如何讓BIM在橋梁全生命周期充分發揮作用

文 中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司 吳宏波

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡稱“BIM”）技術作為信息技術的代表之一，近年來在公路建設和養護中開始受到廣泛重視并得到大量應用。與建筑、市政、鐵路等領域相比，公路領域開展BIM研究和應用較晚，但發展勢頭迅猛。以中國交通建設集團為例，2014年，集團就針對BIM開展特大科研項目立項，并組織集團重點企業進行技術攻關。幾年來，BIM技術在項目上的應用，已經從最初重點集中于規劃設計階段的方案展示、碰撞檢查、三維模型制作，逐步發展到正向設計，施工進度、質量和成本管理，再到運維階段的建養一體化管養平臺搭建，逐步展示出通過BIM技術手段在橋梁工程全生命周期實現信息傳遞、共享、使用所帶來的巨大效益。

方案設計階段

橋梁設計的第一步是方案設計，重點確定橋型選擇、跨徑布置、主要結構方案及尺寸、施工方案、工程經濟指標等。這一階段對BIM的研究和應用，重點在地形模型、地質模型、橋梁方案的結構模型等方面。對此，長大橋國家中心和公規院開展了智能設計研究，不同于傳統橋梁設計軟件以力學計算分析為中心，智能設計以機器學習為核心，針對橋梁的安全、經濟性、工期等多目標開展優化研究，并有針對性地設定評價指標，利用機器學習既有成功設計案例的特征點，實現由計算機提出針對目標建設條件的合理橋梁方案。

地形模型

目前，獲取地形模型所需圖像信息的方式主要有衛星圖片、航拍、無人機拍攝、激光掃描等幾種。衛星圖片是最容易獲取的信息，但受限于圖片精度，無法達到工程要求。航拍、無人機拍照、激光掃描在精度上都可以達到工程要求。實際應用表明，對于如基坑開挖防護等小范圍地形抽模，旋翼式小型無人機即可勝任，但是如果對高速公路等大范圍地形進行建模工作，使用大型固定翼無人機才是更好的選擇。

地質模型

公規院團隊開發了高精度三維地質模型軟件，采用高精度的三維空間數據結構，可以實現無需人工交互的智能化三維地形地質一體化融合重構，同時采用后臺云計算快速建模，可以實現實時動態更新。

利用地質模型，長大橋國家中心開發了樁基正向設計系統，實現了樁長自動計算，大大提高了設計效率。

橋梁方案模型

通過將工程模型與場地模型相結合，可以在投標和方案研究階直觀方便地選擇和優化工程方案。圖1-1、1-2是新疆龍口一號大橋剛構橋方案和拱橋方案的比較模型圖。

圖1-1.剛構橋方案

圖1-2.拱橋方案

橋梁方案智能設計

目前，長大橋國家中心正在開展橋梁方案智能設計研究。以圖2為例，通過建立橋梁數據知識庫，利用機器學習既有成功設計案例的特征點，實現由計算機代替工程師提出針對目標建設條件的合理橋梁方案，并根據目標權重對方案進行打分，幫助設計者選擇方案。這種方式可以充分融入眾多優秀設計師的先進思想，避免由于個體認識不足造成的方案缺陷。

橋梁方案VR展示

工程的總體方案可以采用虛擬現實（VR）技術展示，以直觀感受設計方案的真實效果。公規院負責設計的大連灣跨海大橋，對比了多種傾斜角度（0度、5度、7度）的橋塔方案，直觀地展示了各種傾斜角度的橋塔在車行和船行兩個視角下的視覺效果，幫助業主確定最終方案。

圖2.橋梁方案智能設計技術路線

施工圖設計階段

在橋梁施工圖設計階段，重點完成具體結構方案、結構優化設計、構造優化、配筋設計、施工工藝選擇等工作。這一階段對BIM的研究和應用，重點在BIM正向設計、碰撞檢查、設計分析一體化、正向二維出圖等方面。總體而言，這一階段的智能深化設計尚處在探索研究階段。

BIM正向設計

BIM正向設計是目前的趨勢。首先是參數化建模，通過建立土木工程結構的標準構件庫（如箱梁、橋塔、墩身、基礎等），可實現快速參數化建模。同時，符合規則的標準化建模方式是實現下文所述設計計算一體化的關鍵。由此看來，標準構件庫（族庫）隨著工程實例的增加而不斷完善，最終將成為一家單位的核心競爭力。

碰撞檢查

碰撞檢查是BIM技術的一個突出優勢。碰撞主要分幾何碰撞和時間流程碰撞兩類，在設計階段主要針對的是幾何碰撞。對于橋梁設計而言，主要是結構的碰撞、鋼筋及預應力筋的碰撞，以及機電管線的碰撞。采用BIM技術進行正向設計，碰撞檢查可以有效地發現設計中的問題，大大提高設計質量。

設計分析一體化

設計團隊通常希望通過一個模型同時完成設計和總體計算工作。但由于橋梁BIM模型是實體模型，而總體計算模型是桿、梁、索單元的簡化模型，需要將實體模型抽象成簡化單元，并進行多方面的簡化考慮。公規院基于自主研發的三維非線性計算分析軟件OSIS，編制了一套可參數化的命令流語言，通過修改參數來驅動橋梁模型，實現有限元模型的快速修改，以此參數化的命令流為核心，完成BIM建模軟件與分析軟件的互通。通過參數化建模軟件Dynamo提供的Python語言，將參數化腳本文件自動生成OSIS軟件能夠識別的命令流，從而根據BIM模型在分析軟件OSIS中生成節點、截面，并添加邊界條件，自動建立有限元模型，用于結構總體計算。當對BIM模型進行修改時，有限元模型也會自動修正，實現了BIM參數化建模與有限元總體計算的統一。

面對整個正向設計的全過程，公規院正在研究建立以數據為中心的橋梁全過程數據流轉智能設計體系，從而對設計質量、設計效率進行有效管理。

圖3.以數據為中心的橋梁全過程數據流轉智能設計體系

正向二維出圖

由于長期以來形成的習慣，工程師們還是離不開二維圖紙，利用三維BIM模型，在符合一般制圖規定的前提下快速批量生成二維圖紙，是亟需提升的關鍵技術之一。通過對BIM軟件的二次開發，筆者團隊目前已基本解決了二維出圖問題。

施工階段

設計階段生成的BIM模型與施工階段無縫銜接是應用BIM技術的一個重要目標。施工階段對BIM的研究和應用，重點在利用模型指導預制構件的生產、施工工藝的檢驗，并管理施工進度、質量、成本。同時，根據施工的實際情況，也可以反過來修正設計BIM模型，最終形成用于數字化交付的施工模型。

鋼構件預制和拼裝

公規院主持設計的港珠澳大橋采用橋—島—隧形式，其中沉管隧道最終接頭的設計和施工是大橋建設中的一個關鍵問題。為保證最終接頭的加工精度，團隊攜手設備制造企業實現了BIM模型在設計和預制環節的無縫銜接。將BIM模型導入數控機床，采用自主研發軟件自動進行工藝余量添加，通過半自動套料排版，數控機床自動化下料切割，之后再進行鋼構件拼裝。這一技術顯著提高了新型整體預制安裝式鋼結構的生產效率和精確度，縮短了設計和施工整體工期，保障了沉管隧道最終成功沉放對接。

施工協同管理平臺

在施工階段應用BIM技術的關鍵是展示完整施工過程的BIM模型和相應的施工管理平臺，確保可進行工程結構的虛擬施工模擬、圖紙及模型管理、材料管理、施工進度管理、施工質量管理、數字孿生等。通過虛擬施工模擬，在實際施工前就能了解整個項目施工的過程、結果及對應的工程量，為實際工程項目施工提供經驗和最優可行方案。將BIM模型附加施工進度計劃屬性參數，形成4D模型，可直觀展現計劃建造過程，并通過手機、iPad等終端溝通施工方、監理方和管理者，通過反饋的實際施工信息，分析其與進度計劃的偏差，合理糾偏并調整進度計劃，使管理者對工程量及進度一目了然。

施工監控

長大橋國家中心在內蒙古昭君黃河大橋的施工中，結合施工協同管理平臺，實現了施工監控，主要功能包括數據采集、在線分析評估信息、實時安全預警及決策等，達到了較好效果。

圖4.BIM+IOT+施工監控（昭君黃河大橋）

智慧工地

目前的智慧工地，主要根據施工建造場景，按照人員安全管理、設備安全管理、結構生長識別等內容，通過多目標、多角度、多環境、多距離的圖像采集，建立人員、設備、結構圖像數據庫，通過研究圖像智能化采集、標注、去重、清洗和入庫算法，形成橋梁建造圖像庫，利用圖像庫完成圖像分析、預警、應對，實現智慧化的工地管理。

運維階段

運維階段也是BIM技術應用的重點，橋梁運維階段占橋梁全生命周期的大部分時間，面臨著大量監測檢測信息處理任務，同時要實現針對危險及時預警和提出針對災害的防治決策。因此，建立一個功能完善的建養一體化BIM管理系統是非常重要的，這也是BIM技術和智能技術發揮作用的重要戰場。

智能監測和數字化巡檢

目前，監測技術和監測設備的智能化是研究熱點，在傳統監測方式的基礎上，智能傳感設備及組網、非接觸式監測等技術都進一步提升了監測工作的智能化水平。面對大量監測數據，數據挖掘、監測數據預測與異常識別技術也在不斷完善，有效提高了應急預警和反饋的效率。作為信息的載體、決策的指揮中心、行動的協調中心，建養一體化BIM管理平臺承擔著重要職責。

除長期的監測外，定期檢測同樣對橋梁損傷的發生和發展、結構性能評估預測起著重要作用。對于約束關鍵裝置、主要受力構件等關鍵部位，采用基于視頻增強的智能無損檢測等技術，融合機器學習、計算機視覺等新技術，再結合健康監測系統、室內試驗等方法和手段，能夠更好地保障大橋的安全和運營。

圖5.智能監測體系（智能傳感設備及組網、非接觸式監測）

橋梁建養一體化云平臺

目前，長大橋國家中心在位于河北固安的研發基地建立了基于BIM的橋梁建養一體化云平臺，硬件設備主要來自監控大廳和橋梁云數據中心，軟件系統則由橋梁運維BIM模型、橋梁實時感知系統和遠程傳輸系統、數字化巡檢系統、橋梁評估及預警決策系統組成。

抗災及總體服役性能評估預警

在橋梁運維BIM模型上分析智能監測和數字化巡檢得到的運維信息，可進行橋梁抗災及總體服役性能評估預警，從而實現對數據采集、養護計劃、巡查檢查、養護檢測評定、日常養護、養護工程等養護業務全過程的信息化、智能化管理。關鍵技術包括橋梁運維多源數據標準及融合技術、關鍵結構差異性病害計算機深度學習智能識別算法及特征提取技術、結構重要性評價技術、關鍵構件及結構體系服役狀況評估技術、養護及性能提升關鍵技術等。

近年來，數字孿生與智能建造是兩個熱門話題。筆者認為，智能建造建立在高度信息化、工業化、智能化的基礎上，而BIM模型是智能建造的基礎，也是將數字孿生技術應用在智能建造中的基礎。

數字孿生技術，即指某種物理產品在數字化空間中的虛擬映射。事實上，公路行業所希望實現的BIM在橋梁全生命周期中的應用，本質上就是數字孿生技術的應用。只是目前限于建設管理模式和軟件技術水平，離真正的數字孿生尚有較大差距。

總的來看，將BIM技術與設計分析計算、施工控制、運營安全分析評估預警等需要大量分析計算能力的工作進行有效融合，是現階段的主要發展方向。基于BIM技術向數字孿生、智能建造逐步發展，是行業未來的主要研究方向。筆者團隊目前開發的橋梁建養一體化平臺，功能還不完善，如施工控制、智能評估預警、應急處置等功能尚有待改進，相信通過下一步持續不斷的研究加以針對性改善，將最終形成企業的核心競爭力，并進一步推動行業技術進步。