面向养护的桥梁BIM模型交付标准探讨

李 洁，张耀允，孙 莉

（1.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

引言

BIM是对Building Information Model/Modelling的简称，国内一般译作“建筑信息模型”。一般认为BIM的概念于2004年前后随国外三维建模软件在国内的推广而引入，但真正受到广泛的关注是在2010年以后。将BIM应用于工程项目中，可获取更真实的工程环境；打破信息孤岛，促进协同工作；提高数据信息的准确性，推动设计优化；有助于模拟分析和可视化展现等，进而总体上实现工作效率和质量的提升，带来项目成本的节约。

伴随着过去十年国内基础设施建设的蓬勃发展，BIM在工程项目设计与施工阶段的应用案例已经很多，而将BIM运用于工程项目的运营养护中，则相对来说较少。实际BIM也可以为运营养护赋能，欧盟BIM工作组在讨论将BIM引入欧洲公共基础设施的建设中时，指出：BIM是工程施工与资产运营的数字化形式，它融合信息技术进步和行业流程再造，从根本上为工程建设带来改变。BIM为建筑和公共基础设施全寿命周期内的各项工作赋能，不仅适用于新建项目，更重要地是，也支持项目的养护、维修与更新[1]。

1 BIM与桥梁养护管理

我国目前是世界第一桥梁大国，截止2018年末，公路桥梁已达85.15万座，总长达5 568.59万米。桥梁是公路工程中的重要节点，服役周期长，各级公路上的特大桥、大桥和高等级公路上的中桥等，其设计使用年限不应低于100年[2]，桥梁养护的重要性不言而喻。根据《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004），桥涵养护的主要工作内容包括：检查及评价，采集更新数据；保养、维修和安全防护；加固改造；环保、防灾；建立档案和数据库等[3]。

在目前的桥梁养护中，虽然大部分桥梁部署了数据库管理系统，一些大型桥梁还部署了健康监测系统，但总体上这些系统均是传统的二维系统，数据和信息多以表单的形式展现，未能通过三维图形来驱动数据，或将相关检查结果直接展现在三维图形中；并且数据一般以桥梁为单位统计，没有具体到桥梁构件上。这些导致将桥梁数据展现给养护人员时，信息笼统不形象、内容不具体，不利于养护工作者准确而快速地做出决策。

2018年3月交通运输部发布了《关于推进公路水运工程BIM技术应用的指导意见》，其中主要任务和重点工作之一是加强BIM数据应用，提升养护管理效能；指出建设、运营单位应完善项目管理制度，加快实现设计、施工、养护、运营管理各阶段工程信息共享传递，充分利用建设期BIM数据改进养护管理，提高养护决策水平。鼓励对在役项目，搭建BIM技术养护管理平台，逐步推进养护信息数字化管理，提升管理水平。

在实际项目应用时，首先需要解决为项目建立满足养护阶段应用要求的BIM信息模型。该模型需具体包含哪些内容，模型单元间如何组织，模型应包含哪些信息。由于目前公路行业建筑信息模型的相关标准还未出台，因此参考《建筑信息模型设计交付标准》（GB/T 51301-2018）中的相关内容。

2 养护用桥梁BIM交付模型应包含的内容

目前关于建筑信息模型交付的国标[4]已出台，虽然其细节内容均围绕建筑工程展开，不涉及桥梁工程，但其中一些基本内容对桥梁BIM模型的创建与交付仍具有指导意义。

从交付的角度说，养护用桥梁BIM模型为竣工移交物或面向养护的交付物中的重要组成部分。根据GB/T 51301-2018的4.3.1节，建筑信息模型应包含的内容：（1）模型单元的系统分类；（2）模型单元的关联关系；（3）模型单元几何信息及几何表达精度；（4）模型单元属性信息及信息深度；（5）属性值的数据来源。

模型单元是工程对象在建筑信息模型数字化环境中的体现，分为实体和属性两个维度[4]。图1为某悬索桥桥塔的一个塔柱节段，三维模型体现了其几何细节，而与该模型单元关联的大量属性信息，则真正定义了塔柱这样一个工程对象。

图1 桥梁信息模型

3 养护用桥梁BIM模型的组织与信息需求

3.1 模型单元的系统分类

模型单元系统分类问题即桥梁构件的分类问题。桥梁养护管理通常是对一定区域范围内的大量桥梁进行统一管理，对桥梁构件的合理分类，是实现桥梁有序管理的基础。因为同类构件的病害问题相似，可以集中处理，维修措施也更容易做到标准化。

总体上将桥梁构件分为上部结构构件、下部结构构件和附属工程构件三大类，每一类别下再细分子功能系统，各种桥型中出现的构件都按上述原则列举在相应类别中，不区分构件的组成材料、具体构造形式等。表1给出了这种分类方法的一个示例，列举了桥梁上部结构中的部分构件及其对应的编码。

此外考虑到桥梁构件的组成材料和具体构造形式是影响其可能发生的病害的两个主要因素，还同时从这两个维度，对桥梁构件进行分类，确定其材料分类和构造形式的分类。以某桥上部结构中的预应力混凝土T梁为例，从构件分类角度，它属于表1中的主梁；从材料角度，为预应力混凝土；从具体构造形式来说，为T梁。

表1 桥梁构件分类与编码示例

对桥梁构件进行系统分类后，则可以在创建信息模型时，对它们进行统一描述，保障信息有序而规范的传递，同时也可以让信息模型和其实际使用功能一一对应。

3.2 模型单元的关联关系

桥梁组成构件相互联系形成一个有机整体，从而为车辆通行提供可靠空间。与之对应的虚拟信息模型，则也需要定义模型单元间的关联关系，才能充分表达实际工程对象。

在桥梁运营养护中，桥梁检查和技术状况评定是其中的重要一环，现行的《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21-2011）采用的分层综合评定法是先对桥梁各构件进行评定，然后对桥梁各部件进行评定，再对三大部位进行评定，最后进行全桥总体技术状况评定[5]。该方法隐含了一种桥梁构件的组织方法，即桥梁-部位-部件-构件，因此面向养护建立桥梁BIM模型时，可根据该方法对一座桥梁进行实体结构分解，分解完成，也就建立了模型单元间的关联关系。

图2给出了某悬索桥的实体结构分解。以主鞍为例，其模型单元与图中的最细一级一一对应，这些模型单元相互并列，具有相同的构件分类编码，它们与相应桥梁部件、部位和桥梁的关联关系可据此定义。

图2 某悬索桥的实体结构分解

在实践中很容易混淆模型单元的系统分类和模型单元的关联关系这两个概念。一般来说，模型单元的系统分类应尽量保持稳定，而关联关系则可以根据不同的应用需求分别定义，图2中的6个主鞍模型单元，还可以按上下游分成2组，或按桥塔位置分成3组，但其构件分类与编码始终不变。

3.3 模型单元几何信息及几何表达精度

在实际工程中，受制于工程体量、建模成本、模型展现时的软硬件等条件，信息模型无法做到十分完备和表达出构件的全部几何真实细节。针对桥梁养护，应结合养护应用需求，确定BIM模型的信息模型发展等级LOD[6]。LOD可表达为不同应用阶段的模型单元深度、几何精度和信息深度的全面性的综合指标。参考GB/T 51301-2018中的定义，桥梁运营养护阶段BIM交付模型的LOD应定为LOD4。

关于模型单元深度，可狭义地理解为模型单元的丰富程度。通过对桥梁养护应用需求的调研，桥梁BIM模型LOD4对应的模型单元深度要求，见表2。

表2 LOD4桥梁信息模型的模型单元深度要求

关于模型单元的几何精度，它会影响模型单元的视觉呈现效果，进而影响人在与模型互动时，能否快速识别模型所表达的工程对象。

几何精度划分与LOD等级之间无严格对应关系，在同一项目的不同阶段，基本模型单元根据使用需求，可采用不同的几何精度。面向养护时，桥梁BIM模型LOD4对应的几何精度要求，可参考表3，其中G2表示满足空间占位、主要颜色等粗略识别需求的几何表达精度；G1表示满足二维化或符号化识别需求的几何表达精度[4]。

表3 LOD4桥梁信息模型几何精度要求

3.4 模型单元的属性信息及信息深度

BIM交付模型中包含的丰富属性信息是BIM对于养护管理的价值所在，这些属性信息可为养护工针对运营养护中出现的问题制定解决方案时，提供决策参考。

从模型信息属性标准化角度出发，可针对各桥梁构件，制定标准化的信息属性模板以及定义LOD4对应的信息深度。总体上构件属性可分为基本属性、构件特有属性以及材料属性三大类。表4为桥梁工程上部结构中的主梁，列出了LOD4对应的信息深度要求，即各类属性中应包含的属性字段。

表4 主梁LOD4信息模型的信息深度

3.5 属性值的数据来源

模型单元的属性值随工程发展而迭代。当桥梁工程从设计之初即引入BIM模型，则竣工移交时属性值为经设计和施工阶段不断修正后，最终项目上实际采用的设计规格。而对在役桥梁，当在其运营养护中引入BIM模型时，属性值则主要源于竣工图纸与资料，并仍反映项目实际。

4 结语

在《建筑信息模型设计交付标准》（GB/T 51301-2018）的基本原则的指导下，结合桥梁工程实际，讨论了面向养护时桥梁工程信息模型的交付标准。遵守交付标准建立和移交的桥梁BIM模型，进一步接入桥梁检查、技术状况、健康监测等养护数据，以及地图、气象、维修、资金计划等其他数据，将为桥梁的运营养护提供一个丰富的数据库，并且BIM模型单元将作为数据的承载实体，连接起这些数据，实现工程信息的共享传递与可视化表达。