基于全生命周期的BIM智慧建管養(yǎng)一體化平臺在超大跨度懸索橋的應用

張春聲,代希華

(廣東省公路建設有限公司，廣州 510623)

0 引言

隨著我國公路橋梁建設的快速發(fā)展，已進入建養(yǎng)并重的時期。在大橋建成后的運營期，應摒棄傳統(tǒng)的碎片化、人工化、籠統(tǒng)化和低信息化的管養(yǎng)模式，充分利用建設期形成的BIM應用成果和相關(guān)數(shù)據(jù)成果，采用大數(shù)據(jù)分析和智能監(jiān)測技術(shù)手段，實現(xiàn)橋梁建養(yǎng)一體化和全壽命周期數(shù)字化、智慧化管養(yǎng)，建立綜合的橋梁智慧管養(yǎng)一體化平臺，打通建設期與運營期數(shù)據(jù)共享和有效傳遞，形成全壽命的管理數(shù)據(jù)和決策支持數(shù)據(jù)載體，實現(xiàn)橋梁養(yǎng)護和運營的一體化、標準化、可視化和可溯源化。

1 特大橋梁養(yǎng)護系統(tǒng)平臺現(xiàn)狀

近三十多年來國內(nèi)外橋梁管理信息系統(tǒng)的相繼建立，大大促進了橋梁管理信息系統(tǒng)的研究和開發(fā)。傳統(tǒng)的橋梁管理信息系統(tǒng)總體可分為兩個階段[1]：第一階段是橋梁數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于存儲橋梁各種檢測或監(jiān)測的數(shù)據(jù)，提供查詢、檢索等基本服務；第二階段是在第一階段的基礎上，增加了橋梁技術(shù)狀況評價、中長期養(yǎng)護計劃需求預測、養(yǎng)護加固維修計劃決策等功能。傳統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護信息系統(tǒng)，主要以橋梁結(jié)構(gòu)各傳感單元構(gòu)成的健康監(jiān)測系統(tǒng)和養(yǎng)護巡查日常管理、評估決策等子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)相對獨立，建設期的數(shù)據(jù)與運營期的數(shù)據(jù)不能有效關(guān)聯(lián)，評價決策系統(tǒng)往往針對性不強，已不適應橋梁建設和養(yǎng)護高質(zhì)量發(fā)展的需要。

目前，橋梁管理信息系統(tǒng)已進入第三階段，即智慧建管養(yǎng)一體化階段，主要是綜合運用管理學理論及信息化技術(shù)，具備靜動態(tài)數(shù)據(jù)管理、三維數(shù)字平臺管理、病害處治對策、維修方案、數(shù)據(jù)分析等綜合管理功能。配合用于現(xiàn)場采集結(jié)構(gòu)檢查數(shù)據(jù)的巡檢系統(tǒng)，探索計算機橋梁仿真虛擬可視化技術(shù)，實現(xiàn)基于三維 3D 橋梁模型的病害及維修檔案的記錄及管理，強調(diào)運營期橋梁各類事件的“可追溯性”和“定位性”，建立橋梁病害信息庫，提高橋梁養(yǎng)護技術(shù)和相應的診斷水平、適宜的維修、加固設計和施工決策，從而提前做好科學預防性養(yǎng)護，降低全壽命周期成本，保障橋梁長期安全運行，延長橋梁使用壽命。

2 BIM智慧建管養(yǎng)一體化平臺技術(shù)體系

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 BIM+養(yǎng)護管理/資產(chǎn)管理(FM)

智慧建管養(yǎng)一體化平臺通過BIM技術(shù)將橋梁基礎設施全要素數(shù)字化，對物理空間的實際資產(chǎn)在虛擬空間中進行可視化管理。通過不斷積累檢測、養(yǎng)護和維修數(shù)據(jù)，對歷史檢修數(shù)據(jù)進行分析和預測，觀察總結(jié)重要部件的性能劣化規(guī)律和易損部件的損壞維修規(guī)律，提前保養(yǎng)，降低全壽命周期成本。結(jié)合橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，將監(jiān)測系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)與結(jié)果納入，根據(jù)養(yǎng)護檢查結(jié)果，實現(xiàn)對橋梁運行狀態(tài)的綜合評定；結(jié)合應急風險評估、突發(fā)事件接報等，實現(xiàn)對橋梁應急狀態(tài)的預報。

2.1.2 BIM+物聯(lián)網(wǎng)(IOT)

智慧建管養(yǎng)一體化平臺發(fā)揮上層信息集成、交互、展示和管理的作用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IOT)承擔底層信息感知、采集、傳遞、監(jiān)控的功能，主要用于施工期預制構(gòu)件的物流管理、數(shù)字化施工、施工監(jiān)控、健康監(jiān)測等。

2.1.3 BIM+智慧云聯(lián)網(wǎng)(SCN)

構(gòu)建智慧高速云平臺的架構(gòu)，研究智慧高速云平臺的設備管理、數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的方案。通過WEB端數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合事件管理、交通監(jiān)控、視頻管理、設備設施管理、應急管理、交接班管理、綜合數(shù)據(jù)展示、系統(tǒng)管理等橋梁運營管理子系統(tǒng)，集成收費業(yè)務數(shù)據(jù)、機電養(yǎng)護管理、路政管理、防雷智能監(jiān)測系統(tǒng)、拯救管理、BIM養(yǎng)護平臺等系統(tǒng)，實現(xiàn)橋梁全過程、全生命周期智慧運營和管養(yǎng)。

2.1.4 BIM+平臺支撐層

平臺支撐層主要包括計算與交換云平臺、集成工具和集成系統(tǒng)，主要遵循SOA體系結(jié)構(gòu)，解決在網(wǎng)絡環(huán)境下的業(yè)務集成。

2.2 主要功能

運營集成管理平臺是服務于大橋運營期養(yǎng)護、安全等管理的綜合性平臺，主要實現(xiàn)路產(chǎn)養(yǎng)護管理、養(yǎng)護評價與決策、養(yǎng)護工程管理、應急安全管理等功能。同時，大橋在建設期建立了運營健康監(jiān)測系統(tǒng)，綜合平臺應將監(jiān)測系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)與結(jié)果納入，根據(jù)養(yǎng)護檢查結(jié)果，實現(xiàn)對橋梁運行狀態(tài)的綜合評定；結(jié)合應急風險評估、突發(fā)事件接報等，實現(xiàn)對橋梁應急狀態(tài)的預報。此外，平臺還可對基礎信息、BIM模型、數(shù)據(jù)接口等進行管理與配置，對文檔與數(shù)據(jù)進行管理與協(xié)同。

(1)基礎管理：對平臺用戶進行管理與權(quán)限設置，自動形成系統(tǒng)日志，構(gòu)建數(shù)據(jù)字典，進行系統(tǒng)參數(shù)設置。

(2)模型管理：實現(xiàn)對BIM模型編碼、模型變更、信息掛接、版本信息等進行管理。

(3)接口管理：實現(xiàn)對機電設備、安全監(jiān)控、健康監(jiān)測、智能終端、辦公OA等接口的管理和配置。

(4)路產(chǎn)養(yǎng)護管理：實現(xiàn)日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查、特殊檢查等規(guī)范規(guī)定的巡查、檢查功能，對檢查路線進行自動規(guī)劃，對檢查發(fā)現(xiàn)的病害進行動態(tài)跟蹤。

(5)養(yǎng)護評價與決策：根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》(JTG H11-2004)和《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》(JTG H21-2011)進行養(yǎng)護評定，并結(jié)合橋梁健康監(jiān)測結(jié)果進行綜合評估。對評價結(jié)果進行跟蹤，根據(jù)養(yǎng)護評價結(jié)果提出合理的養(yǎng)護決策建議。

(6)養(yǎng)護工程管理：能夠輔助養(yǎng)護方案的制定，并進行養(yǎng)護任務的編制分配。對大中修工程的招投標和實施過程進行規(guī)范化管理，對大中修工程的實施效果進行驗收與質(zhì)量跟蹤，管理養(yǎng)護工程檔案。

(7)應急安全管理：實現(xiàn)風險的動態(tài)評估，對突發(fā)事件和監(jiān)測預警的接報。進行災害特性分析與預警預報，對災害自動分類分級。構(gòu)建智能應急預案庫并實現(xiàn)智能應急處置，對應急資源和應急演練進行管理。

(8)監(jiān)測系統(tǒng)管理：結(jié)合橋梁巡查，實現(xiàn)對監(jiān)測設備的巡查以及設備狀態(tài)的管理。通過平臺模型查詢監(jiān)測信息，收報監(jiān)測系統(tǒng)的預警信息，管理健康監(jiān)測的專業(yè)評估報告。

(9)文檔協(xié)同管理：實現(xiàn)對基礎文檔、建設期文檔、運營期文檔的管理。對養(yǎng)護任務進行網(wǎng)上簽報審批，對養(yǎng)護計劃編制的監(jiān)控和養(yǎng)護任務發(fā)布的追蹤。

(10)數(shù)據(jù)協(xié)同管理：實現(xiàn)對基礎數(shù)據(jù)、建設期數(shù)據(jù)、養(yǎng)護數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的管理。建立橋梁病害庫，對各類信息進行統(tǒng)計與查詢。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

從橋梁安全運營的角度考慮，主要是摒棄傳統(tǒng)的碎片化、人工化和粗放式的管理模式，形成全壽命的管理數(shù)據(jù)和決策支持數(shù)據(jù)載體，實現(xiàn)橋梁養(yǎng)護工作的整體化、標準化、可視化和可溯源化，并能和橋梁運營監(jiān)控一體化管理平臺交換環(huán)境信息數(shù)據(jù)，特別是車流量、荷載、氣象、視頻圖像等。

圖1全壽命周期BIM智慧建管養(yǎng)一體化平臺架構(gòu)

3 工程應用

虎門二橋(南沙大橋)是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中連接廣州和東莞的重要東西向通道，路線起于廣州市南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)，終點與廣深沿江高速公路相接，全長 12.886km。全線共設置跨江大橋兩座，分別是坭洲水道橋(主跨1 688m雙塔雙跨懸索橋)、大沙水道橋(主跨1 200m雙塔單跨懸索橋)[2]。南沙大橋基于特大型橋梁“精細化、專業(yè)化、信息化、標準化”的養(yǎng)護理念，在大橋主體建設的同時，同步建成集“監(jiān)測、巡檢、管理、養(yǎng)護”于一體的建管養(yǎng)一體化平臺。

3.1 南沙大橋BIM智慧建管養(yǎng)一體化子系統(tǒng)功能需求設計

集成管理平臺主要實現(xiàn)養(yǎng)護管理、應急安全管理和智慧云聯(lián)網(wǎng)等功能，養(yǎng)護管理又包括養(yǎng)護檢查、養(yǎng)護評定等。各功能數(shù)據(jù)需求與來源：

(1)養(yǎng)護檢查：數(shù)據(jù)主要來源于養(yǎng)護巡查和定期檢查錄入的數(shù)據(jù)。

(2)養(yǎng)護評定：按規(guī)范評定所需的數(shù)據(jù)，主要來源于養(yǎng)護巡查和定期檢查錄入的數(shù)據(jù)。綜合評定所需數(shù)據(jù)除養(yǎng)護巡查和定期檢查錄入的數(shù)據(jù)外，還需綜合橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的重要參數(shù)數(shù)據(jù)。進行養(yǎng)護評定和決策建議時，還需參考建設期結(jié)構(gòu)的質(zhì)檢數(shù)據(jù)和施工監(jiān)控數(shù)據(jù)。

(3)應急安全管理：數(shù)據(jù)主要來源于事件接報、健康監(jiān)測、視頻監(jiān)控等。

平臺以BIM為核心，改變傳統(tǒng)橋梁運營管理的溝通方式，所有的溝通、協(xié)同、數(shù)據(jù)交換等均通過BIM集成平臺進行，實現(xiàn)橋梁運營管理信息的交互共享，加快信息流的速率，提高決策效率，實現(xiàn)扁平化管理。為提高橋梁管養(yǎng)工作效率，實現(xiàn)統(tǒng)一平臺管理，用戶界面子系統(tǒng)除具備橋梁運營安全監(jiān)測及電子化人工巡檢結(jié)果的管理外，還預留了標準數(shù)據(jù)接口及界面，便于后期將橋梁檢查檢測、橋梁綜合評估、橋梁養(yǎng)護維修等納入同一平臺管理，實現(xiàn)自動化監(jiān)測與橋梁檢測評估的有效結(jié)合，真正實現(xiàn)橋梁全覆蓋全壽命管養(yǎng)，保證橋梁結(jié)構(gòu)與行車安全，延長橋梁使用壽命。

圖2平臺子系統(tǒng)功能劃分與接口

3.2 橋梁養(yǎng)護評價與決策核心子系統(tǒng)

對接健康監(jiān)測系統(tǒng)中的巡檢養(yǎng)護技術(shù)狀況評估數(shù)據(jù)，依據(jù)橋梁技術(shù)狀況評價(2011)標準，由定檢單位錄入相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合橋梁健康監(jiān)測結(jié)果、養(yǎng)護檢查結(jié)果對橋梁狀態(tài)進行綜合評估(圖3)。對各評價結(jié)果進行跟蹤管理，制定南沙大橋養(yǎng)護決策支持庫，主要包括病害庫及維修庫，并根據(jù)養(yǎng)護評價結(jié)果提出合理的養(yǎng)護決策建議。細化大橋典型的鋼箱梁段、吊索、主纜等模型，實現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件的可視化直觀展示，以便于對病害進行持續(xù)跟蹤觀測(圖4)。同時，使用VR視頻數(shù)字孿生技術(shù)，將監(jiān)控實景復合至BIM模型，實時讀取全景視頻，準確地展示橋梁實時整體狀況(圖5)。

圖3橋梁養(yǎng)護評價與決策核心子系統(tǒng)

圖4 橋梁各關(guān)鍵構(gòu)件全生命周期可視化BIM模型

圖5基于視頻數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁全景展示

4 結(jié)語

根據(jù)交通強國建設綱要“強化交通基礎設施養(yǎng)護，加強基礎設施運行監(jiān)測檢測，提高養(yǎng)護專業(yè)化、信息化水平，增強設施耐久性和可靠性”，在大橋主體建設時同步開展智慧建管養(yǎng)一體化平臺的建設，利用BIM等信息化、數(shù)字化技術(shù)手段，實現(xiàn)橋梁全生命周期數(shù)字化智慧建管養(yǎng)，實現(xiàn)建設期質(zhì)量、進度、施工監(jiān)控、安全等數(shù)據(jù)和運營期健康監(jiān)測、養(yǎng)護、運營等全過程數(shù)據(jù)的深度融合和關(guān)聯(lián)。

同時，特大懸索橋應充分考慮其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特點及約束支撐體系，實時監(jiān)測橋梁在自然環(huán)境、交通荷載等因素作用下的代表性、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件響應，對大橋運營環(huán)境及關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)響應進行監(jiān)測并實現(xiàn)安全預警。結(jié)合自動化監(jiān)測與檢測的結(jié)果，對橋梁技術(shù)狀況、宏觀受力、耐久性、承載力等進行綜合評估，為大橋的管養(yǎng)決策提供科學依據(jù)及建議，實現(xiàn)主動管養(yǎng)。制定預防性、 高效、經(jīng)濟、合理的養(yǎng)護措施，科學延長橋梁的安全使用壽命[3]。