BIM与云、物联网技术在桥梁全生命周期中的研究及应用

2022-11-25王庆贺刘瑞鑫孙立晔杨永琛

铁道标准设计 2022年12期

王庆贺,刘瑞鑫,孙立晔,杨永琛

(沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳 110168)

1 概述

随着大数据、云计算、物联网等新兴互联网技术的广泛应用，新一轮的数字化变革已经展开。为应对即将到来的挑战，我国在《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》中明确提出要在“十三五”时期全面提高建筑业信息化水平，着力增强BIM与大数据、云计算、物联网等信息技术集成应用能力[1]；“十九大”报告中也指出，要“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”[2]。将这些新兴互联网技术与BIM技术相结合，是时代发展的趋势。

在此背景下，学者们进行了系列理论与应用研究，张云翼等[3]通过文献调研，指出我国新兴互联网技术与BIM的融合应用尚处于初级阶段，缺乏理论指导，工程应用也面临挑战；韩冬辰等[4]聚焦于现有BIM体系的建成信息缺位而导致的“信息-物理”不交互，进行了建筑数字孪生体的理论框架和建成信息部分的理想化建构；王成龙等[5]提出可从任意角度对BIM云平台中三维模型进行剖切的分割算法，可以解决BIM云平台中三维模型剖切面信息获取的难题；张贵忠[6]通过对基于互联网搭建的桥梁现场感知体系的研究，解决BIM模型的轻量化问题，实现了管理手段和项目管控方式的创新；谢琳琳等[7]基于BIM+数字孪生技术管理平台的研究，实现了物理施工系统与虚拟施工系统之间的实时交互；刘天成等[8-9]通过探索基于BIM平台的桥梁结构健康监测信息融合技术，实现了BIM平台对桥梁结构健康监测信息的实时获取、分析和智能预警决策。上述研究可以发现，目前研究多以单点应用研究为主，基本集中于桥梁的施工或运维阶段，缺乏全生命周期中多项技术集成应用研究。

基于此，开展桥梁全生命周期多项技术集成应用研究，综合应用云计算、物联网与BIM技术，构建适用于桥梁全生命周期的BIM信息管理平台，解决项目全生命周期的信息孤岛问题，改善工程数据的积累、存储、管理及应用状况，提高全生命周期内各参与方的协同管理能力，实现全方位三维可视化管控和精细化管理，为新兴信息技术与BIM技术集成应用的相关研究提供参考。

2 BIM信息管理平台研发

2.1 平台建设思路

以工程三维模型为载体，打造基于BIM技术的工程项目管控系统，形成以质量控制、进度控制为目标，信息管理、安全管理、运维管理为手段，贯穿规划设计、施工、运维管养各阶段，统一模型、统一标准、统一应用的信息系统[10]；利用云计算、物联网技术，实时采集并存储施工及运维管养过程中的大规模数据，形成虚实结合的项目管控系统；建立以可视化模型为载体，以过程控制原始资料为基础的文档控制管理体系。

2.2 平台架构

基于上述建设思路，构建BIM信息管理平台，平台整体搭建是基于基础数据层之上，基础数据层作为包含项目整体建设信息的数据库，主要由数据接入系统、数据分析系统、数据共享系统、分布式计算引擎等部分构成，内部数据处理采用Hadoop数据处理框架[11]。而数据接入系统还通过摄像头、各类传感器、计量表、I/O模块等设施设备进行部分信息采集[12]。业务层主要由6个项目管理模块构成，分别是进度管理模块、安全管理模块、质量管理模块、运维管理模块、现场管理模块和文档管理模块。平台访问层共分为4个，分别是浏览器、移动端、客户端、移动APP，平台总体架构如图1所示。

2.3 平台实现

BIM信息管理平台围绕工程管理需求进行模块划分，下文从进度管理、安全管理、质量管理、运维管理、图纸文档管理、现场管理6个模块进行评述。

图1 BIM信息管理平台总体架构

进度管理模块包含施工计划、实际进度和进度分析等子系统。“施工计划”子系统直观地展现了各施工工序之间穿插关系与持续时间，将进度计划导入“施工总进度计划”子系统，自动将计划按年、月、周进行分配、并按规定准时发送给责任人，使得各环节都有据可依；在工作人员将收集的进度信息导入“实际进度”子系统后，自动进行进度分析并生成报表，为进度管理提供依据。

安全管理模块包含视频监控、安全检查、安全风险预警等子系统。“视频监控”子系统连接施工场地的摄像头，可以及时记录并反映安全管理中的重大危险源；“安全检查”子系统是对场地安全隐患的整改记录；“安全风险预警”子系统在施工前一周将三级以上风险以短信形式发送给相关人员，提醒其做好安全防范措施，直至施工安全员上传现场照片进行消警闭环。

质量管理模块包含检验批质量、试验检测等子系统。“检验批质量”子系统是对施工质量信息的汇总，“试验检测”子系统是对各项材料的合格证、质保书、原厂检测报告等信息的汇总，并都与构件部位进行关联[13]，以备监理方检查。

运维管理模块包含监测预警、巡检管养、工单管理、应急管理等子系统。“监测预警”子系统通过传感器和监控等设备，将实时监测数据与模型进行关联，加强对运维期工程的把控；“巡检管养”子系统分别向巡检人员、养护人员、维修人员发送相关任务，各部门人员通过移动APP上传实景照片进行闭环；“工单管理”子系统汇总日常清洁、养护及故障维修工单等信息；“应急管理”子系统是对火灾、交通等紧急事件情况的记录，并总结事故发生规律，以便制定规范化的事故处置方案。

图纸管理模块包含了项目全生命周期内所有的施工图纸；文档管理模块包含了合同、日志、报告、政策法规在内的所有数据资料。

现场管理模块包含项目圈、人员进退场管理、机械进退场管理等子系统。“项目圈”子系统反映了项目全寿命期内所有的安全、质量问题，并附带整改闭环记录。

2.4 平台优势

在建设实体工程的同时，构建数字孪生工程，实现全过程管理信息的实时、可视掌控，构建统一数据中心，提供统一数据访问服务，提供低耦合的微应用场景服务，具有显著优势。

数据管理方面，平台不仅解决传统意义上数据交流困难、信息量庞大、信息安全难以保证等问题，具有良好的安全性、兼容性和处理能力；更凭借其强大的运算能力和存储能力，使得无论何地登录平台，均可按类按时按需进行上传、查阅与工程项目相关的数据信息。此外，平台还能通过数据积累，分析已有案例，为今后事故预防提供借鉴。

协同管理方面，平台可以解决传统纸质方式交流的“信息孤岛”问题，打通不同参与方、不同阶段、不同专业之间的分散特性，将分散的各参与方从时间和空间上联系起来[14]。各参与方共享同一套工程信息数据，可根据权限随时查看实时问题，切实帮助项目提高管理效率和管理质量。

安全管理方面，平台可以克服传统安全管理中主观性大、时效性低等弊端，在科学性、准确性、及时性等方面进行改善。通过运用物联网技术，在实时监测的基础上进行管理，以“事前防控危险源，实时监控安全隐患”的方式，可有效降低安全事故发生的概率。

3 BIM管理平台的应用研究

3.1 工程概况

基于某大跨度钢管混凝土系杆拱桥进行平台可行性验证。钢管混凝土系杆拱桥平台首页如图2所示，该系杆拱桥跨度为72 m，矢跨比为1/5，在1号墩与2号墩间跨越某高速公路。系杆拱桥设计采用预应力混凝土系梁、钢管混凝土拱，基础使用摩擦型钻孔灌注桩，1号墩使用φ1.25 m桩基础，设计桩长50 m，呈矩形布置；2号墩采用φ1.5 m桩基础，设计桩长50 m，呈梅花形布置。1号墩承台尺寸为20 m×9 m×2.5 m，2号墩承台尺寸为19.4 m×10 m×3 m。

3.2 设计阶段

在设计阶段，使用BIM信息管理平台构建三维可视化模型，能够更直观反映设计图与周围环境的空间关系，便于设计方案确定；通过应用碰撞分析、有限元分析等软件进行深化设计，提高设计效率和质量，避免后续阶段不必要的设计变更。

3.2.1 模型建立

结合各种形式的桥梁设计标准，针对桥梁设计方案，采用Revit软件将桥梁的3个主要组成部分：上部结构、下部结构和附属结构进行拆分，并进行参数化建模[15]。将模型及其信息导入BIM管理平台，实现设计方案模型的可视化参数驱动，模型如图2所示。

图2 某大跨下承式钢管混凝土系杆拱桥平台

3.2.2 碰撞分析

将桥梁模型导入Navisworks软件进行碰撞分析，从多方位、多接口、多角度进行观察，并将分析结果上传数据共享中心，完成平台对设计方案可视化验证。本次分析发现2处不合理的地方，具体而言，钢栏杆与拱脚发生碰撞，钢栏杆图纸数量为78、实际只能摆放62件，如图3所示；1号临时墩与基础错位，按照方案图纸建立模型发现位置无法正好坐落在基础上，如图4所示。

图3 钢栏杆与拱脚发生碰撞

图4 临时墩与基础错位

3.2.3 有限元分析

采用MIDAS Civil对桥梁进行分析，如图5所示，并以TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》和TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》为标准，按A类预应力混凝土结构进行验算。分析得到，采用预设的施工方案时，施工过程以及成桥阶段系杆拱桥各主要构件的受力均能满足设计相关要求，该方案是合理可行的。与此同时，将有限元关键性结果输入平台，作为施工与运营过程中的控制性指标。

图5 MIDAS力学分析模型

3.3 施工阶段

BIM平台解决信息孤岛问题，使得各参与方可以进行跨阶段信息协同交流。因此，设计阶段BIM模型在深化后，可在施工阶段继续使用。基于BIM平台对全线桥梁构件进行快速、有序的EBS编码，确保构件编码的惟一性，将之作为承载桥梁相关信息的身份标识；建立BIM模型与实体EBS的联系，完成对所有信息的统一管理[16]。

3.3.1 进度管理

根据工序报工数据，系统会自动生成实际工程进度并与计划进度进行比较，滞后部位以不同颜色显示并生成报表，如图6所示。系统自动分析滞后的原因，报表格式是定制化的，但随着工程项目增多，不停迭代，系统自动分析的原因也会越来越准确。

平台实现对施工整体进度的可视化把控，选中关联的构件模型，可查询构件的基本信息：计划起止时间、实际起止时间及完成状态等。同时，系统会根据未来的工程数量和任务，自动生成材料分析明细表、材料分配及使用状况表等，供管理人员随时调取，以保证资源的合理调配，实现精细化管理。

3.3.2 质量管理

质量管理以工序管理为核心，以平台标准库内的规范作为控制标准。平台系统采用标准化管理方式，利用二维码、移动互联网等技术，实时采集工序控制点和施工过程中的海量数据，并自动比对实际数据和BIM模型，记录构件整体的大小和扭转等误差信息，给出误差较大的位置和数值[17]。若误差超出允许值，平台质量预警会自动触发，同时施工标段安全员与项目经理会收到信息提醒，直至问题整改完成，所上传信息与模型数据相匹配，预警模式才会消除，实现基于模型可视化的质量安全闭环管理。

图6 进度统计评估

同时，制定严格的审批责任机制，保证项目有序、高效推进，避免大规模返工现象的发生。项目审批限制时间，在规定时间内没有审批完成，将依此对相关人员进行惩处，追究其责任。

3.3.3 安全管理

通过安全风险预警、安全检查等手段，提高施工现场安全管理水平和安全管理的效率，实现对现场的有力掌控[18]。现场安全设施日常巡查。对于现场安全设施，施工安全员每日巡查拍照，监理拍照复核，平台自动提取拍照的时间、地点、拍照终端，确保信息真实，确保安全设施处于可控、在控状态。

人工智能技术辅助管理。通过人工智能手段，智能识别是否佩戴安全帽安全带，并即时提醒；配置电子围栏，人员进入安全隐患区域，会发出现场鸣笛、安全帽震动等警告，并有安全人员实时通讯指导走出危险区域；电子地图实时展现人员、车辆信息及历史轨迹，实现人员车辆实时动态监控，人工智能辅助管理如图7所示。

图7 人工智能辅助管理

3.3.4 资源管理

在物资管理方面，平台不仅会自动计算WBS节点的日、周、月各项施工资源计划用量，合理安排人员、材料、设备的调度[19-20]；还可以根据施工过程中其他信息的改变动态调整资源使用计划。而凭借移动APP和设备扫码等设备，对物资进场、出库、检验等全过程实现信息化管理，并在平台中对每个构件物资设计用量、实际工程用量等进行三维可视化对比分析。在机械管理管理方面，对施工场地的机械设备进行编码，并将生成的二维码贴到机械设备上，通过移动APP扫描将信息录入平台，结合视频监控，加强对设备进退场的实时管控。

3.4 运维管养

平台内集成了该钢管混凝土系杆拱桥全生命周期内所有的数据资料，包含不同阶段的各种状态，为运营期管养决策提供科学的数据支撑。运维管养阶段的BIM模型是施工阶段传递下来的真实竣工模型，将监测预警、巡检管养等信息通过BIM模型进行集成，实现桥梁的数字化管养。

3.4.1 监测预警

监测预警阶段BIM模型将传感器监测信息、外观信息、专项检测信息等监测数据高效集成，以设计、施工阶段的验算数据作为预警指标，并将监测量与预警指标的关系在BIM模型上直接映射，实现监测预警的三维可视化。例如，以MIDAS Civil成桥阶段的验算结果作为结构方面的预警指标。以预警指标为阈值，通过不同预警可视化颜色，将预警等级分为5级，更直观地了解桥梁结构健康状态[21]。针对多指标问题，分别基于各单项指标划分预警区间，采用加权的方式将各项指标进行融合，得到总体预警区间。对于三级以上预警构建，平台会即时提醒工作人员进行整改，以免造成更大危害。

3.4.2 巡检管养

通过日常巡检养护对监测预警进行查漏补缺，提高桥梁结构管养的全面性。在日常巡检过程中，皆根据集成信息所确定的标度值进行，避免人员专业性水平差异问题。系统会定期将巡检、养护任务发送给相关人员，进一步保证桥梁健康，延长使用寿命。若出现病害状况，巡检人员通过采用移动APP将病害情况发送至项目圈，而这些信息都会自动归集到平台中；同时，平台即刻将病害状况转发给整改人员，直至其将整改结果拍照上传到相应项目圈下进行消项，并附带整改方法以备查询，任务才会闭合，自动归档。而在BIM模型上通过不同颜色对病害进行标记、追踪，与预警可视化颜色进行区分，以便整改人员锁定构件，查看所在病害处的设计、施工资料及历史病害情况，为制定科学有针对性的处置措施提供基础。