铁路桥梁病害库和管养知识库的构建及应用研究

2019-01-24潘永杰魏乾坤赵欣欣刘晓光

铁道建筑 2019年1期

潘永杰，魏乾坤，赵欣欣，刘晓光

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所,北京 100081)

我国铁路桥梁运营管理执行“检养修分开”模式，以检查(周期性检查、临时检查、专项检查等)、周期性保养、综合维修和大修为主，通过界定车间班组职责，按照检查、分析、计划、作业、验收几个关键环节进行流程管理。检养修3种作业层次确保了资源共享化、作业集中化和检修专业化[1]，对于桥梁结构保持良好的服役状态起到了至关重要的作用。桥梁检查以人工巡检为主，针对发现的病害现场填写检查记录簿，养护维修人员处理后在记录簿对应位置记录，多以纸质档案保存[2-3]，容易出现不规范、不准确的表述，病害的综合分析较难。同时，桥梁管养知识归纳总结不够、共享性差的现象普遍存在，运营人员需要大量的实践经验积累才能制定针对性的实施方案，不仅增加了学习成本，也不利于经验的推广应用。

随着高速铁路的大规模发展，以桥代路的建设理念以及复杂多样的空间分布促使了许多新型桥梁结构的应用[4]，如系杆拱桥、公铁合建的斜拉桥、悬索桥等，设计采用了新结构、新工艺、新材料，原有面向中小跨度桥梁的劣化评定标准已不完全适用，致使现场人员缺乏对检养修工作重心的把控和及时、准确的技术指导。

针对铁路桥梁结构形式多样化、检养修作业纸质化和技术日趋复杂化的特点，本文在基于PHM(Prognostic and Health Management)管养系统框架下[5-6]，将信息化技术与现有检养修流程深度融合，构建铁路桥梁病害库和管养知识库，基于桥梁养护管理系统辅助日常检修作业[7]，利用BIM技术实现病害的精确定位和全过程有效信息的关联，从而提高桥梁病害检查、养护和维修的规范化和准确性。

1 桥梁病害库及管养知识库

桥梁病害库及管养知识库是以运维单元(一般指构件)为本体，基于BIM技术集成检查重点、劣化标准、养护对策等内容，服务检养修应用的综合知识体系，包括标准知识库体系和基于BIM的运营养护系统2大模块，如图1所示。

图1 铁路桥梁病害库及管养知识库组成架构

标准知识库体系的构建是以高速铁路和普速铁路桥隧建筑物修理规则为基础，通过国内外桥梁工程病害的调研和长期跟踪，逐步形成面向各种桥梁结构或构件的病害种类、劣化标准、维修策略等知识系统。基于BIM的运营养护是在标准知识库体系的基础上，旨在形成桥梁运营作业的自动化辅助系统。基于BIM模型的可视化、关联性等特点，规范具体结构或构件的病害检查、维修方式等的作业流程，为桥梁养护人员提供快速准确的病害分类和养修指导，协助检养修工作的决策和实施。

2 标准知识库

标准知识库体系涵盖运维构件库、劣化标准库、检查库、维修库和其他辅助知识库，其中以运维构件库为基础，通过编码与其他4大库关联。其实质是专家系统与现场实践应用的有机整合，核心是开展铁路桥梁运维构件分类和全生命周期信息的关联应用。

2.1 运维构件库

2.1.1 运维构件分类

构件是桥梁运维管理的基本单元。构件分类即桥梁结构(模型组织结构)的合理拆分，不仅应遵循桥梁本身的结构体系，还需考虑面向运营对象的特殊需求，以便保持与现有运维模式的协调统一，从而有效衔接现行修理规则。

高速铁路桥梁多数为标准跨度简支梁，占比很少的特殊结构桥型形式多样，但每种桥型基本都包括上部结构、支座(阻尼器及伸缩装置)和附属设施、下部结构4部分。基于此，对桥梁结构运维单元的分类和枚举结果如下：

1)上部结构分为钢筋混凝土梁体、预应力混凝土梁体、钢板梁主梁、结合梁钢主梁、结合梁混凝土桥面板、杆件、节点、联结构造、拱肋、拱脚、拱上立柱、桥面系、钢箱梁体、主塔、斜拉索、吊杆(索)、索夹、主缆、主索鞍、散索鞍、锚固构造等；

2)支座(阻尼器及伸缩装置)分为支座、阻尼器、特殊桥梁结构伸缩装置、常用跨度桥面伸缩装置等；

3)附属设施分为防护墙(挡砟墙)、吊篮、围栏、道砟槽、排水设施、防水设施、电缆槽、作业通道(包括人行道、检查梯、检查通道、避车台)、声屏障、风屏障、防落梁设施、检查车、防护栏杆、遮板、通航辅助设施、防撞设施、破冰棱、桥梁限高架、锥体、河调设施等;

4)下部结构分为明挖基础、桩基、承台或地系梁、沉井基础、挖井基础、管柱基础、桥墩、桥台、垫石、锚锭等。

上述分类方法仅将桥梁构件进行了第3级分解，对部分特殊桥梁结构或构件而言还未达到应用的细分程度。因此，需要结合具体桥型进行第4级、甚至第5级的分解，以满足运维设备台账分类和精细化管理的要求。

2.1.2 运维构件库创建

运维构件库的创建涉及2个方面：①对每种类型构件应当包含的属性信息进行归集整理，分别从身份描述、定位信息、几何信息、技术信息、组织角色、项目信息、生产信息、资产信息、运维信息等9个方面对全过程信息进行分组定义，形成BIM模型构件属性信息交换模板，实现全生命周期的信息集成。②以《铁路工程信息模型分类和编码标准》(1.0版)中53表为基础[8]，建立基于IFD分类编码的技术应用模式，确定以IFD分类编码为唯一关联标识。桥梁构件通过编码关联到所属运维构件库，现阶段是并行关联其他4大库内容。伴随知识积累，未来将升级为第2阶段的精细化运营，即自动识别相应的劣化标准库和检查库，通过劣化标准库自动推送相应的维修库和其他辅助知识库，其关联模式如图2所示。

图2 不同阶段基于运维构件分类编码的关联模式

根据现场和决策需求，其他辅助知识库包括工程案例库、工具库、劣化等级标准图例库、标准法规库、供方库等内容。由此可知，标准知识库是面向专业化、精细化、标准化管养的庞大数据知识体系，将伴随行业技术发展和实际运营情况进行动态调整和持续完善，是整个运营养护系统建设的基础性工作。

2.2 劣化标准库

劣化标准除了具体的病害描述外，还涉及检查周期、建议维护时间、病害劣化等级分类，是检查人员识别和评估病害的直接依据。铁运〔2011〕131号《高速铁路桥隧建筑物修理规则(试行)》[3]将检查结构划分为桥面、桥面防排水、钢结构保护涂装、钢结构、支座和防落梁挡块、混凝土梁及墩台、桥梁救援疏散通道等，这种分类适用于现场运营维护需求，但不能完全对应于桥梁设计层面中的4大结构部位，不利于基于运维构件为本体的信息集成和针对性的统计分析。因此，以修理规则为基础，按照4大结构部位对病害进行归属和分类细化，从表现形式上重构劣化标准库：基于“结构部位+构件名称+病害大类+病害子类+劣化等级”的编码原则对病害进行唯一性标识，每种病害大类采用固定数字编号，细分的病害子类采用流水编号，方便进行新型病害类型的扩充。劣化等级按A(AA，A1),B,C级设置。目前已完成170余项病害信息的结构化存储。

通过在系统内分类创建构件表和属性表，对构件分类编码、编码从属关系、属性分组信息、属性内容等进行有序存储，建立基于IFD的桥梁结构树状组织关系。其与劣化标准库的关联展示如图3所示。

图3 上部结构运维构件库与劣化标准库的关联展示

2.3 检查库及维修库

检查库及维修库针对具体桥型开展，仍按4大结构部位进行知识关联，明确桥梁关键部位的检查重点及检查方法，根据病害劣化程度，推送对应的养护维修措施。考虑上部结构构件种类多，且不同桥型差异大，因此上部结构检查库中将常规钢梁、混凝土桥和特殊结构桥(代码分别为01,02,03)作为划分依据，其他3大结构部位暂不考虑桥型影响。

通过现场和资料调研收集了20余项具有可实施性的检查方法及维修方式，初步构建了作业指导书形式的检查库及维修库，并对典型作业指导书制作了三维技术交底动画。相应作业指导书的编号原则为“作业形式+结构部位+桥型或构件代码+构件或病害的流水号”，如表1所示。

表1 检查及维修作业分类及编号

检查库及维修库涉及的字段主要有构件ID、作业名称、作业类型、检查目的、作业条件、工具材料、作业程序、作业要领、质量标准、安全风险、安全红线警示等，通过明确各环节具体内容实现检查和维修作业的流程化和标准化。

3 基于BIM的运营养护

基于BIM的运营养护是在标准知识库体系基础上进行的具体业务应用，涉及BIM模型、病害检查、养护维修和综合展示4部分内容，整体技术路线如图4所示。

运维BIM模型创建方法已在文献[6]中介绍。养护维修涉及不同的操作流程，具体内容按照维修库的操作流程执行，本文仅对病害检查和分析展示进行阐述。

图4 基于BIM的运营养护技术路线

3.1 病害检查

病害检查可基于巡检终端完成相应操作。检查人员携带手持终端按照分配的巡检任务进行桥梁巡检。通过选择构件模型可查看其检查重点、检查方式、设计信息、施工信息、历史病害信息等内容。当某一构件出现病害时，在桥梁BIM模型上选择发生病害的构件，实现病害的精确定位(如图5所示)，并以自动标签方式标识病害位置。巡检系统自动给出该类构件可能发生的病害类型及劣化等级信息，检查人员对照实际情况进行选择，必要时附加病害照片或补充音频、视频等相关信息，最终形成的病害记录包括构件ID、病害类型、劣化等级、发现时间、检查人员、检查工具、病害情况描述等完整内容。

图5 病害部件的精确定位

基于BIM的巡检固化了检查流程，一方面实现了病害的可视化定位、规范化描述和历史病害信息的结构化存储，另一方面通过自动推荐的病害处理措施，为桥梁养护人员提供了有效决策，减少了学习成本，起到“虚拟助理”作用。

3.2 分析展示

基于BIM的桥梁巡检实现了桥梁病害信息的可视化和结构化，根据巡检结果对数据模型进行统计分析，服务于精准管养。

1)定性分析

根据构件分类编码和病害类型的编码规则，可对巡检结果按构件类型或病害类型进行一定时间的统计分析，如图6所示。

图6 病害统计示例

以构件类型为维度，可获取一定时期内某种构件类型发生病害的分布情况，实现对该类构件状态的4D变化展示和持续跟踪，为预防性维修提供条件。若某种病害发生的频率多，结合多源信息可分析归纳该类构件发生此种病害的共性原因，进而反馈类似结构构件设计或施工。

以病害类型为维度，通过统计特定病害最常发生的构件类型，有利于检查人员对工作重心的把控；管理单位通过对单个桥梁或所辖线路桥梁病害类型的统计分析，按照劣化程度进行分类汇总，有利于养护维修工作优先次序的制定，实现有限资源的合理分配和成本效益的最佳平衡。

与此同时，桥梁运维BIM模型集成关联了模型单元信息模板内的其他信息，如桥梁结构形式、建成年代、所处地理位置、环境作用等级、轨道类型、曲线半径、线路坡度等。随着病害、检测及维护数据的大量积累，后期可以通过机器学习确定各种影响因素与发生病害类型的相关性，进而有针对性地反馈设计、施工或提前制定预防性维护策略，实现全生命周期信息的共享与反馈。

2)定量分析

采用桥梁状态分层分级评估方法[5]进行定量分析，其本质是基于病害检查结果对桥梁状态进行综合评判：首先对结构单元进行评分，再逐级向上依次对桥梁4大结构部位、各孔跨、主桥进行4个层次的状态评分，给出相应的状态区间及健康代码，不同健康代码反映不同的桥梁状态，进而为桥梁养护维修决策提供参考。

定量分析的本质属于专家系统，评分的关键在于专家确定的权重表，必要时权重表应根据桥梁类型、结构形式等因素进行调整。