方 宇 李 莉

基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)架構(gòu)

方 宇 李 莉

目前我國城市橋梁的管理仍然停留在人工和經(jīng)驗管理的層面上，信息化程度低、技術(shù)手段落后。同時，由于很多橋梁建設(shè)期早，使用時間較長，已經(jīng)進入了快速損傷階段，存在潛在的安全隱患。而建筑信息模型（BIM）技術(shù)的出現(xiàn)為提高城市橋梁安全運行水平提供了一種新的思路和手段，具有良好的應用前景。本文從研究城市大型橋梁的安全管理需求和基于BIM的優(yōu)化手段出發(fā)，詳細分析了BIM技術(shù)相對傳統(tǒng)安全管理具有優(yōu)勢的六大應用領(lǐng)域，對基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)進行了系統(tǒng)功能模塊設(shè)計，并對橋梁應急安全管理中的典型工況場景——火災應急管理進行了簡要分析，提出了一個基于BIM技術(shù)的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)架構(gòu)，從而達到運用BIM技術(shù)提高城市橋梁安全運行水平的目的。

城市橋梁是城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，橋梁安全是否受控往往是橋梁管理的第一要務。長期以來，我國城市橋梁的安全管理長期以來一直停留在人工和經(jīng)驗管理的層面，管理的信息化程度低，技術(shù)手段落后。隨著城市橋梁承載交通量的不斷擴張，和橋梁年齡的逐漸增長，出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)性能和使用性能的退化難以避免。同時橋梁安全狀況還受到各種突發(fā)事故或災害事件的威脅，因此城市橋梁的管理、養(yǎng)護、維修工作難度越來越大。如何借助先進的技術(shù)手段和工具，提高橋梁管理水平成為一個亟待解決的難題。

BIM這一概念最早起源于美國，是Building Information Modeling（建筑信息模型）的簡稱，由被稱為“BIM之父”的Chuck Eastman率先提出。1975年，當時任職于卡耐基梅隆大學的Charles Eastman在《AIA Journal》中提出了BIM的雛形——建筑描述系統(tǒng)（Building Description System）的概念。2007年，美國國家建筑科學研究院（NIBS）在發(fā)布的國家BIM標準（NBIMS）中，將BIM技術(shù)定義為：“BIM是一個設(shè)施（建設(shè)項目）物理和功能特性的數(shù)字表達，BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM模型中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責的協(xié)同作業(yè)”。

在設(shè)施管理領(lǐng)域，BIM可以將各管理方集成在一個連貫有序的數(shù)據(jù)組織中，能夠有效彌補項目參與者之間的溝通缺陷以及管理周期內(nèi)的信息傳遞缺失和失真問題，有助于形成簡潔有效的設(shè)施管理平臺。在設(shè)施管理中使用 BIM可以有效的集成各類信息，還可以實現(xiàn)設(shè)施的三維動態(tài)瀏覽。BIM 技術(shù)相較于傳統(tǒng)設(shè)施管理技術(shù)有以下幾點優(yōu)勢：①實現(xiàn)信息集成和共享；②實現(xiàn)設(shè)施的可視化管理；③定位建筑構(gòu)件。就大型市政基礎(chǔ)設(shè)施，特別是城市大型橋梁而言，盡管目前部分橋梁已具備了一定信息化管理水平，但仍存在不少尚未實現(xiàn)的功能需求，特別是在以預防性養(yǎng)護為主要需求的前提下，橋梁的安全管理水平尚有巨大的提升空間。因此，將BIM技術(shù)引入城市大型橋梁安全管理中，將有效提升大型橋梁的安全管理水平，大大節(jié)約養(yǎng)護維修成本，并提高管理效率，具有非常廣闊的應用前景。

安全管理需求和BIM應用分析

目前，現(xiàn)代信息化意義上的城市橋梁安全管理、特別是大型橋梁的安全管理一般包含以下事務：協(xié)調(diào)橋梁業(yè)務管理、橋梁維護分析診斷、輔助橋梁管理部門正確決策、橋梁安全信息共享以及橋梁管理過程系統(tǒng)化等需求。

傳統(tǒng)的橋梁管理體系難以完全實現(xiàn)上述所有功能，因此BIM技術(shù)的引入是一種極具前景的嘗試，有望從根本上改善城市大型橋梁安全管理的模式。BIM在許多管理應用方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，具體可歸納為以下幾個方面：日常安全管理、安全應急管理、養(yǎng)護維修決策、突發(fā)安全事件處理、異常狀況預警以及長期安全管理追蹤分析等，具體如圖1所示。

日常安全管理

在橋梁的日常管理中，傳統(tǒng)的城市橋梁運維安全管理系統(tǒng)，需要大量的表格、CAD圖紙以及文檔資料的形式對相關(guān)信息進行存儲和輸出，文件一般以部位或構(gòu)件編號為依據(jù)進行存儲和關(guān)聯(lián)，彼此之間無時空對應，文件錯誤或數(shù)據(jù)沖突往往難以發(fā)現(xiàn)。而基于BIM的橋梁安全管理系統(tǒng)能夠結(jié)合空間、時間關(guān)系收集、存儲、和共享有關(guān)橋梁構(gòu)件的所有數(shù)據(jù)，可以提供包括橋梁三維空間視圖在內(nèi)的多種報表形式，還能對橋梁的關(guān)鍵構(gòu)件和設(shè)施安全進行實時監(jiān)測，有利于高效管理橋梁運行數(shù)據(jù)，特別是安全管理相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以在第一時間獲取，同時也有效降低了數(shù)據(jù)矛盾和錯誤的出現(xiàn)概率，提高了日常安全管理的控制水平。

安全應急管理

圖1　BIM在城市大型橋梁安全管理中具備優(yōu)勢的領(lǐng)域

現(xiàn)有的城市橋梁安全管理系統(tǒng)通常缺乏有效的安全應急手段，其安全應急預案往往以規(guī)章制度等文件的形式給出，需要橋梁管理人員進行現(xiàn)場電話指揮，在面對諸如結(jié)構(gòu)損傷、交通事故、自然災害等在內(nèi)的具體突發(fā)事件時，難以給出全面可靠的應急措施，也不能提前對突發(fā)事件進行安全應急模擬預演。橋梁管理人員通常需要在事故第一線掌握情況和進行指揮，各管理部門間缺乏相互溝通平臺，應急管理的反應不夠迅速。而基于BIM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)在進行應急管理時，可以利用BIM所特有的三維空間展示和情景動畫模擬功能，鎖定具體的故障區(qū)域和上下游構(gòu)件，為橋梁的應急管理提供相應安全管控預案和安全應急培訓。BIM技術(shù)的應用實現(xiàn)了對緊急狀況的實時應對和提前模擬，為橋梁管理的安全應急培訓提供了幫助，給各管理部門的協(xié)同管理提供了平臺，大大提升了橋梁的安全運行水平。

養(yǎng)護維修決策

當前在進行城市橋梁的養(yǎng)護和維修時，橋梁管理者通常憑借經(jīng)驗進行決策，只有當橋梁的相關(guān)構(gòu)件出現(xiàn)相關(guān)損壞或安全評分較低時才會進行養(yǎng)護和修理，而不能實現(xiàn)預防性養(yǎng)護?；贐IM的橋梁運維安全管理系統(tǒng)可以為橋梁的運營和維護提供相關(guān)的決策依據(jù)，對橋梁構(gòu)件設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，以實現(xiàn)在適當?shù)臅r機進行橋梁大中修養(yǎng)護，兼顧安全和經(jīng)濟兩方面，達到預防性養(yǎng)護的目的。同時由于BIM具有在設(shè)計、施工以及運營維護等全壽命周期內(nèi)，對建筑設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項目生命周期信息進行數(shù)字化表達的特點，因此可以實現(xiàn)橋梁全壽命周期的管控，從而大大提高城市橋梁的安全管理水平。

突發(fā)安全事件處理

當城市橋梁發(fā)生諸如設(shè)施損壞、交通事故、暴風雨、自然災害等突發(fā)性事故后，傳統(tǒng)的橋梁管理方式需要查閱大量文檔和CAD圖紙資料，結(jié)合現(xiàn)場實地檢測，由經(jīng)驗豐富的專家判斷出故障的具體位置和嚴重程度。整個過程周期較長，缺乏對突發(fā)安全事件的實時應對能力。基于BIM的橋梁管理系統(tǒng)可以通過傳感器自動監(jiān)測和巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)施故障情況，根據(jù)空間關(guān)系迅速定位事故具體位置，并將故障位置實時可視化的呈現(xiàn)出來。通過BIM模型的定位功能，還可以迅速給出最近逃生路線和可用應急設(shè)備等安全管理信息，協(xié)調(diào)各職能部門迅速制定事故處理措施，為橋梁設(shè)施的安全運營提供保障，保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

異常狀況預警

橋梁管理過程中的數(shù)據(jù)資料來源眾多、形式多樣，而傳統(tǒng)的城市橋梁安全管理系統(tǒng)又缺乏統(tǒng)一、規(guī)范化的數(shù)據(jù)整合標準，因此很難通過歷史記錄分析、運維數(shù)據(jù)挖掘等手段對橋梁可能出現(xiàn)的異常情況提前進行預警?；贐IM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)把通過自動采集和人工巡檢等手段獲取的數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過規(guī)范化處理后，按照統(tǒng)一的標準輸入核心數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合BIM模型更為直觀和綜合地對橋梁構(gòu)件設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行記錄、存儲以及分析等操作。實現(xiàn)了對城市橋梁的結(jié)構(gòu)安全和運行安全進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況能及時進行預警。保證了城市橋梁設(shè)施的安全運行，提升其安全運營和維護水平。

長期安全管理追蹤分析

通過全方位的設(shè)施數(shù)據(jù)積累以及對安全管理措施和制度、安全預案執(zhí)行情況等的長期追蹤，可以利用BIM的大數(shù)據(jù)挖掘能力分析當前安全管理策略的有效性和執(zhí)行風險，并根據(jù)目標安全管理水平進行不斷調(diào)整，以使橋梁安全服務水平不斷提高、管理方式不斷完善。特別是BIM的安全預案模擬可以根據(jù)現(xiàn)實執(zhí)行情況的反饋不斷修正和完善，比如通過災后分析和經(jīng)驗總結(jié)優(yōu)化預案。在橋梁安全管理中使用BIM，符合現(xiàn)今設(shè)施管理方式日趨精細化、數(shù)據(jù)獲取方式日趨多樣化的趨勢，BIM優(yōu)秀的數(shù)據(jù)挖掘和分析潛力以及分析結(jié)果的快速表達能力，都將有助于管理人員提升對橋梁安全服務能力的認識并事實上提升橋梁的安全運行水平。

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

根據(jù)上文所述的城市橋梁安全管理的需求分析、BIM優(yōu)化手段和應用領(lǐng)域分析，基于BIM的城市橋梁運維安全管理系統(tǒng)的功能模塊主要由以下部分組成。

城市橋梁的BIM模型

對橋梁設(shè)施建立BIM數(shù)據(jù)模型，BIM模型既是3D展示的平臺，也是數(shù)據(jù)平臺。橋梁的BIM模型應包括完整的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如主梁、橋塔、橋墩、承臺、基礎(chǔ)、斜拉索、錨固節(jié)點、橋面系及支座、伸縮縫、路燈等附屬設(shè)施、監(jiān)測、監(jiān)控設(shè)備等。需要注意的是BIM的建模深度應能滿足運營管理對結(jié)構(gòu)信息的要求，同時必須對所有構(gòu)件進行科學的分類、編號，以便于對在之后的管理應用中對構(gòu)件進行查詢、標注及定位。

中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

在進行城市大型橋梁的安全管理時，需求對橋梁的各項基礎(chǔ)安全檢測和監(jiān)控數(shù)據(jù)進行全面、有效的收集，準確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是后續(xù)管理功能正常、良好運行的前提?；贐IM的橋梁安全管理系統(tǒng)核心就是通過計算機三維模型所形成的BIM中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，中心數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中包含了建筑生命周期中大量重要的基礎(chǔ)信息，這些建筑信息數(shù)據(jù)都以有序、便于調(diào)取和編輯的組織方式存儲于計算機中。

橋梁安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)

安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)主要通過健康檢測系統(tǒng)、定期檢測、日常巡檢等方式進行橋梁安全數(shù)據(jù)的收集，進而將信息匯總到中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)中。橋梁安全管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)作為支持，所以數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量將直接影響系統(tǒng)性能，該部分功能包括數(shù)據(jù)的編輯、修改、校檢等，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的檢索、查詢、查看圖像以及橋梁各種信息的輸出等功能。

橋梁安全狀態(tài)評估子系統(tǒng)

圖2　基于BIM的橋梁安全管理系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

利用監(jiān)測、檢測橋梁狀態(tài)信息與橋梁的BIM模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)動力學性能分析，對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性進行綜合評估，從而為結(jié)構(gòu)運營管理提供科學的依據(jù)。該子系統(tǒng)必須保證評估結(jié)果的可靠度較高，并包含對評估結(jié)果的分級功能。在基于BIM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)中，融入安全狀態(tài)綜合評估機制，對每種典型的風險事態(tài)，給出對結(jié)構(gòu)安全、構(gòu)件安全和運營安全的風險水平評估方法，在風險事態(tài)發(fā)生之后，根據(jù)風險水平的不同，給出相應的應對措施。

橋梁安全使用壽命預測模塊

通過自動采集和人工巡檢等手段，對橋梁構(gòu)件的安全狀況進行檢測，利用所得的檢測數(shù)據(jù)對橋梁各個部分進行分析評定，得出對橋梁構(gòu)件的壽命預測。同時對歷年的檢測結(jié)果進行時間序列上的數(shù)據(jù)挖掘，從中篩選出高頻易損的橋梁構(gòu)件。通過對各構(gòu)件安全狀況和壽命預測進行加權(quán)綜合，得到橋梁整體的使用現(xiàn)狀評價，進而對橋梁結(jié)構(gòu)整體的剩余壽命進行預測，為橋梁的養(yǎng)護和維修決策提供相關(guān)依據(jù)。

維護方案設(shè)計與模擬子系統(tǒng)

維護方案設(shè)計與模擬子系統(tǒng)應具有根據(jù)橋梁狀態(tài)評估子系統(tǒng)的評估結(jié)果與相關(guān)技術(shù)規(guī)范及歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)對維護方案進行預先設(shè)計的功能，并且該子系統(tǒng)應可以與橋梁BIM三維模型結(jié)合進行維護方案的模擬。常用的維修和養(yǎng)護工作主要包括有：日常養(yǎng)護、預防性養(yǎng)護、大中修工程以及應急養(yǎng)護等幾種類型。維護方案設(shè)計與模擬子系統(tǒng)需要針對不同的橋梁狀態(tài)評估結(jié)果，設(shè)計出安全可靠地維修和養(yǎng)護方案作為參考。

經(jīng)濟分析與評估子系統(tǒng)

經(jīng)濟分析與評估子系統(tǒng)應與橋梁安全使用壽命預測、維護方案設(shè)計與模擬等模塊相結(jié)合。在有限的養(yǎng)護資源約束下，保障或提高橋梁的安全運行水平，發(fā)揮出現(xiàn)有資源最大的效益，實現(xiàn)長效安全管理。常見的經(jīng)濟分析與評估內(nèi)容包括：維護方案的經(jīng)濟投入、維護方案的壽命、維護對象的優(yōu)先等級等?；贐IM的城市橋梁安全管理系統(tǒng)借助其從設(shè)計、施工到運行維護階段的全壽命周期管理功能，可以對城市橋梁的養(yǎng)護和維修實現(xiàn)全壽命經(jīng)濟分析。

人機交互平臺

人機交互平臺包括主界面子系統(tǒng)跟輔助界面子系統(tǒng)，應對所有其他的子系統(tǒng)進行界面化與可視化。主要目的是實現(xiàn)向用戶提供方便的操作及科學、有效直觀的管理界面、并實現(xiàn)遠程訪問、成果輸出等功能。人機交互平臺還應包括對不同的數(shù)據(jù)處理成果的輸出與發(fā)布功能，例如：橋梁安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸出、評估子系統(tǒng)評估報告的發(fā)布、BIM三維模型可視化定位信息的輸出、維護預設(shè)計方案的發(fā)布、維護的經(jīng)濟指標評估報告的發(fā)布以及模擬維護施工指導動畫的輸出等，以方便不同專業(yè)的人員利用成果進行后續(xù)工作。

典型工況場景分析

應急安全管理是城市大型橋梁安全管理的核心和關(guān)鍵所在，利用BIM技術(shù)提升應急安全管理水平也將對橋梁的安全運行大有裨益。下面就以應急安全管理下的典型工況場景——火災安全應急為例，簡要分析基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)如何針對火災應急進行管理。其運作流程如3所示。

城市橋梁安全管理系統(tǒng)的安全狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)，利用傳感器自動采集和人工定期巡檢實時對橋梁的運行安全（結(jié)構(gòu)安全要素、環(huán)境安全要素、偶然作用等）進行監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)諸如火災、交通事故之類的突發(fā)性安全事故。當橋梁突發(fā)火災時，安全狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)一旦檢測到橋梁安全狀態(tài)的異常變化會及時報警，同時安全狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)會對火災的嚴重程度和造成的安全風險進行評估與判定。借助BIM模型的空間定位和三維展示能力，橋梁管理人員可以迅速在三維可視化模型上確定火災發(fā)生的位置，再結(jié)合橋梁安全管理系統(tǒng)中已有的應急安全管理預案模擬，管理人員能夠及時對發(fā)生的火災應急指揮，采取諸如緊急消防安全噴淋滅火、人員疏散最短逃生線路規(guī)劃、橋上車輛交通誘導與管制等應急管理策略。BIM技術(shù)在安全應急管理中作為應急管理的指揮平臺、定位工具、和模擬手段，能在事故預警、報警、處置的全過程中發(fā)揮重要作用，大大提升橋梁的應急管理水平。

圖3　火災應急管理流程

總結(jié)

本文主要研究如何運用BIM技術(shù)提升城市大型橋梁的安全運行水平，分析了大型城市橋梁安全管理的需求，對在橋梁安全管理系統(tǒng)中基于BIM技術(shù)的優(yōu)化方式進行了闡釋：BIM技術(shù)有利于數(shù)據(jù)綜合管理和安全運行分析延伸，能夠提升橋梁安全評估精度和養(yǎng)護資源利用效率，提高養(yǎng)護維修效率與快速安全響應能力，改善經(jīng)濟指標評估和決策信息的表達方式。探討了BIM技術(shù)在城市大型橋梁安全管理中可能的應用領(lǐng)域，歸納出BIM技術(shù)在城市橋梁安全管理中的應用領(lǐng)域有：日常安全管理、安全應急管理、養(yǎng)護維修決策、突發(fā)安全事件處理、異常狀況預警以及長期安全管理追蹤分析等方面。

本文闡述了基于BIM的橋梁安全管理系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計，主要包括：城市橋梁的BIM模型、中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、橋梁安全狀態(tài)檢測子系統(tǒng)、橋梁安全狀態(tài)評估子系統(tǒng)、橋梁安全使用壽命預測模塊、維護方案設(shè)計與維護方案模擬子系統(tǒng)、經(jīng)濟分析與評估子系統(tǒng)、和人機交互平臺等。總結(jié)歸納了構(gòu)建基于BIM的城市大型橋梁安全管理系統(tǒng)的設(shè)計思路和流程。同時，本文還詳細分析了在應急安全管理的典型工況——火災應急管理場景下，如何運用BIM技術(shù)提高城市大型橋梁的安全運行水平。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.030