基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)應(yīng)用研究

潘永杰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)應(yīng)用研究

潘永杰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081）

BIM是一種先進(jìn)技術(shù)和管理理念。BIM的精髓在于將各種信息數(shù)據(jù)貫穿橋梁工程的整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期的綜合集成管理。本文結(jié)合工程實(shí)踐需求，研究了基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)，探索BIM在施工和運(yùn)維不同階段下的典型功能模塊，通過打破信息斷層，有效控制工程信息的采集、傳遞、交流和整合，利用數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，為鐵路橋梁專業(yè)的基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)和規(guī)范修訂提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)以BIM為手段實(shí)施服務(wù)的最終目標(biāo)。

BIM；建養(yǎng)一體化平臺(tái)；全生命周期；數(shù)據(jù)挖掘

BIM（Building Information Modeling）是“建筑信息模型”的簡(jiǎn)稱。BIM作為一種全新的理念，涉及工程項(xiàng)目從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期的技術(shù)和管理創(chuàng)新，由建筑模型、過程模型和決策模型構(gòu)成[1]。

BIM技術(shù)的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）建筑模型的可視化：以三維信息模型為載體，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”，項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等整個(gè)建設(shè)過程直觀可視，方便進(jìn)行溝通、討論與決策；

（2）模型信息的關(guān)聯(lián)性：信息模型中的對(duì)象是可識(shí)別且相互關(guān)聯(lián)的，模型中某個(gè)對(duì)象發(fā)生變化，與之關(guān)聯(lián)的所有對(duì)象都隨之更新；

（3）過程模型的優(yōu)化性：建造過程是不斷優(yōu)化的過程，利用數(shù)字模型優(yōu)化方案具有諸多優(yōu)勢(shì)；

（4）決策模型的完備性：除了對(duì)工程對(duì)象進(jìn)行3D幾何信息表達(dá)外，還包括4D、5D甚至更多維度屬性信息的完整描述，方便做出適宜的管理決策。

由于以上顯著優(yōu)點(diǎn)，BIM在工程領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速。不同國(guó)家、政府和企業(yè)結(jié)合各自的文化和管理機(jī)制，開展了從小范圍、企業(yè)內(nèi)的試驗(yàn)到局部范圍、多方協(xié)同的實(shí)踐，并逐步向全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、全生命周期實(shí)施應(yīng)用邁進(jìn)。

1 BIM工程應(yīng)用價(jià)值

工程建設(shè)項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，專業(yè)眾多，項(xiàng)目生命周期包括了勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等階段，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年。在項(xiàng)目不同階段借助BIM形成各方共享、共同受益的技術(shù)體系（如圖1所示），能夠?qū)崿F(xiàn)工程語(yǔ)言從二維設(shè)計(jì)到三維協(xié)同的升級(jí)。使用BIM平臺(tái)融合不同階段過程中的多維度實(shí)際信息，如受力、進(jìn)度、安全、質(zhì)量、病害、性能狀態(tài)等，提供全信息檔案，構(gòu)建橋梁工程信息的創(chuàng)造、傳遞、評(píng)估和利用的標(biāo)準(zhǔn)化流程，從根本上解決項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維等各階段應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，提高了管理和決策能力，實(shí)現(xiàn)橋梁工程的全生命周期管理[2～5]。

圖1 BIM在各階段中的典型應(yīng)用

由此可知，BIM技術(shù)在工程項(xiàng)目中的作用和價(jià)值主要體現(xiàn)在：（1）用“互聯(lián)網(wǎng)+”的理念促使設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維模式的升級(jí)；（2）通過數(shù)據(jù)鏈的傳遞，實(shí)現(xiàn)全生命期信息共享；（3）整合工程知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，建立標(biāo)準(zhǔn)化流程，實(shí)現(xiàn)全生命期的可預(yù)測(cè)和可控制；（4）推動(dòng)行業(yè)信息化發(fā)展和創(chuàng)新能力的提升。

2 基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)研究

本文主要研究BIM技術(shù)在橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)中的典型應(yīng)用，涉及施工和運(yùn)維兩個(gè)階段的不同功能模塊。

2.1 施工階段BIM應(yīng)用研究

施工管理平臺(tái)是搭建基于GIS+BIM的施工管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁工程BIM模型的可視化展示與操作、二維圖紙等信息與三維模型的關(guān)聯(lián)。主要模塊及功能包括GIS模塊，三電及管線遷改、可視化技術(shù)交底，圖紙管理，虛擬建造、施工監(jiān)控、過程資料管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理、安全管理等，目的是有效控制施工質(zhì)量、進(jìn)度、安全等，提高管理水平。

（1）GIS模塊

采用空間地理信息技術(shù)，利用國(guó)內(nèi)、國(guó)際主流GIS展示平臺(tái)（例如：Supmap、Skyline、Google Earth、Esri ArcGIS等），將航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和GIS矢量數(shù)據(jù)，集成到一個(gè)交互平臺(tái)，呈現(xiàn)橋梁工程及其周圍地貌的空間場(chǎng)景，并將施工項(xiàng)目與三維地圖進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目沿線空間地理信息、三維地貌、交通設(shè)施、工程構(gòu)造物的可視化查詢，并實(shí)現(xiàn)空間測(cè)量和空間分析功能。

（2）三電及管線遷改

三電及管線遷改是保證工程順利開展的前提。遷改工作涉及產(chǎn)權(quán)單位眾多，各單位相互獨(dú)立，信息無(wú)法共享協(xié)同，造成管線資料查閱不直觀，且多數(shù)通信光纜、電力線路縱橫交叉、錯(cuò)綜復(fù)雜，油、氣、水等管道埋置地下不易統(tǒng)計(jì)，給遷改工作帶來(lái)諸多問題，導(dǎo)致實(shí)施過程中花費(fèi)大量的人力物力。

因此，可基于GIS模塊，結(jié)合各產(chǎn)權(quán)單位的檔案資料，建立三電及管線的BIM信息模型，關(guān)聯(lián)數(shù)量、遷改方案，影像資料、技術(shù)資料等信息，為工程遷改和驗(yàn)工計(jì)價(jià)提供精細(xì)化指導(dǎo)。

（3）可視化技術(shù)交底

可視化是BIM應(yīng)用中的重要價(jià)值點(diǎn)。二維施工圖紙只是各個(gè)構(gòu)件信息在圖紙上的線條繪制表達(dá)，但是其真正的構(gòu)造形式就需要技術(shù)人員去自行理解，在“三維-二維-三維”轉(zhuǎn)換過程中存在失真的可能性。

對(duì)橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)通過可視化交底方式實(shí)施，如圖2所示。實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的立體直觀展示。

圖2 錨固段BIM可視化交底

可視化的成果可以用來(lái)三維漫游、“差錯(cuò)漏碰”檢查，更重要的是，項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行，極大地提高交流質(zhì)量和效率。

（4）圖紙管理

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二維圖紙和三維模型的相互關(guān)聯(lián)，如圖3所示，通過對(duì)施工圖的電子化管理，實(shí)現(xiàn)PC端和移動(dòng)端快捷瀏覽施工圖的功能，借助二維施工圖紙與三維模型的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)用，也為今后的運(yùn)營(yíng)管理提供了極為便利的條件。

圖3 二維圖紙與三維模型的關(guān)聯(lián)

（5）重大施工方案虛擬建造

引入風(fēng)險(xiǎn)控制分析，在體系轉(zhuǎn)換、既有線施工等重大、復(fù)雜施工方案中應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬建造。模擬的過程是虛擬互動(dòng)式體驗(yàn)，使參與各方更容易溝通，通過BIM結(jié)構(gòu)模型、施工機(jī)械設(shè)備庫(kù)模型及臨時(shí)設(shè)施庫(kù)模型，提前進(jìn)行過程模擬演示。

虛擬建造能預(yù)測(cè)施工工藝的實(shí)施性，施工機(jī)械設(shè)備的適應(yīng)性與臨時(shí)結(jié)構(gòu)布局的合理性，為方案討論提供了便利的溝通方式；通過檢查臨時(shí)結(jié)構(gòu)、預(yù)埋件與施工主體結(jié)構(gòu)之間的軟硬碰撞，實(shí)現(xiàn)施工方案、施工工序的優(yōu)化完善，避免失誤，防范風(fēng)險(xiǎn)，提高施工工效。

（6）施工監(jiān)控

對(duì)橋梁開展施工監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)施工監(jiān)控不同工況下的標(biāo)高、應(yīng)力、位移等，建立數(shù)據(jù)采集、管理、展示、利用和決策的標(biāo)準(zhǔn)化流程，提供監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)報(bào)表、監(jiān)控指令、報(bào)警及處置等工序的規(guī)范化操作。

施工監(jiān)控BIM應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)施框架如圖4所示。

圖4 施工監(jiān)控BIM應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施框架

（7）過程資料管理

在系統(tǒng)中，依據(jù)相關(guān)鐵路施工標(biāo)準(zhǔn)指南，實(shí)現(xiàn)施工過程各方資料及信息與三維模型的相互關(guān)聯(lián)與存儲(chǔ)，如圖5所示，并且具有實(shí)時(shí)上傳、編輯、查看等功能。

圖5 資料管理組成部分

通過標(biāo)準(zhǔn)（或自定義）工作單、電子簽名、電子化辦公等流程，替代傳統(tǒng)資料管理方式，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程中資料的全面電子化管理，且不增加現(xiàn)場(chǎng)人員工作負(fù)擔(dān)；基于BIM模型實(shí)現(xiàn)資料的融合貫通，實(shí)現(xiàn)通過工程部位統(tǒng)一導(dǎo)航查閱各類信息，如混凝土拌和站、鋼筋力學(xué)性能、工程量、施工日志、驗(yàn)工計(jì)價(jià)等信息，不僅實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目檔案資料文件的規(guī)范化，而且強(qiáng)化了檔案管理機(jī)制，加強(qiáng)了工程檔案的過程管理，實(shí)現(xiàn)了工程檔案完整有記錄，責(zé)任可追溯。

（8）進(jìn)度、安全、質(zhì)量管理

結(jié)合橋梁工程施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行5D施工組織模擬。根據(jù)計(jì)劃和施工日志（或檢驗(yàn)批）與模型關(guān)聯(lián)的功能，對(duì)橋梁的施工過程進(jìn)行分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，快速完成對(duì)工程進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)，并形象展示當(dāng)前進(jìn)度和計(jì)劃的對(duì)比（超前、正常和滯后），對(duì)滯后進(jìn)度進(jìn)行預(yù)警和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)度的直觀把控。

同時(shí)施工過程中出現(xiàn)的安全、質(zhì)量問題，以標(biāo)簽或問題庫(kù)的形式關(guān)聯(lián)到施工模型，建立閉環(huán)解決機(jī)制，方便對(duì)施工過程中問題的追蹤管理。

（9）其他管理

除此之外，根據(jù)需要可開展如安全管理、圖片管理、物資管理、人員管理、成本控制、施工計(jì)算、集成視頻監(jiān)控等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)全方位信息的追溯管理。

2.2 運(yùn)維階段BIM應(yīng)用研究

結(jié)合運(yùn)維部門的實(shí)際需求，BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)應(yīng)用包括與工務(wù)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，智能巡檢、病害庫(kù)及專家遠(yuǎn)程會(huì)商、管養(yǎng)知識(shí)庫(kù)，設(shè)備、資料一體化管理，數(shù)字化管養(yǎng)，輔助培訓(xùn)新員工等內(nèi)容。

（1）與工務(wù)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合

工務(wù)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供工務(wù)安全監(jiān)測(cè)與管理信息的統(tǒng)一管理、綜合分析、決策支持和信息服務(wù)，為工務(wù)設(shè)備安全運(yùn)行提供技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支撐，是網(wǎng)絡(luò)化、信息化程度較高的工務(wù)安全保障平臺(tái)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括軌道狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、鋼軌狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、特殊區(qū)段路基狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)橋隧病害監(jiān)測(cè)狀態(tài)、環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測(cè)、工務(wù)機(jī)械車作業(yè)監(jiān)控等[6]。

為保證橋梁運(yùn)營(yíng)階段多源數(shù)據(jù)的整合，有必要在BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)中開發(fā)工務(wù)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、處理分析和挖掘服務(wù)，不僅為各級(jí)工務(wù)管理和維修生產(chǎn)部門提供綜合信息服務(wù)，還避免多個(gè)信息子系統(tǒng)相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，提升效率。

（2）管養(yǎng)知識(shí)庫(kù)

橋梁結(jié)構(gòu)所處的外界環(huán)境惡劣，在結(jié)構(gòu)的服役過程中經(jīng)常有病害發(fā)生，在運(yùn)維管理中要對(duì)這些病害進(jìn)行歸類、分析，通過關(guān)聯(lián)維修養(yǎng)護(hù)過程，逐步形成管養(yǎng)知識(shí)庫(kù)。

管養(yǎng)知識(shí)庫(kù)的建立，可以將積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推廣，為以后類似的病害分析、運(yùn)營(yíng)管理者反應(yīng)和處置提供有力的技術(shù)支撐；同時(shí)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的劣化速率和病害特征，為規(guī)范管養(yǎng)步驟和形成標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程提供基礎(chǔ)，并有針對(duì)性地提高管養(yǎng)水平。

（3）設(shè)備、資料一體化管理

建立設(shè)備臺(tái)賬與空間實(shí)體對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)提供多種方式供用戶快速定位到設(shè)備，也可通過模糊搜索的功能，列出所有滿足條件的結(jié)果列表，確定并雙擊列表項(xiàng)即可導(dǎo)航至指定的設(shè)備。通過不同的快速導(dǎo)航方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速定位，進(jìn)而對(duì)設(shè)備臺(tái)賬進(jìn)行查看、編輯及維護(hù)等工作。

按照竣工圖紙、驗(yàn)收資料、歷次檢定試驗(yàn)、辦公文檔等進(jìn)行分類，結(jié)合施工過程中的過程資料管理，與BIM模型關(guān)聯(lián)，進(jìn)而在系統(tǒng)集成窗口中實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)信息可追溯、任務(wù)單及工作計(jì)劃生成，方便維護(hù)人員使用。

（4）數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建車線橋一體化的數(shù)字化管養(yǎng)系統(tǒng)[7]，如圖6所示，通過BIM模型來(lái)承載橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)行監(jiān)控參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、相關(guān)性和綜合分析，梳理并構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)體系，從而評(píng)估、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，并制定實(shí)施相應(yīng)的管養(yǎng)策略，通過BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)對(duì)維護(hù)保養(yǎng)的時(shí)機(jī)及措施進(jìn)行自動(dòng)提醒，有效地指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)、線路狀態(tài)的養(yǎng)護(hù)維修工作，是一種新型、高效的管理和養(yǎng)修模式。

（5）輔助培訓(xùn)新員工

基于BIM技術(shù)的多維管理虛擬體驗(yàn)中心，不僅能將橋梁結(jié)構(gòu)信息完整準(zhǔn)確地展現(xiàn)在新員工面前，又能將相應(yīng)環(huán)節(jié)的問題庫(kù)，解決方案及應(yīng)急處置預(yù)案以直觀的方式展示出來(lái)，使新員工能夠快速學(xué)習(xí)，不僅比二維的圖文資料培訓(xùn)效果好，而且不會(huì)因?yàn)槿藛T流動(dòng)而造成工作效率與水平下降，是一種高效的培訓(xùn)平臺(tái)。

BIM based bridge construction and operation maintenance integration platform

PAN Yongjie
( Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

BIN is a kind of advanced technology and management philosophy.The essence of BIM lies in the various information data throughout the full life cycle of bridge engineering and the implementation of integrated management of full life cycle to the planning and design,construction and operation maintenance of the project.This article combined with the engineering practical needs,researched on the BIM based bridge construction and maintenance integration platform,discussed typical function module under the different stages of construction and operation maintenance.The collection,transmission,communication and integration of engineering information were controlled effectively by breaking information fault,using data analysis and mining technology.The data basis and technical support were provided for the fundamental research,product development and revision of railway bridge specialty to implement the fnal objective of BIM based service.

BIM;construction and operation maintenance integration platform;full life cycle;data mining

U24∶TP39

A

1005-8451（2016）05-0039-05

2016-01-06

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題（2015G006-J）；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目（2014YJ024）。

潘永杰，助理研究員。