智慧橋梁理念的探索

潘永杰，趙欣欣，劉曉光(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

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智慧橋梁理念的探索

潘永杰，趙欣欣，劉曉光
(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:以BIM( Building Information Modeling)、物聯網、云計算等為代表的新一代信息技術與傳統行業的不斷融合促使智慧橋梁應運而生。本文分析了智慧橋梁理念的內涵，闡述了智慧橋梁的總體架構，將智慧橋梁劃分為智慧設計、智慧建造和智慧管養三個階段，研究了不同階段的主要功能及關鍵技術，指出了智慧橋梁是智慧產業在橋梁工程領域發展的必然結果。

關鍵詞:BIM智慧橋梁全生命周期管理平臺PHM( Prognostic and Health Management)

1　概述

近十年來，伴隨高速鐵路的快速發展，我國先后建成了武漢天興洲長江大橋、南京大勝關長江大橋、濟南黃河大橋、銅陵長江大橋等一批具有代表性的鐵路或公鐵兩用大跨度橋梁。它們不僅體積大、荷載重、運營速度快，而且結構新穎，設計美觀，表明我國建橋水平已躍升于世界先進行列。但橋梁工程管理模式依舊是相對獨立的“設計—施工—管養”三階段，面對不同的管理者，相關信息、數據在傳遞過程中會出現失真甚至丟失的現象。這種傳統的管理模式存在諸多需改進的地方，比如:

1)以二維圖紙作為信息主要載體，不易攜帶、傳遞和保存，且非專業人士較難理解，故可以采用直觀的三維模型作為信息主要載體。

2)關鍵工序仍采用傳統施工機具，效率偏低且人為因素影響大，施工信息傳遞依靠上傳下達，溝通協調不足，信息追蹤性差，故可以研發自動控制和數據采集的施工設備。

3)橋梁管養主要依靠定期檢定和人工巡檢，未將設計、施工及各種監(檢)測數據進行聯動分析，故可以基于信息技術建立綜合多源數據的大橋故障診斷、狀態預測和健康管理系統。

管理模式的改進需要配套的智慧基礎設施、智慧產品、智慧技術、智慧設備和智慧管理。伴隨BIM ( Building Information Modeling)、移動互聯網、物聯網、云計算及大數據等技術的廣泛應用，傳統土木行業正經歷向智慧產業發展的信息革命。未來橋梁正在向更智能、更安全、更經濟、更耐久、更環保、更美觀的方向發展，智慧橋梁呼之欲出。

智慧橋梁是以工業化、標準化、智能化和綠色建造為特征的橋梁全產業鏈創新體系，是智慧技術發展與傳統行業不斷融合的結果。

建設智慧橋梁需要從項目全生命周期角度出發，以BIM技術為核心，以移動互聯網等先進信息技術為手段，通過打破信息斷層，有效控制工程信息的采集、加工、存儲和交流，構建信息的創造、傳遞、評估和利用的良性循環機制。實現智慧設計、智慧建造和智慧管養，支持決策者對項目進行合理的協調、規劃和控制，進而不斷提升橋梁技術創新、信息化和智能化水平。智慧橋梁各階段主要功能見表1。

智慧橋梁以BIM標準體系和平臺安全兩大保障體系為支撐，以設施層、網絡層、感知層等基礎設施為基礎，在公共信息平臺、數據庫、地理信息庫的支撐下，架構智慧橋梁協同管理平臺，并構建面向建設方、設計方、建造方、運維方、科研院所和相關企業的智慧應用體系。智慧橋梁總體架構見圖1。圖1中，智慧橋梁協調管理平臺是開放性的集約式平臺，各類智慧應用按照統一的平臺建設規范進行接入。

2智慧橋梁典型功能分析

2. 1智慧設計

1)參數化建模

通過控制多類型參數，調整模型中數據關系，實現模型的幾何和類型參數變化，從而適應復雜多變的結構設計，提高建模效率。參數化模型見圖2。

表1智慧橋梁各階段主要功能

圖1智慧橋梁總體架構

圖2參數化模型

2)構件庫和模型庫

基于參數化建模，搭建橋梁構件庫和模型庫，累積標準構件的幾何尺寸、屬性信息，提高設計效率及質量。

3) BIM模型與FEM分析軟件的銜接

結合第三方網格劃分軟件或利用Python，C /C ++等編程語言進行二次開發，開發與主導有限元分析軟件的無縫接口，實現數據模型無損傳遞，避免重復工作，提高分析效率。

2. 2智慧建造

1)數字化施工

針對預制梁(現澆梁)預應力張拉、壓漿工藝，鋼梁焊縫質量管理，螺栓連接施工，幾何尺寸檢測等關鍵工序開展數字化施工，研發智能化施工機具或測試設備，減少人為因素干預。借助物聯網技術，及時采集建造過程中的關鍵數據和信息，并通過互聯網實時上傳到管理平臺，實現關鍵參數量值、關鍵工序質量的有效把控。同時可利用BIM模型所包含構件的幾何尺寸信息，與大型機械設備進行無縫對接，直接生成下料、加工等信息，省略二次翻圖轉換工序，提高自動化水平。

2)虛擬施工

構建施工設備、施工工藝等相關族庫，在工程正式施工前，利用BIM技術進行施工4D虛擬建造，通過可視化的預演練和施工過程模擬，檢查設備空間位置和工藝實施的可行性，進而優化施工組織方案，減少返工，切實提高工效。

3)施工信息管理

集成建設、施工、監理、監控等各參與方的具體要求，依據規范標準，實現進度、安全、成本等施工信息的采集、存儲、分析和反饋，對物料、設備等資源進行動態管控，獲取有效施工信息。施工信息管理不僅可以實現施工質量的追蹤，更為竣工驗收資料的交付提供基礎。同時融入施工計算分析模塊，可為施工人員提供技術支持，極大方便了現場應用。

施工信息管理系統界面見圖3。圖中展示的管理系統包括GIS模塊、基礎信息、可視化交底、圖片管理、平面結構分析等多個模塊，實現了對施工信息全方位的了解和把控。

圖3施工信息管理系統界面

2. 3智慧管養

1)人工巡檢

針對工務部門的現場檢查，直接利用移動終端進行數字化信息采集，實時上傳病害描述、照片和視頻等內容，免去了“手工記錄→數據錄入→導入系統”的繁瑣步驟，不僅提高了巡檢效率，實現病害的立體展示，而且有利于病害的可持續追蹤，方便追溯管理。智能人工巡檢APP界面見圖4。

圖4智能人工巡檢APP界面

2)病害庫及專家遠程會商

該模塊實現了運營期間病害的分類管理，關聯有效處理措施及維修養護過程，形成規范的管養步驟和流程。針對新病害，采取專家遠程會商，及時獲取有效處理措施，并補充和完善病害庫，形成有機良性循環。病害處理流程見圖5。

圖5病害處理流程

3)基于“狀態修”的管養

基于互聯網、物聯網和云計算技術，搭建基于車—線—橋的數字化管養系統，集成智能巡檢、病害庫和知識庫管理等模塊。綜合設計、施工、聯調聯試等信息，利用大數據技術對多源數據進行分析和深度挖掘。結合相關規范、標準，梳理并構建橋梁結構性能評價的基本指標體系，最終實現基于“狀態修”的智慧管養體系，為今后類似工程的設計、施工和運營提供技術依據。基于“狀態修”的管養模式流程見圖6。

圖6基于“狀態修”的管養模式流程

3　關鍵技術

1)智慧橋梁相關標準體系

在中國鐵路BIM聯盟相關標準體系下，基于鐵路橋梁特點，需要建立統一的BIM模型、數據傳遞交換、存儲、交付、實施、管理等相關指南，形成智慧橋梁BIM技術應用標準體系。

2)基于BIM技術的項目協同綜合管理平臺

搭建面向多參與方、多階段的BIM管理平臺，為各階段的BIM應用及各參與方的數據交換提供一體化信息平臺支持，打造各方信息無損傳遞和數據共享的生態鏈。

3)構件庫、模型庫的建設

基于參數化建模，搭建橋梁構件庫和模型庫，累積標準構件的幾何尺寸、屬性信息，提高設計效率及質量。

4)模擬與分析

研究基于BIM模型的數值模擬和空間分析，實現與力學分析軟件的接口設計，完成建模、計算、分析評估和優化的成套流程。

5)數字化施工與施工管理系統

基于BIM技術，搭建多維施工管理系統，完善和集成多個數字化施工模塊，實現不同階段信息的關聯查詢，追溯管理。實現施工信息資源的智能化、標準化、專業化的深層次應用，達到提升橋梁工程結構建造質量和管理水平的目的。

6)多源數據綜合分析技術

集設計、建造、聯調聯試、試驗、智能巡檢及車—線—橋—環境耦合系統等多源數據于一體，利用大數據技術，通過數據挖掘、預測分析、關聯分析等專用算法庫和模型庫，將不同階段的數據進行綜合分析和高效利用，為大橋進行狀態診斷、預測分析和健康管理提供基礎。

7)基于全生命周期的BIM運維管理系統研究

融合先進信息技術，建立包括結構設計、施工、運營、養護維修等內容的全生命周期BIM管養系統，將動態軌檢車、靜態軌道監測系統、橋梁結構監測系統、工務監(檢)測等信息納入多維度的監測內容。采取多源數據分析手段，借助大數據分析技術，構建結構性能評判、預測和健康管理的綜合技術體系，實現大橋維護管理的信息化、自動化和智能化，最終實現基于“狀態修”的橋梁管養模式升級。

4　結語

以BIM技術為核心的智慧橋梁，結合移動互聯網、物聯網、云計算、大數據等技術，融合了信息采集、數據應用和數據管理等創新模式，構建了橋梁設計、建造和管養不同階段數據鏈的生態體系，實現了可視化、智能化、集約化、精益化的全生命周期管理。智慧橋梁是智慧產業在橋梁工程領域發展的必然結果。

參考文獻

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［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部．關于印發推進建筑信息模型應用指導意見［EB/OL］．( 2015-06-16)［2015-12-01］．http: / /www．mohurd．gov．cn/wjfb/201507 /t20150701 _ 222741．html

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(責任審編鄭冰)

Research on conception of the intelligent bridge

PAN Yongjie，ZHAO Xinxin，LIU Xiaoguang
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:W ith BIM ( Building Information M odeling)，Internet of things，cloud computing as the representative of the new generation of information technology and traditional industry promote the intelligent bridge come into being．T he connotation of the intelligent bridge and the general framework of integration platform are analyzed．It is divided into three stages such as intelligent design，intelligent construction，intelligent management and maintenance．T he main function and key technologies in the corresponding phases are also studied．At last，it is pointed out that the intelligent bridge is the inevitable result of the development between the intelligent industry and bridge engineering．

Key words:BIM ; Intelligent bridge; W hole life cycle; M anagement platform; PHM ( Prognostic and Health M anagement)

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0006-05

中圖分類號:TP319; U44

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．01

作者簡介:潘永杰( 1983—)，男，助理研究員，博士。

基金項目:中國鐵道科學研究院基金項目( 2013YJ024，2014YJ024)

收稿日期:2015-12-01;修回日期: 2015-12-25