工工藝，Revit用于橋梁建模的適用性較低，如Revit的族庫(kù)中并未包含橋梁方面的構(gòu)件族，仍需自定義創(chuàng)建，而且對(duì)于復(fù)雜的橋型其建模難度較大。

從橋梁工程的特點(diǎn)和軟件本身的適用性、協(xié)同性等兩方面綜合考慮，選擇Bentley平臺(tái)的Power-Civil作為橋梁三維設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)。在該平臺(tái)基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)“一個(gè)平臺(tái)，一個(gè)模型，一個(gè)數(shù)據(jù)源”，這也就是BIM對(duì)信息的本質(zhì)要求。

2.2建模流程

研究BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)管理方面的應(yīng)用，需建立一個(gè)完整的橋梁三維模型，即除橋梁結(jié)構(gòu)外，還包括橋梁的各種附屬設(shè)施。所建立的橋梁可視化模型主要用于可視化展示，未包括更加細(xì)部的內(nèi)容。該三跨連續(xù)梁的整體模型構(gòu)建思路：嚴(yán)格按照施工圖1∶1建模，按照道路中心線定平面位置，承臺(tái)、橋墩和橋臺(tái)都嚴(yán)格按照高程精確組裝（如圖1所示）。

圖1　橋梁建模思路

橋梁三維可視化模型建立的主要流程為根據(jù)橋梁所在位置的地質(zhì)勘測(cè)資料建立三維地質(zhì)模型→將原始CAD圖紙參考進(jìn)PowerCivil中，定位橋梁的中心線作為廊道基線，并賦予其縱斷面信息（豎曲線要素）→通過(guò)廊道功能建立橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)→通過(guò)內(nèi)置MicroStation（實(shí)體建模）創(chuàng)建附屬設(shè)施→根據(jù)高程控制及構(gòu)件的邏輯關(guān)系組裝全橋模型（如圖2所示）。

圖2　全橋三維模型

2.3基于BIM的橋梁可視化模型的特點(diǎn)

基于BIM的橋梁可視化模型常采用參數(shù)化建模方式，對(duì)任意位置和構(gòu)件的修改均可自動(dòng)進(jìn)行模型更新。在Bentley平臺(tái)上的模型能支持不同工程人員的協(xié)同工作，在進(jìn)入施工階段時(shí)，3D模型從設(shè)計(jì)方交付到施工方后，在原有模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)行4D和5D的擴(kuò)展，即nD-BIM概念。在對(duì)模型不斷優(yōu)化和整合中，積累各個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)信息，并可在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程相關(guān)人員進(jìn)行高效、精準(zhǔn)的工作。橋梁三維可視化模型的主要特點(diǎn)：

（1）信息的直觀性。橋梁三維模型將橋梁的相關(guān)信息以模型的形式呈現(xiàn)，直觀的3D可視化效果相比原有CAD圖紙更具直觀性。以模型的方式展現(xiàn)設(shè)計(jì)成果，方便與業(yè)主進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的交流匯報(bào)，提高方案的競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）信息的完整性。模型是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)，其原因在于模型能承載全生命周期的全部信息。橋梁的設(shè)計(jì)資料、施工圖紙及工程參與人員的相關(guān)資料等都能添加進(jìn)模型，完整的信息鏈能使橋梁經(jīng)濟(jì)且高效地運(yùn)營(yíng)。

（3）信息模型能自動(dòng)演化，在3D信息模型中進(jìn)行修改，二維工程圖中也隨之修改。橋梁BIM模型包含的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)和改建歷史數(shù)據(jù)等都能通過(guò)對(duì)模型的修改來(lái)更新，這將極大地提高工作效率。如對(duì)橋梁的某個(gè)部件進(jìn)行了加固，只需在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，不僅保留了維修記錄，更實(shí)時(shí)地展現(xiàn)橋梁的狀況；并且橋梁模型都是統(tǒng)一的格式，可實(shí)現(xiàn)各專業(yè)人員之間的全信息傳遞。

（4）多維模型為橋梁工程的全壽命養(yǎng)護(hù)維修管理提供極大便利，生命周期管理成為橋梁可視化信息模型的重要一維?；贐IM的橋梁信息模型，對(duì)橋梁的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)并將用戶費(fèi)用納入養(yǎng)護(hù)管理中，發(fā)展一種基于生命周期成本的橋梁管理模式。

3　基于BIM的橋梁信息化系統(tǒng)的特點(diǎn)

橋梁模型不僅僅是一個(gè)橋梁的三維展示，更是一個(gè)存儲(chǔ)信息和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)用BIM技術(shù)的關(guān)鍵在于如何提取模型中的相關(guān)信息，并用于工程的管理。下面結(jié)合中國(guó)公路橋梁管理系統(tǒng)，探索BIM技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，以提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理的直觀性、協(xié)同性和信息系統(tǒng)性。

3.1BIM與GIS的結(jié)合

地理信息系統(tǒng)（GIS）是以地理空間數(shù)據(jù)為對(duì)象的空間分析技術(shù)，1995年同濟(jì)大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于GIS平臺(tái)的上海市橋梁管理系統(tǒng)，并在2000年正式應(yīng)用于CBMS。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，GIS技術(shù)在CBMS中具有以下功能：1）空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢。GIS的突出特點(diǎn)是能顯示橋梁的空間屬性，將橋梁與周圍的場(chǎng)景相銜接，為橋梁賦予地理坐標(biāo)。同時(shí)能通過(guò)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢，為橋梁的運(yùn)營(yíng)管理提供真實(shí)、便捷的信息支持。2）橋梁狀況的顯示。橋梁檢測(cè)的目的在于隨時(shí)掌握橋梁的技術(shù)狀況和安全狀況，而且養(yǎng)護(hù)和維修離不開(kāi)橋梁的檢測(cè)結(jié)果。因此，管理系統(tǒng)應(yīng)能直觀明了地顯示橋梁狀況，便于管理人員快速、準(zhǔn)確地作出決策。一旦橋梁出現(xiàn)事故，可通過(guò)GIS技術(shù)及時(shí)獲得相關(guān)信息，將損失減到最小。3）數(shù)據(jù)的采集、編輯、動(dòng)態(tài)更新。運(yùn)營(yíng)階段在橋梁的全生命周期中跨度最長(zhǎng)，數(shù)據(jù)和信息的更新頻繁，需及時(shí)處理。GIS提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與編輯功能。

但在CBMSV12.0的使用中發(fā)現(xiàn)，目前GIS主要用于橋梁的宏觀環(huán)境與地理空間信息方面，加上橋梁建模成本較高且生成的模型都是“空殼”，沒(méi)有橋梁細(xì)部構(gòu)造信息，GIS的應(yīng)用仍停留在瀏覽查看橋梁的外部方面。而B(niǎo)IM對(duì)于存儲(chǔ)橋梁的屬性信息十分完整，能包含橋梁設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全部信息。在BIM模型信息中，所有的結(jié)構(gòu)信息都可方便查詢，大到橋梁墩臺(tái)，小到伸縮縫和支座的螺栓都可根據(jù)模型界面進(jìn)行細(xì)微查閱，避免低效率地查閱圖紙。因此，BIM技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)兩者功能的互補(bǔ)。

BIM與GIS集成應(yīng)用于橋梁管理系統(tǒng)，其核心價(jià)值主要體現(xiàn)在：1）提高大橋工程和橋梁群的管理能力。兩者的集成，實(shí)現(xiàn)了基于GIS的全線宏觀管理和基于BIM的橋梁精細(xì)化管理。GIS模型能顯示某橋梁在橋梁群的空間信息，并通過(guò)點(diǎn)擊該橋梁的GIS模型，就能切換到橋梁BIM模型，查閱相關(guān)的橋梁屬性信息。2）提高橋梁檢測(cè)的便捷性和準(zhǔn)確性。在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)人員能在移動(dòng)端上查閱橋梁的周圍環(huán)境和各個(gè)構(gòu)件的屬性，這意味著檢測(cè)人員無(wú)需攜帶大量的圖紙和資料就能掌握橋梁的全部信息。并且檢測(cè)人員能實(shí)時(shí)了解橋梁的維修歷史，使檢測(cè)結(jié)果更為精準(zhǔn)。

3.2橋梁信息展示

通過(guò)Bentley的核心建模軟件建立的全橋三維模型不僅可在桌面端顯示三維模型，更可將其通過(guò)NavigatorMobilePublisher轉(zhuǎn)化為I-model形式，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)端的模型瀏覽。I-model作為一種信息開(kāi)放式交換載體，為BIM應(yīng)用于橋梁運(yùn)營(yíng)管理方面提供了技術(shù)支持。

CBMS主要包含數(shù)據(jù)管理模塊、養(yǎng)護(hù)管理模塊和報(bào)表管理模塊，這些模塊都離不開(kāi)圖表和文字描述，對(duì)這些數(shù)據(jù)的管理和使用是CBMS的重中之重。為此，采用可視化的橋梁養(yǎng)護(hù)信息，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用。結(jié)合BIM的信息化和可視化特點(diǎn)，將橋梁檢測(cè)后的相關(guān)資料在模型上實(shí)現(xiàn)查看與檢索。具體功能如下：

（1）定位病害。在現(xiàn)役公路橋梁管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)著橋梁的歷史檢測(cè)和維修數(shù)據(jù)，將這些信息以添加鏈接的形式鏈接到橋梁三維模型。橋梁各個(gè)構(gòu)件上的相關(guān)病害數(shù)據(jù)（照片、表格等）都與模型一一對(duì)應(yīng)，使模型元素帶有工程屬性和相關(guān)文檔（如圖3所示），方便現(xiàn)場(chǎng)檢查，從而提高橋梁病害的發(fā)現(xiàn)速度。

圖3　可視化的橋梁養(yǎng)護(hù)信息

（2）信息共享和實(shí)時(shí)傳遞。橋梁的日常養(yǎng)護(hù)和定期檢測(cè)中需對(duì)發(fā)現(xiàn)的病害信息進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照并登記到紙質(zhì)記錄本上，再進(jìn)行相關(guān)內(nèi)業(yè)工作。移動(dòng)端的數(shù)字化移交改變了這種模式，使其工作效率得到較大提升。如現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)某橋墩處有一明顯的裂縫，即可將橋墩的現(xiàn)場(chǎng)照片和相關(guān)文字描述直接上傳到模型中所對(duì)應(yīng)的橋墩上。在BIM技術(shù)的支持下，養(yǎng)護(hù)檢測(cè)人員在記錄病害時(shí)對(duì)病害位置的記錄更精確，并且能將信息進(jìn)行實(shí)時(shí)共享，提高了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和工作效率。

（3）專家輔助決策。CBMS的評(píng)價(jià)決策子系統(tǒng)存在對(duì)橋梁的病害描述代碼不很全面的問(wèn)題，在實(shí)際操作中會(huì)遇到有的病害在數(shù)據(jù)庫(kù)中找不到合適的病害代碼來(lái)描述的情況。通過(guò)BIM技術(shù)，在可視化展示橋梁病害信息的基礎(chǔ)上建立一個(gè)專家決策輔助系統(tǒng)，通過(guò)信息模型，對(duì)橋梁出現(xiàn)的病害信息進(jìn)行準(zhǔn)確描述，并在系統(tǒng)相關(guān)規(guī)則下自動(dòng)給出經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的養(yǎng)護(hù)決策建議。

4　結(jié)語(yǔ)

將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護(hù)管理，是實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期管理的關(guān)鍵所在。以橋梁三維模型為基礎(chǔ)，提取并管理相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)橋梁的精細(xì)化管理。通過(guò)BIM技術(shù)可視化橋梁的養(yǎng)護(hù)信息，并在桌面端和移動(dòng)端同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息的展示與傳遞，提高橋梁養(yǎng)護(hù)管理的效率與質(zhì)量。基于CBMS的應(yīng)用模塊，研究BIM與GIS的集成和專家輔助決策系統(tǒng)，能為養(yǎng)護(hù)人員提供寶貴意見(jiàn)。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)的價(jià)值是巨大的，方向也是明確的。但需注意的是，BIM技術(shù)在中國(guó)仍處于起步階段，需加大研究力度和深度，在國(guó)家政策的指導(dǎo)下，探索BIM在橋梁設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用。

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?寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2011B81005）

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