陳國佳

（江蘇森尚工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

橋梁工程項(xiàng)目的全生命周期包括前期規(guī)劃與可行性調(diào)研、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、廢除共五個(gè)階段[2]。運(yùn)維階段不僅整個(gè)周期中所占比重最高的階段，也是占總建設(shè)成本最高的階段[3]。因此，為保證橋梁在其漫長的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)能經(jīng)受行車荷載和復(fù)雜自然條件考驗(yàn)，降低維護(hù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)了解橋梁各構(gòu)件和設(shè)備的狀態(tài)，從而制定對(duì)應(yīng)的維護(hù)計(jì)劃必不可少。

傳統(tǒng)的運(yùn)維和養(yǎng)護(hù)需要維護(hù)人員查詢項(xiàng)目的圖紙、使用指導(dǎo)和維修記載等[4]，這些信息往往以紙質(zhì)文件形式分布在不同的承包商手中，難以實(shí)時(shí)更新，彼此間也缺乏關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的后期維護(hù)過程繁瑣且效率低下，極易發(fā)生錯(cuò)漏。

為解決包括運(yùn)維管理在內(nèi)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)環(huán)節(jié)存在的弊端，BIM 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這是一種以三維立體建模技術(shù)為底層構(gòu)架，包含工程各方所需數(shù)據(jù)的信息模型[5]。這些數(shù)據(jù)涵蓋結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的幾何數(shù)據(jù)，也包括其物理屬性、狀態(tài)、造價(jià)等信息[6]，可使各參與單位在同一平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯和數(shù)據(jù)共享，使得維護(hù)方可以實(shí)時(shí)整合、更新和同步項(xiàng)目所有信息。能有效減少維護(hù)時(shí)的資源消耗，提高運(yùn)維效率和運(yùn)維精度。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

BIM 技術(shù)的理論和應(yīng)用研究最早起步于建筑領(lǐng)域，而被引入道橋領(lǐng)域的時(shí)間較晚，目前在設(shè)計(jì)與施工階段的研究正日趨完善，如在理論研究方面，H.M.等人[7]提出了BIM 項(xiàng)目的建造流程，C.S.等人[8]提出了可擴(kuò)展的架構(gòu)系統(tǒng)，并闡述了施工過程的4D 模擬。Dang N S 等人[9]開發(fā)了基于BIM 技術(shù)的橋梁運(yùn)維系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)與圖像，并生成和實(shí)時(shí)上傳病害與損傷報(bào)告。在實(shí)際應(yīng)用方面，在布里格里河谷斜拉橋和卡塔爾多哈大橋的設(shè)計(jì)與施工階段，BIM 技術(shù)也被廣泛應(yīng)用，但對(duì)運(yùn)維階段的實(shí)際應(yīng)用仍較為空白。

綜上所述，當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究更多聚焦在設(shè)計(jì)階段，對(duì)在運(yùn)維階段的研究偏理論，缺乏對(duì)BIM 技術(shù)在橋梁工程運(yùn)維階段實(shí)際應(yīng)用案例的討論。因此，本文希望依托滬通長江大橋項(xiàng)目，對(duì)基于BIM 技術(shù)的運(yùn)維管理平臺(tái)的平臺(tái)構(gòu)架和具體搭建步驟進(jìn)行探討，為運(yùn)維階段橋梁的可視化和智能化養(yǎng)護(hù)的實(shí)際應(yīng)用及推廣提供參考。

2 工程概況

滬通長江大橋（見圖1）位于長江江蘇段，南起張家港市、北通南通市，是中國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的全球首座橫跨千米的公鐵兩用斜拉橋。

圖1 滬通長江大橋

滬通長江大橋全程11.072 km，由航道橋（分主航道與專用航道橋）、聯(lián)絡(luò)橋和引橋三部分組成。其中正橋5.831 km，南引橋3.370 km、北引橋長18.71 km。具有橋型全、體量大、多項(xiàng)技術(shù)世界領(lǐng)先的特點(diǎn)。大橋于2014 年3 月動(dòng)工，2019 年9 月實(shí)現(xiàn)兩端匯首，2020 年7 月1 日建成投入使用。

3 建設(shè)階段BIM 模型構(gòu)建

由于滬通長江大橋項(xiàng)目橋型全、體量大、難度高、協(xié)作單位多、協(xié)同管理難度大，建設(shè)指揮部從項(xiàng)目全生命周期的應(yīng)用角度出發(fā)，自主研發(fā)了BIM 平臺(tái)，形成了“極簡(jiǎn)化平臺(tái)+可插拔模塊”的應(yīng)用方式，其技術(shù)架構(gòu)見圖2。

圖2 滬通長江大橋BIM 應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)圖

項(xiàng)目選擇了擅長鋼結(jié)構(gòu)建模的TEKLA 軟件。依托施工圖和施工需求編制了建模標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了不同階段的LOD 等級(jí)和構(gòu)件命名規(guī)則等，以降低模型管理和使用時(shí)的難度。其底層整體采用 C/S（Client/Server）模式開發(fā)，共包括施組編制、進(jìn)度跟蹤、可視化交底、工程量統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)變更管理、施工監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)、架橋機(jī)監(jiān)控、焊縫質(zhì)量管理、數(shù)字化預(yù)拼裝10 大功能模塊。通過使用云平臺(tái)，用戶通過PC端和移動(dòng)端訪問系統(tǒng)云端，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。項(xiàng)目的分層架構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)分層架構(gòu)圖

4 建設(shè)階段與運(yùn)維階段模型間的數(shù)據(jù)傳遞

構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的運(yùn)維養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)，首先需要篩選和整合項(xiàng)目前期階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將這些格式、來源、表現(xiàn)形式都不同的數(shù)據(jù)換為一個(gè)統(tǒng)一的、運(yùn)維階段需要的模型和數(shù)據(jù)，從而保證信息的一致性，也能避免不必要的工作量，降低數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)信息集成、共享、更新和管理，促進(jìn)各參與單位的信息交流和共享，達(dá)到對(duì)全過程的精準(zhǔn)控制，為管理和決策提供幫助。

在滬通長江大橋項(xiàng)目中，運(yùn)維管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和傳遞過程可分概括為：多源數(shù)據(jù)的補(bǔ)充與篩選，多源數(shù)據(jù)的輸出、整合與校驗(yàn)，和多源數(shù)據(jù)的傳遞三個(gè)步驟。

4.1 多源數(shù)據(jù)的篩選與補(bǔ)充

橋梁工程的BIM 模型涉及多個(gè)階段的數(shù)據(jù)和信息，上一階段的信息在下一階段未必會(huì)被應(yīng)用。如果這些信息流轉(zhuǎn)到下一階段，會(huì)降低信息查看和利用的效率。多源數(shù)據(jù)補(bǔ)充與篩選的目的就是剔除運(yùn)維管理階段不需要的數(shù)據(jù)，加入運(yùn)維階段必須的數(shù)據(jù)，以降低不必要的信息量，提高養(yǎng)護(hù)精度和管理效率。

以項(xiàng)目建設(shè)階段主梁的BIM 模型向運(yùn)維階段的信息篩選與補(bǔ)充為例（見表1），建設(shè)階段的主梁模型包含橋梁設(shè)計(jì)依靠的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、項(xiàng)目特點(diǎn)、構(gòu)件信息以及施工信息等。到了運(yùn)營階段，橋梁項(xiàng)目整體模型中會(huì)進(jìn)一步輸入橋梁所處區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測(cè)信息，如風(fēng)速、溫度等。而對(duì)于施工要點(diǎn)等施工建造信息，則會(huì)予以剔除。

表1 滬通長江大橋項(xiàng)目主梁信息繼承表

4.2 多源數(shù)據(jù)的整合、輸出與校驗(yàn)

由于項(xiàng)目中使用的BIM 軟件種類繁多，這些軟件有的側(cè)重鋼結(jié)構(gòu)建模，有的側(cè)重電氣建模，各軟件采用的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和框架不同，數(shù)據(jù)單位和表現(xiàn)方式有所差異，生產(chǎn)出的數(shù)據(jù)格式也相去甚遠(yuǎn)。因此，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前需要確定統(tǒng)一的中間數(shù)據(jù)格式，避免在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)出現(xiàn)前后數(shù)據(jù)不一致，以及數(shù)據(jù)丟失。

4.2.1導(dǎo)出前統(tǒng)一文件格式

為解決上述問題，滬通長江大橋項(xiàng)目運(yùn)維平臺(tái)統(tǒng)一采用了IFC 標(biāo)準(zhǔn)。IFC 是一種文件格式，有很好的平臺(tái)獨(dú)立性，在各個(gè)平臺(tái)均能被識(shí)別。在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，先將某種模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IFC 數(shù)據(jù)文件，能最大限度避免因軟件或系統(tǒng)差異導(dǎo)致的信息錯(cuò)漏與前后不一致，IFC 標(biāo)準(zhǔn)也因此成為串聯(lián)各個(gè)工程階段、各家參建單位及各個(gè)BIM 軟件之間的橋梁。

4.2.2導(dǎo)出IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件時(shí)存在的問題

本文通過IFC 文件在BIM 模型中的讀取和導(dǎo)出測(cè)試，總結(jié)了會(huì)導(dǎo)致IFC 文件在不同BIM 模型間出現(xiàn)錯(cuò)漏和信息不一致時(shí)的三種情況：

（1）不同BIM 模型使用了不同的表述方式和字符對(duì)同一結(jié)構(gòu)部件的屬性進(jìn)行描述；

（2）BIM 軟件無法完全讀取其他BIM 軟件導(dǎo)出的IFC 文件中的所有實(shí)體及其屬性；

（3）實(shí)際工程項(xiàng)目涉及的信息和面對(duì)的情況紛繁復(fù)雜，當(dāng)前的IFC 標(biāo)準(zhǔn)還無法描述所有項(xiàng)目需要的所有信息。

4.2.3導(dǎo)出IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件后的校驗(yàn)

在導(dǎo)出IFC 文件后，需要對(duì)導(dǎo)出的IFC 文件進(jìn)行校驗(yàn)。首先，從不同的BIM 軟件中各自生成IFC 文件。其次，對(duì)這些生成的IFC 文件中的信息進(jìn)行分類。再來，將提取的實(shí)體屬性性值，并輸入校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷信息中心是否包含用戶所需的數(shù)據(jù)（如幾何形狀、顏色、材料等），以及判斷文件中采用的信息描述是否符合IFC 的基本框架。最后，校驗(yàn)系統(tǒng)可將檢驗(yàn)結(jié)果輸出。

以圖4 所示的變電站模型為例，通過校驗(yàn)系統(tǒng)校驗(yàn)變電站中所有的38 種電氣設(shè)備，校驗(yàn)完成后得到的校驗(yàn)結(jié)果的result 和summary 的部分內(nèi)容見表2。

圖4 滬通長江大橋項(xiàng)目變電站三維模型及其中電氣設(shè)備模型

表2 校驗(yàn)結(jié)果

4.3 多源數(shù)據(jù)的傳遞

滬通長江大橋項(xiàng)目各階段的BIM 模型匯集的橋梁設(shè)計(jì)、施工、巡檢等各個(gè)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)管理信息數(shù)據(jù)通常以數(shù)據(jù)庫的方式存儲(chǔ)與傳輸。即不同階段的模型和通過連接同一個(gè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的同一張表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)模型A 請(qǐng)求模型B 處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，模型A 輸入一條數(shù)據(jù)，模型B 選擇模型A 插入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體過程見圖5。而業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交換主要依賴基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)接口方式進(jìn)行。

圖5 滬通長江大橋項(xiàng)目變電站三維模型及其中電氣設(shè)備模型

5 運(yùn)維管理平臺(tái)的總體架構(gòu)

5.1 運(yùn)維管理平臺(tái)的基本目標(biāo)

由于受到行車荷載和各種自然因素的影響，在橋梁的使用壽命內(nèi)，內(nèi)部的損耗會(huì)逐漸積累，如果不加以維護(hù)，會(huì)引發(fā)突發(fā)性的破壞。因此運(yùn)維人員需要定期巡檢，并進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù)，以保護(hù)大橋安全運(yùn)營。因此平臺(tái)需要輔助管理人員，隨時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁狀況，為橋梁的養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)。

5.2 運(yùn)維管理平臺(tái)的功能模塊

為滿足上述目標(biāo)，滬通長江大橋項(xiàng)目運(yùn)維管理平臺(tái)構(gòu)建了四個(gè)功能模塊：后臺(tái)管理、資產(chǎn)管理、任務(wù)管理、BIM 智慧大屏，框架見圖6。

圖6 養(yǎng)護(hù)管理平臺(tái)簡(jiǎn)要框架

5.2.1后臺(tái)管理

后臺(tái)管理是實(shí)現(xiàn)所有功能的一個(gè)基礎(chǔ)模塊，包括部門管理、用戶管理、日志管理和權(quán)限管理。實(shí)現(xiàn)用戶角色的設(shè)置、用戶權(quán)限的分配、用戶操作記錄的存儲(chǔ)。

5.2.2資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理的功能主要是對(duì)橋梁資產(chǎn)管理、設(shè)備管理、BIM 模型管理、文檔管理和報(bào)表管理。

（1）橋梁資產(chǎn)管理。為運(yùn)維提供一套完整的橋梁資產(chǎn)信息，便于后期監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的生命周期與完整數(shù)據(jù)。

（2）設(shè)備管理。授權(quán)用戶可以統(tǒng)計(jì)資產(chǎn)類型和數(shù)量，還可以通過設(shè)備名稱、編碼、等信息查找對(duì)應(yīng)設(shè)備，設(shè)備管理偏向記錄設(shè)備生命周期完整數(shù)據(jù)。

（3）BIM 模型管理。實(shí)現(xiàn)BIM 模型的發(fā)布、模型的分類，對(duì)模型高亮、場(chǎng)景、GIS 位置、相機(jī)視角等進(jìn)行設(shè)置。

（4）文檔管理。對(duì)文檔進(jìn)行統(tǒng)一的保存，展示。可通過后臺(tái)權(quán)限進(jìn)行上傳、查看、刪除、下載等操作。傳感器的報(bào)廢更換、大橋上的重大預(yù)警記錄、巡檢月度考核、定期檢查傳感器等數(shù)據(jù)可通過文檔分類進(jìn)行展示。

（5）報(bào)表管理。統(tǒng)一管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可按照對(duì)應(yīng)分類和篩選條件進(jìn)行導(dǎo)出。

5.2.3任務(wù)管理

任務(wù)管理主要是對(duì)巡檢任務(wù)、養(yǎng)護(hù)任務(wù)、病害查詢、信息發(fā)布的全過程管理，使得各參與方不僅能夠全面了解任務(wù)信息狀態(tài)、而且能夠系統(tǒng)提升任務(wù)管理能力。

（1）巡檢管理。根據(jù)添加的巡檢計(jì)劃進(jìn)行巡檢任務(wù)的新增。巡檢任務(wù)可通過選擇時(shí)間任務(wù)地點(diǎn)添加人員等在后臺(tái)的編輯操作進(jìn)行任務(wù)的下放和內(nèi)容的添加。任務(wù)下放至小程序端，巡檢人員可通過小程序的信息進(jìn)行掃描反饋橋梁巡檢信息。

（2）養(yǎng)護(hù)管理。新建、查看養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、養(yǎng)護(hù)任務(wù)，還可查看養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、養(yǎng)護(hù)任務(wù)的狀態(tài)，方便管理員查看責(zé)任方，可對(duì)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督。

（3）病害管理。對(duì)巡檢過程中發(fā)現(xiàn)對(duì)病害進(jìn)行錄入、可以查詢病害描述已經(jīng)病害應(yīng)對(duì)措施。對(duì)已有病害數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（4）信息發(fā)布。主要是對(duì)情報(bào)板、告警等發(fā)布的信息或預(yù)備發(fā)布的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，可根據(jù)信息狀態(tài)篩選出對(duì)應(yīng)的信息列表，同時(shí)可查看信息關(guān)聯(lián)的模型三維模型上體現(xiàn)播放點(diǎn)。

5.2.4智慧大屏

BIM 智慧大屏主要是將巡檢、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)可視化、展示健康監(jiān)測(cè)結(jié)果，健康監(jiān)測(cè)研究包括環(huán)境、設(shè)備、橋梁本體的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的顯示。對(duì)應(yīng)急數(shù)據(jù)及時(shí)展現(xiàn)，并可以查看數(shù)據(jù)大屏統(tǒng)計(jì)信息。

（1）構(gòu)建信息查看。通過BIM 模型樹，控制具體模型顯示，以及視角調(diào)整。點(diǎn)擊模型構(gòu)建，模型高亮顯示，并彈出BIM 信息框，顯示構(gòu)建詳細(xì)信息。

（2）病害查看。在BIM 模型對(duì)應(yīng)位置，顯示病害介紹，對(duì)BIM 主體進(jìn)行高亮顯示。通過不同顏色，區(qū)分病害嚴(yán)重程度。

（3）巡檢養(yǎng)護(hù)查看。在對(duì)應(yīng)路段，顯示巡檢任務(wù)，包括巡檢類型、巡檢路段、巡檢人員。顯示當(dāng)前養(yǎng)護(hù)進(jìn)度,包含作業(yè)人員，養(yǎng)護(hù)路段可視化等

（4）健康監(jiān)測(cè)。健康監(jiān)測(cè)包括對(duì)多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示，以及健康監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的顯示。常見的監(jiān)測(cè)包括：橋梁數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段，按照不同顏色顯示為正常、輕微、中度、危險(xiǎn)等不同狀態(tài)。當(dāng)超出閾值時(shí)，顯示報(bào)警提示。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和展示的主要內(nèi)容包括：振動(dòng)數(shù)據(jù)、動(dòng)應(yīng)變數(shù)據(jù)、動(dòng)撓度數(shù)據(jù)等。交通流量監(jiān)測(cè)，包括數(shù)據(jù)接收及管理、地圖數(shù)據(jù)處理及分析、地圖及數(shù)據(jù)的發(fā)布。不僅對(duì)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀、生動(dòng)的顯示，還可以提供最新的查詢和分析,進(jìn)而為交通流量分析提供決策和支持。橋梁安全監(jiān)測(cè)，通過現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期在線監(jiān)測(cè)，并有效利用監(jiān)測(cè)信息評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

（5）應(yīng)急管理。當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，大屏在彈出紅色預(yù)警框，并定位到BIM 模型具體位置，可及時(shí)查看到緊急事件，填寫處理聯(lián)系負(fù)責(zé)人和處理意見，實(shí)時(shí)進(jìn)行上報(bào)處理。

6 結(jié)語

本文的研究可分為兩部分：

第一部分研究了多源數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)施工階段BIM模型和運(yùn)維階段BIM 模型之間的傳遞方法。該部分對(duì)能整合各BIM 模型產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)的向IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件做了深入研究；針對(duì)BIM 模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件時(shí)，數(shù)據(jù)表達(dá)不一致的成因進(jìn)行了分析；針對(duì)多源數(shù)據(jù)的篩選原則和校驗(yàn)方法進(jìn)行了探討。最終得出了構(gòu)建運(yùn)維管理平臺(tái)時(shí)合理的數(shù)據(jù)傳遞策略。

第二部分探討了運(yùn)維管理平臺(tái)的總體構(gòu)架和需要具備的功能模塊。平臺(tái)需要充分利用BIM 可視化的技術(shù)，強(qiáng)化信息技術(shù)與橋梁養(yǎng)護(hù)需求的深度融合，在基于BIM 技術(shù)的滬通長江大橋建養(yǎng)管理平臺(tái)上，開發(fā)可視、可解析、可輔助養(yǎng)護(hù)決策的大跨橋梁養(yǎng)護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)在橋梁全壽命周期的應(yīng)用，圍繞提升大跨橋梁狀況的監(jiān)控評(píng)估技術(shù)水平的需求，構(gòu)建既有橋梁信息仿真模型，實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)結(jié)果可視化呈現(xiàn)。