基于BIM的桥梁养护管理应用初探∗

2016-09-14沈海华王银辉

公路与汽运 2016年4期

关键词：桥梁工程可视化建模

沈海华，王银辉，2

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.浙江大学宁波理工学院土木建筑学院，浙江宁波 315000）

基于BIM的桥梁养护管理应用初探∗

沈海华1，王银辉1，2

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.浙江大学宁波理工学院土木建筑学院，浙江宁波 315000）

通过分析建筑信息模型（BIM）的特点及优势，讨论了BIM应用于桥梁工程各个阶段的可行性和必要性；在分析中国公路桥梁管理系统（CBMS）的基础上，初步探讨BIM技术与地理信息系统（GIS）相结合的应用模式及可视化桥梁养护信息的实现方式；结合桥梁信息模型的特点，分析了建立专家辅助决策系统的可能性，为BIM在桥梁养护管理系统中的应用发展提供参考，以期实现基于BIM的桥梁全生命周期管理。

工程管理；桥梁；建筑信息模型（BIM）；养护管理；地理信息系统（GIS）

近年来，中国公路桥梁事业发展迅速，据统计，截至2014年底，在役桥梁已达75.71万座。随着使用年限的增加和交通量的加大，当前步入维修期的桥梁日益增多，根据不完全统计，公路危桥数量已达到总数的10.5%。因此，政府和业内人士越来越重视桥梁的养护管理。目前主要使用中国公路桥梁管理系统（CBMS）进行桥梁管理。

建筑信息模型（BIM）以其可视化程度高、信息集成度好、协调性强等特点在国外得到迅速发展，中国在2002年开始引入BIM概念并逐渐将其应用于建筑行业。虽然BIM技术主要应用于房建工程，但由于其所产生的显著效益，目前桥梁工程方面也在对其进行相关理论研究和应用探索。交通运输“十三五”发展规划强调公路桥梁建设应坚持“创新引领，建养并重”，研发基于BIM技术的桥梁设计系统，推动公路桥梁设计技术的升级换代。2016年交通运输部印发的“《交通运输重大技术方向和技术政策》的通知”中也将BIM放在了首要位置。由此可见，BIM技术的应用将是未来一段时间内桥梁技术发展的重要方向。

1　BIM技术概要

BIM是一种基于数字化技术的工作过程，通过计算机对建筑的性能及设计、建造和运营维护文档和信息进行处理。其核心是数据与信息，信息的集成和共享是BIM技术应用的精髓所在。同样，BIM技术在桥梁工程中的应用也应以桥梁三维可视化为基础，以信息管理为核心，逐步实现桥梁的全生命周期管理。结合桥梁工程的特点，BIM在桥梁工程各个阶段的应用特征及优势可归纳为：

（1）设计阶段。桥梁的结构形式和受力特点均较为复杂，在设计阶段应用BIM技术能大大降低成本投入，减少后期不必要的返工。具体应用价值表现为：1）三维模型用于方案的比选，增加可视化效果，提高决策能力；2）参数化建模便于设计方案的调整和修改，在施工前就能发现和解决施工中可能出现的问题，大大减少复杂结构因设计造成的施工延误和变更；3）通过模型直接生成二维CAD图纸，虽然目前的BIM软件能出图，但本地化功能相对较弱，尚未形成适合设计院的出图模式。

（2）施工阶段。桥梁的施工工艺多样且非常复杂，例如悬臂施工、顶推施工等多阶段施工方法，对施工过程的精度控制和安全性要求都非常高。BIM的可视化施工模拟为其提供了技术支持，能实时掌握整个施工过程的时间节点和关键工序，从而提高施工效率和安全性。BIM技术可与施工控制的三维仿真分析相结合，形成可视化的全过程仿真实时模拟控制。同样，BIM技术可为施工阶段的深化设计提供便利平台，尤其是复杂的钢结构桥梁的装配式施工，基于BIM技术的深化设计可为施工带来极大的便利。

（3）运营阶段。桥梁在建成后需服役几十年甚至上百年，其运营阶段的养护维修尤为重要，其中大量数据和图表处理需有效管理，并要求能随时为桥梁养护工程师、管理人员和决策人员提供可视化、信息化的管理决策依据。而基于BIM的信息系统化运营，能有效提高桥梁的管理和养护水平，实现有效、规范的管理。

综上，将BIM技术应用于桥梁工程，能实现桥梁的全生命周期管理。但文献［7］、［8］表明：BIM在国内桥梁工程中普遍应用于设计和施工阶段，应用到运营阶段的案例甚少。有研究者认为，以解决设计和施工中的具体问题作为采用BIM技术的出发点的看法有待商榷，BIM应用的出发点应从运营维护入手。该文结合中国公路桥梁管理系统的应用模式，探索BIM在桥梁养护管理方面的应用，以提高桥梁的管理和养护水平。

2　桥梁三维模型

以BIM技术在桥梁运营管理的应用为出发点，建立桥梁三维模型，是实现全生命周期管理的基础。通过BIM核心建模软件对桥梁建立精准的三维模型，该模型包含其几何信息和属性信息等。BIM的三维模型是一个信息模型，囊括设计、施工和运营阶段的全部信息。以下通过对某三跨变截面连续梁桥的建模，讨论桥梁的建模过程及模型特点，探索桥梁BIM模型作为信息载体的应用。

2.1建模软件的选择

目前用于BIM的核心建模软件可谓五花八门，主要有Autodesk、Bentley、Graphisoft和Dassault。其中流传和使用最广的是Autodesk平台的Revit，该软件为使用者提供了丰富且强大的族库，很大程度上减少了建模师的工作量，深受用户的喜爱。但面对桥梁工程特有的结构形式和施工工艺，Revit用于桥梁建模的适用性较低，如Revit的族库中并未包含桥梁方面的构件族，仍需自定义创建，而且对于复杂的桥型其建模难度较大。

从桥梁工程的特点和软件本身的适用性、协同性等两方面综合考虑，选择Bentley平台的Power-Civil作为桥梁三维设计协同平台。在该平台基础上能实现“一个平台，一个模型，一个数据源”，这也就是BIM对信息的本质要求。

2.2建模流程

研究BIM技术在桥梁养护管理方面的应用，需建立一个完整的桥梁三维模型，即除桥梁结构外，还包括桥梁的各种附属设施。所建立的桥梁可视化模型主要用于可视化展示，未包括更加细部的内容。该三跨连续梁的整体模型构建思路：严格按照施工图1∶1建模，按照道路中心线定平面位置，承台、桥墩和桥台都严格按照高程精确组装（如图1所示）。

图1　桥梁建模思路

桥梁三维可视化模型建立的主要流程为根据桥梁所在位置的地质勘测资料建立三维地质模型→将原始CAD图纸参考进PowerCivil中，定位桥梁的中心线作为廊道基线，并赋予其纵断面信息（竖曲线要素）→通过廊道功能建立桥梁上部结构和下部结构→通过内置MicroStation（实体建模）创建附属设施→根据高程控制及构件的逻辑关系组装全桥模型（如图2所示）。

图2　全桥三维模型

2.3基于BIM的桥梁可视化模型的特点

基于BIM的桥梁可视化模型常采用参数化建模方式，对任意位置和构件的修改均可自动进行模型更新。在Bentley平台上的模型能支持不同工程人员的协同工作，在进入施工阶段时，3D模型从设计方交付到施工方后，在原有模型的基础上可进行4D和5D的扩展，即nD-BIM概念。在对模型不断优化和整合中，积累各个项目的相关信息，并可在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程相关人员进行高效、精准的工作。桥梁三维可视化模型的主要特点：

（1）信息的直观性。桥梁三维模型将桥梁的相关信息以模型的形式呈现，直观的3D可视化效果相比原有CAD图纸更具直观性。以模型的方式展现设计成果，方便与业主进行设计方案的交流汇报，提高方案的竞争力。

（2）信息的完整性。模型是BIM技术的基础，其原因在于模型能承载全生命周期的全部信息。桥梁的设计资料、施工图纸及工程参与人员的相关资料等都能添加进模型，完整的信息链能使桥梁经济且高效地运营。

（3）信息模型能自动演化，在3D信息模型中进行修改，二维工程图中也随之修改。桥梁BIM模型包含的结构数据、施工数据、养护和改建历史数据等都能通过对模型的修改来更新，这将极大地提高工作效率。如对桥梁的某个部件进行了加固，只需在原有模型的基础上进行修改，不仅保留了维修记录，更实时地展现桥梁的状况；并且桥梁模型都是统一的格式，可实现各专业人员之间的全信息传递。

（4）多维模型为桥梁工程的全寿命养护维修管理提供极大便利，生命周期管理成为桥梁可视化信息模型的重要一维。基于BIM的桥梁信息模型，对桥梁的寿命进行预测并将用户费用纳入养护管理中，发展一种基于生命周期成本的桥梁管理模式。

3　基于BIM的桥梁信息化系统的特点

桥梁模型不仅仅是一个桥梁的三维展示，更是一个存储信息和数据的数据库。运用BIM技术的关键在于如何提取模型中的相关信息，并用于工程的管理。下面结合中国公路桥梁管理系统，探索BIM技术在该系统中的应用前景，以提高桥梁养护管理的直观性、协同性和信息系统性。

3.1BIM与GIS的结合

地理信息系统（GIS）是以地理空间数据为对象的空间分析技术，1995年同济大学开发了基于GIS平台的上海市桥梁管理系统，并在2000年正式应用于CBMS。根据相关文献，GIS技术在CBMS中具有以下功能：1）空间数据与属性数据的双向查询。GIS的突出特点是能显示桥梁的空间属性，将桥梁与周围的场景相衔接，为桥梁赋予地理坐标。同时能通过空间数据与属性数据的双向查询，为桥梁的运营管理提供真实、便捷的信息支持。2）桥梁状况的显示。桥梁检测的目的在于随时掌握桥梁的技术状况和安全状况，而且养护和维修离不开桥梁的检测结果。因此，管理系统应能直观明了地显示桥梁状况，便于管理人员快速、准确地作出决策。一旦桥梁出现事故，可通过GIS技术及时获得相关信息，将损失减到最小。3）数据的采集、编辑、动态更新。运营阶段在桥梁的全生命周期中跨度最长，数据和信息的更新频繁，需及时处理。GIS提供了强大的数据采集与编辑功能。

但在CBMSV12.0的使用中发现，目前GIS主要用于桥梁的宏观环境与地理空间信息方面，加上桥梁建模成本较高且生成的模型都是“空壳”，没有桥梁细部构造信息，GIS的应用仍停留在浏览查看桥梁的外部方面。而BIM对于存储桥梁的属性信息十分完整，能包含桥梁设计、施工和运营维护的全部信息。在BIM模型信息中，所有的结构信息都可方便查询，大到桥梁墩台，小到伸缩缝和支座的螺栓都可根据模型界面进行细微查阅，避免低效率地查阅图纸。因此，BIM技术与GIS技术相结合，能实现两者功能的互补。

BIM与GIS集成应用于桥梁管理系统，其核心价值主要体现在：1）提高大桥工程和桥梁群的管理能力。两者的集成，实现了基于GIS的全线宏观管理和基于BIM的桥梁精细化管理。GIS模型能显示某桥梁在桥梁群的空间信息，并通过点击该桥梁的GIS模型，就能切换到桥梁BIM模型，查阅相关的桥梁属性信息。2）提高桥梁检测的便捷性和准确性。在现场的检测人员能在移动端上查阅桥梁的周围环境和各个构件的属性，这意味着检测人员无需携带大量的图纸和资料就能掌握桥梁的全部信息。并且检测人员能实时了解桥梁的维修历史，使检测结果更为精准。

3.2桥梁信息展示

通过Bentley的核心建模软件建立的全桥三维模型不仅可在桌面端显示三维模型，更可将其通过NavigatorMobilePublisher转化为I-model形式，实现在移动端的模型浏览。I-model作为一种信息开放式交换载体，为BIM应用于桥梁运营管理方面提供了技术支持。

CBMS主要包含数据管理模块、养护管理模块和报表管理模块，这些模块都离不开图表和文字描述，对这些数据的管理和使用是CBMS的重中之重。为此，采用可视化的桥梁养护信息，实现BIM技术在桥梁养护管理中的应用。结合BIM的信息化和可视化特点，将桥梁检测后的相关资料在模型上实现查看与检索。具体功能如下：

（1）定位病害。在现役公路桥梁管理系统中存储着桥梁的历史检测和维修数据，将这些信息以添加链接的形式链接到桥梁三维模型。桥梁各个构件上的相关病害数据（照片、表格等）都与模型一一对应，使模型元素带有工程属性和相关文档（如图3所示），方便现场检查，从而提高桥梁病害的发现速度。

图3　可视化的桥梁养护信息

（2）信息共享和实时传递。桥梁的日常养护和定期检测中需对发现的病害信息进行现场拍照并登记到纸质记录本上，再进行相关内业工作。移动端的数字化移交改变了这种模式，使其工作效率得到较大提升。如现场检测人员发现某桥墩处有一明显的裂缝，即可将桥墩的现场照片和相关文字描述直接上传到模型中所对应的桥墩上。在BIM技术的支持下，养护检测人员在记录病害时对病害位置的记录更精确，并且能将信息进行实时共享，提高了数据的及时性和工作效率。

（3）专家辅助决策。CBMS的评价决策子系统存在对桥梁的病害描述代码不很全面的问题，在实际操作中会遇到有的病害在数据库中找不到合适的病害代码来描述的情况。通过BIM技术，在可视化展示桥梁病害信息的基础上建立一个专家决策辅助系统，通过信息模型，对桥梁出现的病害信息进行准确描述，并在系统相关规则下自动给出经济、科学的养护决策建议。

4　结语

将BIM技术应用于桥梁养护管理，是实现桥梁全生命周期管理的关键所在。以桥梁三维模型为基础，提取并管理相关信息，实现桥梁的精细化管理。通过BIM技术可视化桥梁的养护信息，并在桌面端和移动端同时实现信息的展示与传递，提高桥梁养护管理的效率与质量。基于CBMS的应用模块，研究BIM与GIS的集成和专家辅助决策系统，能为养护人员提供宝贵意见。

将BIM技术应用于桥梁养护管理系统的价值是巨大的，方向也是明确的。但需注意的是，BIM技术在中国仍处于起步阶段，需加大研究力度和深度，在国家政策的指导下，探索BIM在桥梁设计、施工和运营中的应用。

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