基于数字孪生模型的公路桥梁设计施工一体化系统

摘要：针对公路特大桥梁设计与施工之间无法有效建立精细化管理等问题，文章基于传统数字孪生模型深化桥梁设计施工一体化管理系统。该系统通过制定一体化编码结构，将自动化数字编码与大数据融合算法模型相挂接，并与项目管理业务过程融合，提高了桥梁施工的数字化管理水平，为后续实现桥梁数字化资产管理和养护奠定了基础，对于可视化设计成果快速交底以及施工进度管理等具有重要意义。

关键词：数字孪生；公路桥梁；BIM；设计施工一体化

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0 引言

随着“十四五”发展战略的持续推进以及“一带一路”发展规划的实施推进，大批新建高速公路相继开工建设。跨越江河湖和海峡的大型桥梁作为高速公路的关键性控制工程，是保证公路全线通车和正常使用的关键［1］。BIM技术［2］作为工程领域智能化的发展趋势，能够针对不同桥梁设计进行精细化管理，建立特征化数字仿真模型，实现项目前期工程预排以及施工进度跟踪与监测。然而现阶段BIM发展的底层算法技术尚缺乏体系，基于不同桥梁设计规范的系统研发之滞后，未能根据材料属性和安全耐久性要求渗透实际施工过程中［3］。特别是对于公路特大桥梁设计与施工之间的数据流通工作缺乏效率，二维图纸向三维信息多维建模存在困难［4］：（1）公路特大桥梁从传统线条绘制的二维设计方式向构件布置的三维设计转变受阻；（2）BIM信息系统获取的海量监测数据混乱，未能根据相关多元数据分析施工过程存在的不确定性问题。

因此，提高公路建设项目特大桥梁设计质量和实现工程数字化管理，采用三维数字化集成几何表达与信息模型协同设计，成为公路特大桥梁数字化施工领域的又一关键性问题。

近年来，随着计算机算力的发展进步，数字孪生技术在桥梁设计与施工中的应用受到各个组织的广泛关注［5］。通过与工程数字化技术的融合，实现桥梁设计流程的再造和施工管理过程的优化，实现桥梁全生命周期建设的数字化、自动化、信息化［6］。因此，研究基于数字孪生的公路桥梁设计施工一体化管理应用，具有重要的工程意义。

1 基于数字孪生模型的设计施工系统

在设计施工一体化管理平台的应用中，数字孪生技术以桥梁物联网为基础，通过海量分布在类似桥梁施工现场中的传感器获取各类数据，例如施工流程、现场监控、进度情况等数据，将数据集成于高还原度的虚拟桥梁模型中，分析、优化相应设计以及施工管理，根据反馈数据可以形成智能决策；此外，结合智能决策结果以及人工经验，通过操作数字孪生模型下达指令来更新设计图纸和施工流程，达到以虚控实的效果。系统自上而下的整体架构为信息感知编码层、多源数据传输融合层、数据虚实交互层、智能决策层。

1.1 模型一体化编码结构

由于特大桥梁设计与施工之间的信息数据缺乏有效连接，而且现有三维模型的拆分工作以及系统底层算法编码工作量大，代码出错无法及时维护。为此，基于数字孪生系统的原有框架，考虑特大桥梁设计周期内的建设管理、成本计算工作以及施工过程中的大数据监测反馈、各工程段档案管理等要素，通过架构短短为公路信息模型分类编码，结合三维数字化软件实现公路桥梁的设计施工一体化管理系统建立。

模型表示编码的整体思路为：首先将各桥梁工程项目的建设与运营数据汇总收集至大数据平台，然后通过关联表示编码进行公路工程信息分解，最后根据空间部位、专业要素、结构构件以及档案版本实现相应目标。其中项目编号采用企业级项目码，由项目建设单位在规范基础上自行拟定；工点编号参照专业+单位工程号划分；构件分类按国家标准针对建筑信息模型面分类法中建设成果内容进行分类；位置关系则通过某类构件的左右幅以及三向维度进行编码；版本序号考虑版本变更后添加的版本序号信息重新组成。如图1所示。

1.2 多源数据传输融合层

由于特大桥梁施工过程中不确定性显著：地质条件复杂、桥梁设计方案多样、现场施工材料机械多、施工管理不完备等。不论是设计阶段还是施工周期内，相关要素信息无法有效流通，针对多样化工点与构件之间的设计与施工，提出基于多源数据与协同管理的数字孪生设计施工一体化系统，建立不同业务渠道的连接。

数据融合功能模块的构建（见图2），主要通过RFID以及PLC等获取设计与施工的时序数据，对时间传播链条上的信息实时多元感知；基于传感器或卫星遥感等工具对目标的点迹与坐标变换进行轨迹获取；最后通过现场施工的协同管理器对大数据信息进行误差校正。在多元数据关联的过程中，天地系统可以精确化处理点轨迹，在进行轨迹关联时借助各方工具实现参数的属性、状态融合。基于数据关联之后可判断设计与施工态势，对实时状态进行评估，绘制轨迹滤波曲线，根据局部态势图反馈指导设计施工［7］。

1.3 数据虚实交互层

考虑到多元信息获取的随机性与多变性，针对不同方式得到的海量数据需进行差异化筛选分析，针对重复要素以及无效数据去除清空，对缺项重要数据进行自动化填补。而且新构建的数据集与原始数据可相互兼容转换，以便后续不同阶段的调用与共享。首先依据各类属性进行数据的向量化处理；其次针对干扰数据采用三倍标准差剔除标准进行误差排除；然后归类每种属性目录下的各类向量，基于时空对齐操作获取结构化完整的大数据集［8］。

借助两个低维的尺度函数进行二维的分离式函数构建，其中小波函数以及相应的尺度函数［9］可根据ψ（x）与φ（y）公式表达，进而方向敏感波为：

ψH（x，y）=ψ（x）φ（y）

ψV（x，y）=ψ（y）φ（x）

ψD（x，y）=ψ（x）ψ（y）（1）

式中：ψH——度量沿列方向的变化；

ψV——度量沿行方向的变化；

ψD——度量对角线方向的变化。

1.4 智能分析决策层

交互后获得的感知多源数据能够进行原有态势的评估操作，并将结果进一步验证反馈，针对原有态势的分析结果修正以此提高可靠度。基于融合协作的数据可重新进行监测评估，更新重组信息库内的各类属性资源。如果数据库内的资源符合算法预先规划的各种约束，可依据可靠性进行更新操作［10-11］。若融合后的数据可信力高于原数据集则更新旧数据，否则保持原系统内资源不动。基于此种小波融合算法的表达方式能够进行新旧数据之间的信息互补，在设定的评估范围内动态调整，对设计施工全周期提供了可靠的鉴别库。其中态势评估可靠性主要依据规则信度来进行操作，假设存在相容的n个集合Ω1、Ω2、…、Ωn，这些辨识框架内部存在多重异构的命题集合，若存在命题集Ai∈Ωi，那么对应映射法则F：A→B且A∈Ωi，B∈Ωj，则Ω1、Ω2、…、Ωn中所规定的命题可以由规则F进行表述。而组合命题的可信度可表示为：

m*R（c）=

mR（A）×mRi（c）

m（c）×1-m*（A，B）1-m（A，B）（2）

式中：m——根据映射法则的原始可信度分配值；

m*——根据映射法则调整后的可信度值。

2 工程应用

以相思洲大桥主桥为例，该桥是一座双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，跨度分别为40 m+170 m+450 m+170 m+40 m。其中，主跨450 m横跨南汊通航孔，170 m边跨横跨相思洲北汊。大桥的主塔承台基础为长54 m，宽17 m的圆端形承台，厚6 m，下有23根直径2.5 m的钻孔桩。大桥南北主塔的高度均为147.3 m。主梁采用分离式双箱组合梁，组合梁中心高度3.5 m，梁的全宽为33.5 m。北岸引桥由预应力混凝土小箱梁桥和预应力混凝土T梁桥组成，而南岸引桥则是钢混组合连续梁桥。

从项目设计源头开始进行BIM总体应用策划，通过制定项目BIM建模标准、BIM软件平台应用方案、协同方式以及二次开发等手段，实现基于“一个数据源、一个模型”的大跨径组合梁斜拉桥设计施工一体化的BIM融合应用。

2.1 实施方案与建模标准

建模过程中结合本项目的特点制定项目不同阶段BIM模型精度等级应用方案满足以各阶段的实际需求，避免陷入“过度建模”的误区。（1）在方案设计阶段采用Bentley的OpenRoadsConceptStation作为核心软件，通过利用无人机倾斜摄影技术生成三维实景模型重构项目工程环境；同时结合PowerCivil、SketchUp等软件建立起的模型精度为LOD100的道路、桥梁BIM模型，形成项目的真实三维场景展示，实现项目前期阶段的快速概念设计。（2）在勘察设计阶段在项目方案设计的基础上采用LOD200～LOD300的模型精度分别进行详细的BIM设计。主要采用Bentley的MicroStation作为核心软件，并结合OpenRoadsDesigner、ProStructures等专业软件进行详细设计，实现对关键构造的精细化设计、工程量统计、二维出图等。（3）设计完成后根据需要采用LOD300～LOD400的模型精度对桥梁复杂结构进行施工阶段的深化设计，并根据施工分部分项进行EBS编码分解，应用到施工管理阶段。

2.2 协同原则

鉴于目前计算机软硬件的性能，整个项目使用单一模型文件进行工作是不现实的，需根据结构的拆分分别进行模型的创建。不同的建模软件对模型的处理方式有所不同，且分别有各自的协同工作解决方案。需根据实际的项目需求灵活处理，主要的协同原则为：（1）采用同一坐标系；（2）划分成员工作范围，减少工作交叉；（3）设置成员的工作权限，建立畅通的反馈机制；（4）不同的人员建立不同的模型时建模习惯要基本一致，图层、构件命名规则要一致，线条宽度、样式、颜色要保持一致；（5）对模型进行的更改要做好记录，记录项目各阶段模型的修改和版本变化，方便复核管理。

2.3 二次开发

基于Bentley的MicroStation CONNECT Edition定制开发本项目的电子沙盘，根据项目的分部分项对大桥BIM模型进行拆分并赋予编码及相关工程属性，进行3D的项目过程管理。同时利用轻量化工具将项目BIM模型转换格式后上传到基于Cesium开发Web GIS端，实现轻量化的BIM模型信息浏览、管理和共享。项目基于同一个云数据库和先进成熟的数据架构方式，实现电子沙盘端、Web GIS端及手机App多个不同终端平台直接对BIM模型所关联的属性进行管理、检索和修改。通过BIM与GIS的集成应用，最终形成以BIM模型为载体，集资源、工序、进度、安全、质量管理等于一体的施工管理系统（见图3～4）。

3 结语

本文针对公路特大桥梁设计与施工之间二维图纸向三维信息多维建模存在的困难，研究了设计施工“数字孪生模型”衔接融合技术，制定了设计施工“数字孪生模型”转换规则。研发转换工具完成设计施工“数字孪生模型”无缝衔接，解决设计施工信息流转与共享的障碍，满足工程三维数字化技术在不同工程生命阶段应用的需求。

参考文献：

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