BIM技术在桥梁运维阶段的应用及展望

夏子立，高文博,景 强

(港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519000)

0 引言

根据交通运输部发布的《2020年交通运输行业发展统计公报》，至2020年末，我国公路桥梁数量已达91.28万座。历经多年发展，桥梁建设已由“以建为主”转变为“建养并重”。目前我国的桥梁运维数字化、智能化水平较低，桥梁运维管养、运行管控效率有待提升，亟需结合新兴技术的发展，提升桥梁运维的总体水平。

BIM(Building Information Modeling)技术自应用于建筑工程领域后，各行业领域也逐渐认识到其功能优势及技术特点。交通运输部《关于全面深化交通运输改革的意见》对公路养护管理的信息化改革提出了具体要求,并在《关于推进公路水运工程BIM技术应用的指导意见》中明确指出BIM可实现工程设计、施工、养护以及运营信息传递共享和工作协同，促进工程建设项目全程信息化，要加强BIM模型数据应用，提升养护管理效能。因此，综合运用BIM及其他相关的信息化技术，已经成为桥梁运维技术研究与应用的发展趋势。

1 BIM概述

1.1 BIM定义

BIM由美国查克伊士曼博士于20世纪70年代提出，其最初被定义为BDS(Building Description System)，主要面向建筑工程设计与施工，包含几何特性、构件功能及性能、施工过程信息等内容[1]。美国第一版国家BIM标准NBIMS描述BIM“是一种对某种设施的物理和功能特性的数字化表示”，强调其是建设工程的物理和功能的数字化表达，可用于工程信息交换[2]。我国于2016年发布的《中国市政工程设计行业BIM指南》将BIM定义为数字信息的集成和应用，是用于设计、建造、管理的数字化方法[3]。

随着科学技术不断发展，BIM的内涵也不断丰富与深化，其含义从最初针对建筑工程设计与施工的计算机模型，逐步发展到包括建设工程全生命周期的信息模型、管理模型、协作模型等内容。当下，随着我国数字化战略的实施，BIM作为集工程、管理与计算机科学为一体的交叉领域，将会被行业及研究者赋予更为前沿与深刻的内涵。

1.2 BIM技术特点

作为工程行业逐步推广应用的信息化技术，BIM主要具备以下技术特点[4]：

(1)可视化：设计阶段可将二维图纸转变成为三维立体模型，可在模型中附加质量、成本、进度等信息，将构筑物的设计意图、空间布局等信息传递到施工阶段。运维阶段可与信息化系统集成应用，提供直观的可视化效果。

(2)协同性：BIM技术可以优化项目参建各方的信息沟通和协调方式，加强信息共享，减少资源浪费，提升协同效率。

(3)模拟性：BIM技术可以模拟不便于在真实世界中进行操作的事件，如碰撞检测、声场模拟、节能测试、紧急疏散、成本模拟以及造价控制等。

(4)优化性：借助BIM可对设计、施工以及运维阶段的方案进行优化，如初步设计方案优化、施工工艺优化以及设施维护计划优化等。

1.3 主要建模软件

目前主流的建模软件有Autodesk、Bentley、Dassault等平台。针对桥梁建模方面的需求，我国相关设计应用单位基于上述平台进行二次开发，以提升建模效率及针对性，相关软件见表1。

1.4 标准制定情况

数据标准是BIM建模及数据传递的核心要素，在BIM的应用过程中，不仅需要各种软件协同配合和数据共享，更需要数据标准来进行规范指导。目前国际上通用的BIM标准为ISO标准，主要包括IFC(Industry Foundation Class)、IDM(Information Delivery Manual)、IFD(International Framework for Dictionaries)三大类。此外，某些国家也发布了相关标准，如美国的“国家BIM应用标准”、英国的“建筑业BIM标准”以及新加坡的“BIM应用指南和电子审查标准”等。

我国的BIM标准制定和研究起步较晚，但近年来发展迅速，已经在国家层面、行业层面和地方层面发布了一系列建筑工程方面的BIM标准，形成了相对完整的标准体系。2007年发布了《建筑对象数字化定义》(JG/T198-2007)，国家质量监督检验总局和国学标准化管理委员会于2010年发布了《工业基础类平台规范》(GB/T25507-2010)。2016至2019年间，住房和城乡建设部相继发布了多个建筑信息模型应用、设计交付、项目施工以及分类编码等类型标准。地方层面如北京、上海、广东、重庆等地也相继发布了相应的BIM标准。随着BIM技术在公路工程、市政工程方面的应用，该领域亦陆续发布了相关的标准(表2)。

表2 公路与市政工程BIM标准

目前，建筑工程领域的BIM标准较多，公路市政及桥梁工程领域的相关标准较少，并主要集中在设计、施工阶段，与运维业务相关的标准非常少。国际上较为知名的是COBIE(施工运营建筑信息交换)，目前正在编制及已经发布的公路与市政公用工程标准，亦没有将桥梁部分的运维阶段需求纳入，基本限于施工图阶段。目前大多数标准集中在软件功能、信息交换、分类编码、信息术语等方面，主要分为信息标准、编码标准以及应用指南等类型。

2 BIM的研究与应用概况

2.1 BIM研究

通过CNKI数据库统计分析我国2011年～2020年对BIM的研究情况，总体情况如下：2011～2018年，针对BIM的研究快速增长，其在工程中的实际应用逐步增加；2011年～2020年BIM关于运维应用方面的研究较少，大多数研究集中在设计、施工等方面；2020年以BIM为主题的研究论文出现较大幅度下降，笔者认为这并不是因为工程信息化、数字化研究的热度降低，而是随着数据科学、人工智能等新兴技术的快速发展，与BIM相关的研究主题已经转向AI辅助设计、数据资产管理与挖掘等方面，但仍属于信息化、数字化的研究范畴，未来关于新兴技术与BIM结合的研究会越来越多。2011年～2020年BIM研究论文统计情况如图1所示。

图1 2011年～2020年BIM研究论文统计情况

2.2 BIM在桥梁运维方面的应用

目前BIM在桥梁工程的应用及研究主要集中于设计和施工阶段，运维阶段的应用较少。BIM在桥梁运维阶段的应用主要体现在其与桥梁运维信息化系统的集成应用，可实现桥梁运营阶段的数据整合及业务可视化管理，提高项目的维养效率及信息化水平。近年来，越来越多的桥梁工程基于BIM构建了项目级桥梁管养信息化系统，部分应用案例见表3。[5-14]。

表3 部分桥梁运维阶段BIM应用案例

2.2.1 BIM与桥梁健康监测系统的融合

桥梁健康监测系统是桥梁结构安全监测与评估的关键技术手段之一。目前健康监测系统存在信息可视化程度低、数据可读性差、系统维护效率有待提升等问题；BIM与健康监测系统的融合应用，可提升监测数据可视化以及系统信息化水平，提高系统日常维护效率。基于BIM可将监测数据上传至三维模型，实时查看桥梁结构的内力状态以及损伤情况，对桥梁结构进行实时的安全评估、预警和决策[15]。通过“BIM+GIS”数据结合，可实现现场信息与模型信息的双向传输，为管养人员提供病害部位坐标、构件类型等信息[16]。此外，BIM模型可提供集图片、表格、文字于一体的信息展示方式，具备较强的数据管理能力[17]。

国内外学者对BIM与桥梁健康监测系统的融合应用进行了广泛研究。陈虹颖[18]基于BIM开发了桥梁健康监测的附加模块，实现风速、变形、应力等信息的可视化；李明柱[19]等提出基于BIM的桥梁监测信息关联交互、实时数据分析和预警方法；耿方方[20]等提出基于BIM的监测系统架构；刘天成[21]等基于平塘特大桥构建桥梁运营维护期的建养一体化平台，实现BIM平台对桥梁监测信息的实时获取、分析、评估和预警决策。Cong Ye[22]等以斯塔福德郡铁路桥为例，介绍了结构健康监测系统和BIM数据的整合应用，该项目将监测数据实时集成至动态的BIM环境中，通过可视化的手段分析应力、应变随时间演化与分布情况；Brodie Chan[23]等以澳大利亚Pyrmont桥为例介绍了基于BIM的桥梁运维管理系统，该系统可将巡检图片在BIM模型上链接定位，通过不同颜色展示的方式对BIM模型构件进行评级标记，以可视化的方式实现巡检管理和维修管理等功能。

2.2.2 BIM与桥梁管养系统的融合

桥梁管养系统是关于桥梁数据、桥梁巡检、状态评估、结构退化预测、维护对策和计划以及经济分析的信息化系统。BIM模型承载的信息数据可以与桥梁管养系统的数据结合并进行直观展示，为桥梁的维养与管理决策提供依据，提高桥梁维养管理及作业效率。BIM与诸多新技术的集成应用为桥梁管养系统的功能提升提供支撑，其与RFID技术的集成可实现实体构件二维码与BIM模型的映射对应[24]；BIM与无人机联合应用可对高大桥梁、人工难以到达的部位进行检测，并可将检测数据与BIM模型进行映射[25]；BIM与AR技术集成可将虚拟模型环境与人所处的真实环境相融合，有效辅助现场运维作业[26]。

国内外的专家及学者对于BIM、GIS、大数据等技术与桥梁管理系统的融合进行了研究。马继骏[27]等基于现行国家及国际编码标准，提出满足桥梁建养一体化的信息编码体系；张贵忠[11]等提出集多源信息获取及管理、结构智能分析与状态评估、智能维养管理等功能于一体的数字化大桥运维平台总体设计；万春风[28]等针对京杭大运河斜拉桥的维养需求，研发基于“Web+BIM+GIS”的桥梁管理系统；吴巨峰[29]等以武汉某公路大桥为例，融合BIM、GIS、移动互联网、物联网、无人机倾斜摄像等新技术，构建面向桥梁设计、施工、管养构建大型桥梁管养平台；翟晓卉[30]等研发基于“BIM+GIS”的道路桥梁运维管理平台，重点解决长距离线性工程BIM和GIS的数据融合和可视化应用展示问题。Hakdaoui Sofia[31]等以摩洛哥穆罕默德VI桥为案例，基于“BIM+GIS”实现桥梁的可视化表达，并将监测数据与BIM模型融合，基于机器学习和人工智能算法实现数据的自动化分析；欧盟委员会于2014年开始研究自动化、智能化的桥梁检测与管理平台“SeeBridge”，该系统融合三维激光扫描、机器学习和BIM等技术，尝试打通桥梁检测、模型重建、状态评估的全过程数据链，并利用实测数据直接生成BIM模型，在BIM模型基础上对桥梁状态开展详细的评估分析[32]。

3 BIM在桥梁运维阶段应用的不足

BIM在桥梁建设及运维方面已得到一定的应用，但仍存在诸多不足。总体来说，其在桥梁运维阶段的应用还存在以下问题：

(1)应用研究不足。相对建筑工程领域，BIM技术在桥梁工程中的应用较少，特别是对桥梁运维阶段的研究和应用尚处于初始阶段。

(2)缺乏针对性的设计与建模软件。相对建筑工程，桥梁工程在设计、施工和运营阶段均缺乏相应的BIM设计与建模软件，导致不同的设计软件之间数据信息交换困难且容易丢失，难以形成面向全生命周期的BIM 模型。

(3)应用标准缺乏。目前，无论是国家还是行业层面，均缺乏桥梁工程各阶段业务的统一标准，导致设计、施工阶段的模型数据难以在运维阶段发挥作用，数据难以延续与传递。

(4)建模与计算分析通道尚未打通。目前BIM建模软件与评估计算软件之间存在较大鸿沟，难以实现BIM模型数据直接参与受力计算分析，也缺少相应的软件接口使BIM模型与管养阶段的桥梁评估算法融合进行评估分析。

4 总结与展望

(1)BIM技术在建筑工程领域已被广泛应用，在公路桥梁工程方面的应用亦逐渐增多，但在桥梁运维阶段的应用较少，仍处于初始阶段。随着桥梁运维技术数字化、智能化的发展进程，综合运用BIM、GIS以及大数据等信息化技术已经成为新的发展趋势。

(2)BIM技术可以为桥梁维养的信息化管理提供可视化三维模型、数据整合管理等功能，但其在桥梁运维阶段的应用还存在应用研究不足、针对性建模软件及统一标准缺乏、模型与仿真计算通道未能打通等问题。

(3)BIM技术在桥梁运维阶段的应用，还需与众多新兴技术如物联网、大数据、人工智能等进行融合应用；进一步构建桥梁工程全生命周期的BIM标准体系，打通各阶段的数据孤岛；加强建模软件的本土化研究与开发，开发统一、高效、专业的软件系统；进一步与桥梁管养一体化平台的深度融合及集成研究，提高展示的精细化和流畅度，最大限度地发挥BIM的数据管理及可视化价值。