潘永杰，趙欣欣，劉曉光，魏乾坤，蘆永強

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

截至2016年底，我國鐵路營業(yè)里程為12.4萬km，其中高速鐵路運營里程超過2.2萬km，居世界第1位。2016年在建和新建的高鐵線路達100項，施工標段超過800個。隨著高速鐵路的快速建設(shè)，運營里程大幅增加，對運營安全保障、運營品質(zhì)提升、基礎(chǔ)設(shè)施運行狀態(tài)的要求也在不斷提高。

當前，以橋梁為代表的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)管控主要通過常規(guī)檢定試驗、專項長期監(jiān)測、周期性綜合檢測車和人工巡檢相結(jié)合的方式實現(xiàn)[1]。然而，大量人工巡檢日志未電子化和信息化，對復雜立體結(jié)構(gòu)病害描述繁瑣，海量監(jiān)測數(shù)據(jù)難以直接指導橋梁的檢修，各類監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)程度低，缺少聯(lián)動分析，無法綜合有效地開展橋梁結(jié)構(gòu)的健康管理。故障預(yù)測與健康管理PHM是一種全面故障檢測、隔離、預(yù)測及健康管理的技術(shù)[2]。PHM代表了一種方法的轉(zhuǎn)變，一種維護策略和概念上的轉(zhuǎn)變：即從基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)預(yù)測的轉(zhuǎn)變，為在準確的時間對準確的部位進行準確的維護活動提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

以BIM為核心的信息化技術(shù)正廣泛應(yīng)用于鐵路工程建設(shè)。目前，中國鐵路總公司組織搭建的鐵路工程建設(shè)管理平臺已覆蓋48個建設(shè)單位，202個工程項目，極大提高了工程建設(shè)的質(zhì)量和管理水平[3]。以全生命周期理念為內(nèi)涵的BIM技術(shù)為運維期的延伸應(yīng)用提供了條件[4-5]。因此，應(yīng)從橋梁結(jié)構(gòu)主動維護的理念[6]出發(fā)，研發(fā)基于BIM的PHM運維管養(yǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)計、施工和運維多源數(shù)據(jù)信息的采集、上傳、關(guān)聯(lián)、存儲和分析，為橋梁運營部門提供日常管理和決策服務(wù)。

本文從大跨度橋梁PHM系統(tǒng)設(shè)計、構(gòu)件分類編碼及BIM模型創(chuàng)建、多源信息關(guān)聯(lián)、病害庫管理等方面開展研究，探索BIM技術(shù)在鐵路大跨度橋梁運維管理中的應(yīng)用。

1 基于BIM的大跨度橋梁PHM系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

為適應(yīng)信息化的發(fā)展和滿足多層次的應(yīng)用，PHM系統(tǒng)宜支持局域網(wǎng)(C/S)、廣域網(wǎng)(B/S)、移動互聯(lián)網(wǎng)(M/S)、云服務(wù)等多種展現(xiàn)形式[7]。

考慮系統(tǒng)功能及使用方式的靈活部署，相關(guān)業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)和成果的多方位管理以及使用人員的全方面覆蓋，PHM系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)為5層，如圖1所示。

圖1 PHM系統(tǒng)架構(gòu)

PHM系統(tǒng)設(shè)計采用SAAS(Software-as-a-Service)系統(tǒng)架構(gòu)來構(gòu)建多租戶、多數(shù)據(jù)庫的模式：一方面，通用功能模塊能夠快速部署，個性化需求以單獨模塊開發(fā)；另一方面，不同租戶(橋梁管理單位)有不同的數(shù)據(jù)庫，有效提高了數(shù)據(jù)的安全性。SAAS不僅減少了租戶的投入成本，而且減少了系統(tǒng)開發(fā)者的維護成本，是一種先進的架構(gòu)技術(shù)。

1.2 系統(tǒng)功能

基于BIM價值及PHM先進理念，設(shè)計大跨度橋梁PHM系統(tǒng)的主要功能，如表1所示。

表1 基于BIM技術(shù)的大跨度橋梁PHM系統(tǒng)主要功能

1.3 系統(tǒng)特點

基于BIM的PHM系統(tǒng)具備以下技術(shù)特點：①開放性。選用開放式的技術(shù)架構(gòu)，插件式框架開發(fā)，每一個模塊以微服務(wù)Restful的形式供系統(tǒng)調(diào)用并可獨立運行，各模塊集成后形成有機整體，可實現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)集成和后期擴展。②便捷性。采用客戶端(C/S)、廣域網(wǎng)(B/S)、移動互聯(lián)網(wǎng)(M/S)3S 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足不同使用層級的管理要求，方便用戶使用。③可視化?；跇蛄哼\維BIM模型，關(guān)聯(lián)和存儲不同階段、不同來源的數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合日常管養(yǎng)的業(yè)務(wù)流程進行可視化管理和展示。④標準化。建立大跨度鐵路橋梁病害庫，對病害類型和劣化等級進行定義，實現(xiàn)病害描述的規(guī)范化和標準化，為病害庫的統(tǒng)一管理和維修知識庫的建立提供標準化流程。⑤智能化。通過內(nèi)置算法庫和模型庫，實現(xiàn)大跨度橋梁的損傷預(yù)警和狀態(tài)評估的智能化判別，可提高決策質(zhì)量和效率。

2 基于BIM的大跨度橋梁PHM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 構(gòu)件分類與IFD分類編碼

1)構(gòu)件分類

構(gòu)件分類即對橋梁結(jié)構(gòu)(模型組織結(jié)構(gòu))的合理拆分，不僅應(yīng)遵循橋梁本身的結(jié)構(gòu)體系，還需考慮面向運營對象的特殊需求，尤其應(yīng)符合現(xiàn)行高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則中的固有模式[8]。由于運維管理對象、施工階段對象并非一一對應(yīng)，因此需要重新組合或分解，以便保持與運維規(guī)則協(xié)調(diào)統(tǒng)一，滿足不同層級或部門的實際要求。

大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件分類一般按照由整體到局部、由概念到具體的劃分原則，通過細化至最小構(gòu)件單元層，實現(xiàn)多源信息與對應(yīng)構(gòu)件模型的直接關(guān)聯(lián)。組成最小構(gòu)件的各個零件不單獨進行定義，否則會導致構(gòu)件數(shù)量繁冗，使得數(shù)據(jù)庫被大量價值較低的細節(jié)信息所占據(jù)，增加信息維護和系統(tǒng)運行成本。

以南京大勝關(guān)長江大橋為例，首先根據(jù)專業(yè)(橋梁)、項目和部位進行劃分，然后根據(jù)局部結(jié)構(gòu)、細部結(jié)構(gòu)對具體構(gòu)件類別劃分。同層級分類構(gòu)成并列關(guān)系，不同層級之間構(gòu)成隸屬關(guān)系，見圖2。

圖2 大勝關(guān)長江大橋構(gòu)件分類

由圖2可知，構(gòu)件分類較好地反映了大勝關(guān)長江大橋結(jié)構(gòu)的層級關(guān)系，符合運維信息的處理習慣。大勝關(guān)長江大橋分類的最小單元為構(gòu)件，對構(gòu)件以下的零件級別不再進行劃分。例如上部結(jié)構(gòu)-主桁-上弦桿，上弦桿為最小的構(gòu)件單元，具體的拼接板、加勁肋、螺栓等零件不再單獨成件，僅通過零件模型或構(gòu)件屬性信息體現(xiàn)。

2)IFD分類編碼

通過構(gòu)件分類實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)基于結(jié)構(gòu)樹概念的層級劃分。為實現(xiàn)PHM系統(tǒng)各模塊之間基于BIM模型的信息互通，還應(yīng)編制有效的識別編碼。

以《鐵路工程信息模型分類和編碼標準》(1.0版)中表53-鐵路工程構(gòu)件分類為基礎(chǔ)[9]，建立基于IFD分類編碼的技術(shù)應(yīng)用框架。表53主要面向設(shè)計和施工階段，若應(yīng)用于運維還需結(jié)合具體橋梁結(jié)構(gòu)進行適當擴充或修正。隨著多種類型橋梁的累積應(yīng)用，分類編碼不斷完善和拓展，逐步形成大跨度橋梁IFD分類編碼的標準化體系。

IFD編碼信息作為屬性直接賦予相應(yīng)的模型層級和構(gòu)件，有效實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)部件、構(gòu)件的準確辨識。以南京大勝關(guān)長江大橋為例，其下部結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施IFD分類編碼見表2。

表2 大跨度橋梁下部結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施IFD分類編碼

2.2 BIM模型

PHM系統(tǒng)以橋梁運維BIM模型為載體，實現(xiàn)設(shè)計、施工、運維階段不同來源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。因此，應(yīng)建立適用于橋梁運維的BIM模型，需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：①BIM運維模型單元的幾何精度及信息深度等級；②按照構(gòu)件分類進行BIM模型的整體劃分；③制定編號規(guī)則，創(chuàng)建BIM模型編號體系；④創(chuàng)建幾何信息和非幾何信息數(shù)據(jù)庫，并通過BIM模型關(guān)聯(lián)；⑤采用參數(shù)化建模，搭建構(gòu)件庫，提高建模效率和模型可更改性。

構(gòu)件的分類編碼是基于屬性或特征對某一類別構(gòu)件的區(qū)分，目的是形成便于有效識別的“字典”，具有通用性。大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式復雜，體量龐大，構(gòu)件數(shù)量眾多，因此對于同一類別的多個構(gòu)件，僅有通用“字典”不足以識別到每一個構(gòu)件，還需在分類編碼的基礎(chǔ)上制定具體的編號規(guī)則，才能為構(gòu)件BIM模型信息的準確關(guān)聯(lián)提供條件。

構(gòu)件編號規(guī)則是在構(gòu)件分類的基礎(chǔ)上進行層級擴充，除項目、結(jié)構(gòu)部位、局部結(jié)構(gòu)和細部結(jié)構(gòu)層級外，還應(yīng)考慮孔跨、桁別、流水號等匹配因素，為每一層級進行編號，進而形成所有運維構(gòu)件單元的唯一編號。

大勝關(guān)長江大橋BIM模型采用主流軟件CATIA構(gòu)建，通過編制構(gòu)件清單表(Bill of Material，BOM)，利用二次開發(fā)生成CATIA可以識別的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件，并按照設(shè)計圖紙以參數(shù)化方式創(chuàng)建構(gòu)件庫。采用模型實例化方式形成鏈接關(guān)系，最終生成運維階段橋梁模型。BOM表中上部結(jié)構(gòu) 3 480 項，下部結(jié)構(gòu)、支座及附屬結(jié)構(gòu)共281項。附屬結(jié)構(gòu)BIM模型見圖3。

圖3 附屬結(jié)構(gòu)BIM模型

2.3 多源信息關(guān)聯(lián)

運維階段是橋梁全生命周期中持續(xù)時間最長、涉及信息量最多的階段。不僅包括設(shè)計、施工和運維多階段，還涵蓋結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化多層次信息，為橋梁結(jié)構(gòu)主動養(yǎng)護提供了基礎(chǔ)和支撐。因此，為實現(xiàn)基于BIM模型的信息管理，必須研究信息關(guān)聯(lián)技術(shù)。

1)信息關(guān)聯(lián)

在運維BIM模型中，構(gòu)件單元作為橋梁結(jié)構(gòu)劃分的最小層級，是多源信息傳遞、集成、融合和流轉(zhuǎn)的基本載體。多源信息一部分基于BIM模型直接寫入，其余部分基于編號規(guī)則生成計算機可識別的唯一構(gòu)件編碼，通過數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)。

在系統(tǒng)研發(fā)過程中，BIM模型以HSF(Hoops Stream File)格式存儲，設(shè)計信息以SQLite數(shù)據(jù)庫的方式存儲，與BIM模型以GUID形式關(guān)聯(lián)；施工和運維數(shù)據(jù)通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，與BIM模型通過構(gòu)件編碼關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)不同階段信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)。PHM多源信息關(guān)聯(lián)見圖4。

2)設(shè)計信息

考慮工程語言為二維設(shè)計圖紙的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合以構(gòu)件為最小單元的運營理念，將幾何信息、IFD編碼和圖紙編號作為構(gòu)件BIM模型的基本屬性，其他設(shè)計屬性信息如材質(zhì)、混凝土強度等級等通過數(shù)據(jù)庫的方式批量添加，實現(xiàn)了設(shè)計信息與BIM模型的關(guān)聯(lián)和直觀展示。樁基礎(chǔ)設(shè)計信息如圖5所示。

圖4 PHM多源信息關(guān)聯(lián)

3)施工信息

對大部分服役橋梁而言，施工階段信息多以紙質(zhì)材料呈現(xiàn)，數(shù)量眾多，類型復雜，且以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如文本文檔、視頻、圖片等為主，難以查閱和管理。針對這一情況，參照施工階段相關(guān)質(zhì)量驗收標準的分類[10]，建立檔案資料管理模塊，將施工階段資料(施工過程資料、質(zhì)量驗收資料、竣工資料等)掃描后上傳系統(tǒng)，可利用施工信息編碼實現(xiàn)對施工資料的分類管理和查看分析。

施工信息編碼可以作為BIM模型的屬性信息添加到數(shù)據(jù)庫中，能夠?qū)崿F(xiàn)與非結(jié)構(gòu)化施工屬性信息的關(guān)聯(lián)。為此，開發(fā)批量添加工具(見圖6)將施工或設(shè)計信息添加到BIM模型屬性信息的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)電子化資料與BIM模型關(guān)聯(lián)，方便施工階段信息的追溯和查看。

4)運維信息

運維信息通過數(shù)據(jù)庫與BIM模型進行關(guān)聯(lián)。大跨度橋梁運維階段主要涉及在線監(jiān)測(橋梁本體、軌道結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)造)、橋梁巡檢、養(yǎng)護維修、綜合檢測車等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫的不斷更新實現(xiàn)時空運維信息的集成和存儲，進而利用各種專業(yè)分析手段服務(wù)于大橋管養(yǎng)。運維階段BIM模型數(shù)據(jù)集成見圖7。

圖6 批量上傳設(shè)計及施工屬性信息的工具

2.4 病害庫管理

為實現(xiàn)病害的標準化描述，最大程度減少人為因素影響，根據(jù)鐵路橋梁維修規(guī)則和大跨度橋梁病害特征，在PHM系統(tǒng)內(nèi)建立通用的大跨度橋梁病害庫，對病害類型和劣化等級進行明確定義。

PHM的MS端即智能巡檢APP，不僅實現(xiàn)了病害定位的三維可視化、現(xiàn)場病害分類規(guī)范化和病害描述統(tǒng)一化，而且建立了IFD分類編碼和病害庫一對多的映射關(guān)系。通過設(shè)計不同橋梁類型，按照孔跨、部位、類別的權(quán)重，利用專用算法庫對病害評分，實現(xiàn)基于橋梁巡檢信息的狀態(tài)評估，為養(yǎng)護維修提供決策依據(jù)?；贗FD的病害關(guān)聯(lián)見圖8。

圖8 基于IFD的病害關(guān)聯(lián)

3 結(jié)論及展望

大跨度橋梁PHM系統(tǒng)具有非常豐富的內(nèi)涵，故障預(yù)測與健康管理是目標，大數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)模型構(gòu)建是核心技術(shù)，BIM則是有效的手段和工具。本文設(shè)計了PHM系統(tǒng)功能框架，探索了基于BIM技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，得到如下結(jié)論：

1)PHM系統(tǒng)宜支持局域網(wǎng)(C/S)、廣域網(wǎng)(B/S)、移動互聯(lián)網(wǎng)(M/S)、云服務(wù)等多種展現(xiàn)形式，應(yīng)具有開放性、便捷性、可視化、標準化和智能化的技術(shù)特點。

2)對大跨度橋梁開展基于IFD的構(gòu)件分類和編碼工作，建立符合現(xiàn)場應(yīng)用的分類體系，并以此作為相關(guān)信息的關(guān)聯(lián)介質(zhì)和系統(tǒng)識別手段。

3)結(jié)合設(shè)計信息及運維管理需求，探索了適用于橋梁運維應(yīng)用的BIM模型相關(guān)技術(shù)，在重新組合優(yōu)化的基礎(chǔ)上構(gòu)建了運維階段橋梁BIM模型。

4)探索了大跨度橋梁多源信息的關(guān)聯(lián)技術(shù)，基于數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)設(shè)計、施工和運維多源數(shù)據(jù)的管理，通過GUID和構(gòu)件編碼實現(xiàn)基于BIM模型的關(guān)聯(lián)，為PHM系統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)分析提供支撐。

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在橋梁工程的設(shè)計、施工階段應(yīng)用廣泛，相關(guān)單位和人員對此開展了大量研究，并制定了一系列標準。但橋梁運維BIM技術(shù)應(yīng)用總體上仍處于初級階段，相應(yīng)的運維需求和標準不完善，導致當前BIM的工作流程還未全面覆蓋設(shè)計-施工-運維全生命周期，這就需要更好地規(guī)劃每個階段模型精度和信息粒度，探索、補充和驗證相關(guān)的模型標準和技術(shù)條件，推動BIM技術(shù)在運維階段的更好應(yīng)用。

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