BIM與云、物聯網技術在橋梁全生命周期中的研究及應用

王慶賀,劉瑞鑫,孫立曄,楊永琛

(沈陽建筑大學土木工程學院,沈陽 110168)

1 概述

隨著大數據、云計算、物聯網等新興互聯網技術的廣泛應用，新一輪的數字化變革已經展開。為應對即將到來的挑戰，我國在《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》中明確提出要在“十三五”時期全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM與大數據、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力[1]；“十九大”報告中也指出，要“推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”[2]。將這些新興互聯網技術與BIM技術相結合，是時代發展的趨勢。

在此背景下，學者們進行了系列理論與應用研究，張云翼等[3]通過文獻調研，指出我國新興互聯網技術與BIM的融合應用尚處于初級階段，缺乏理論指導，工程應用也面臨挑戰；韓冬辰等[4]聚焦于現有BIM體系的建成信息缺位而導致的“信息-物理”不交互，進行了建筑數字孿生體的理論框架和建成信息部分的理想化建構；王成龍等[5]提出可從任意角度對BIM云平臺中三維模型進行剖切的分割算法，可以解決BIM云平臺中三維模型剖切面信息獲取的難題；張貴忠[6]通過對基于互聯網搭建的橋梁現場感知體系的研究，解決BIM模型的輕量化問題，實現了管理手段和項目管控方式的創新；謝琳琳等[7]基于BIM+數字孿生技術管理平臺的研究，實現了物理施工系統與虛擬施工系統之間的實時交互；劉天成等[8-9]通過探索基于BIM平臺的橋梁結構健康監測信息融合技術，實現了BIM平臺對橋梁結構健康監測信息的實時獲取、分析和智能預警決策。上述研究可以發現，目前研究多以單點應用研究為主，基本集中于橋梁的施工或運維階段，缺乏全生命周期中多項技術集成應用研究。

基于此，開展橋梁全生命周期多項技術集成應用研究，綜合應用云計算、物聯網與BIM技術，構建適用于橋梁全生命周期的BIM信息管理平臺，解決項目全生命周期的信息孤島問題，改善工程數據的積累、存儲、管理及應用狀況，提高全生命周期內各參與方的協同管理能力，實現全方位三維可視化管控和精細化管理，為新興信息技術與BIM技術集成應用的相關研究提供參考。

2 BIM信息管理平臺研發

2.1 平臺建設思路

以工程三維模型為載體，打造基于BIM技術的工程項目管控系統，形成以質量控制、進度控制為目標，信息管理、安全管理、運維管理為手段，貫穿規劃設計、施工、運維管養各階段，統一模型、統一標準、統一應用的信息系統[10]；利用云計算、物聯網技術，實時采集并存儲施工及運維管養過程中的大規模數據，形成虛實結合的項目管控系統；建立以可視化模型為載體，以過程控制原始資料為基礎的文檔控制管理體系。

2.2 平臺架構

基于上述建設思路，構建BIM信息管理平臺，平臺整體搭建是基于基礎數據層之上，基礎數據層作為包含項目整體建設信息的數據庫，主要由數據接入系統、數據分析系統、數據共享系統、分布式計算引擎等部分構成，內部數據處理采用Hadoop數據處理框架[11]。而數據接入系統還通過攝像頭、各類傳感器、計量表、I/O模塊等設施設備進行部分信息采集[12]。業務層主要由6個項目管理模塊構成，分別是進度管理模塊、安全管理模塊、質量管理模塊、運維管理模塊、現場管理模塊和文檔管理模塊。平臺訪問層共分為4個，分別是瀏覽器、移動端、客戶端、移動APP，平臺總體架構如圖1所示。

2.3 平臺實現

BIM信息管理平臺圍繞工程管理需求進行模塊劃分，下文從進度管理、安全管理、質量管理、運維管理、圖紙文檔管理、現場管理6個模塊進行評述。

圖1 BIM信息管理平臺總體架構

進度管理模塊包含施工計劃、實際進度和進度分析等子系統。“施工計劃”子系統直觀地展現了各施工工序之間穿插關系與持續時間，將進度計劃導入“施工總進度計劃”子系統，自動將計劃按年、月、周進行分配、并按規定準時發送給責任人，使得各環節都有據可依；在工作人員將收集的進度信息導入“實際進度”子系統后，自動進行進度分析并生成報表，為進度管理提供依據。

安全管理模塊包含視頻監控、安全檢查、安全風險預警等子系統。“視頻監控”子系統連接施工場地的攝像頭，可以及時記錄并反映安全管理中的重大危險源；“安全檢查”子系統是對場地安全隱患的整改記錄；“安全風險預警”子系統在施工前一周將三級以上風險以短信形式發送給相關人員，提醒其做好安全防范措施，直至施工安全員上傳現場照片進行消警閉環。

質量管理模塊包含檢驗批質量、試驗檢測等子系統。“檢驗批質量”子系統是對施工質量信息的匯總，“試驗檢測”子系統是對各項材料的合格證、質保書、原廠檢測報告等信息的匯總，并都與構件部位進行關聯[13]，以備監理方檢查。

運維管理模塊包含監測預警、巡檢管養、工單管理、應急管理等子系統。“監測預警”子系統通過傳感器和監控等設備，將實時監測數據與模型進行關聯，加強對運維期工程的把控；“巡檢管養”子系統分別向巡檢人員、養護人員、維修人員發送相關任務，各部門人員通過移動APP上傳實景照片進行閉環；“工單管理”子系統匯總日常清潔、養護及故障維修工單等信息；“應急管理”子系統是對火災、交通等緊急事件情況的記錄，并總結事故發生規律，以便制定規范化的事故處置方案。

圖紙管理模塊包含了項目全生命周期內所有的施工圖紙；文檔管理模塊包含了合同、日志、報告、政策法規在內的所有數據資料。

現場管理模塊包含項目圈、人員進退場管理、機械進退場管理等子系統。“項目圈”子系統反映了項目全壽命期內所有的安全、質量問題，并附帶整改閉環記錄。

2.4 平臺優勢

在建設實體工程的同時，構建數字孿生工程，實現全過程管理信息的實時、可視掌控，構建統一數據中心，提供統一數據訪問服務，提供低耦合的微應用場景服務，具有顯著優勢。

數據管理方面，平臺不僅解決傳統意義上數據交流困難、信息量龐大、信息安全難以保證等問題，具有良好的安全性、兼容性和處理能力；更憑借其強大的運算能力和存儲能力，使得無論何地登錄平臺，均可按類按時按需進行上傳、查閱與工程項目相關的數據信息。此外，平臺還能通過數據積累，分析已有案例，為今后事故預防提供借鑒。

協同管理方面，平臺可以解決傳統紙質方式交流的“信息孤島”問題，打通不同參與方、不同階段、不同專業之間的分散特性，將分散的各參與方從時間和空間上聯系起來[14]。各參與方共享同一套工程信息數據，可根據權限隨時查看實時問題，切實幫助項目提高管理效率和管理質量。

安全管理方面，平臺可以克服傳統安全管理中主觀性大、時效性低等弊端，在科學性、準確性、及時性等方面進行改善。通過運用物聯網技術，在實時監測的基礎上進行管理，以“事前防控危險源，實時監控安全隱患”的方式，可有效降低安全事故發生的概率。

3 BIM管理平臺的應用研究

3.1 工程概況

基于某大跨度鋼管混凝土系桿拱橋進行平臺可行性驗證。鋼管混凝土系桿拱橋平臺首頁如圖2所示，該系桿拱橋跨度為72 m，矢跨比為1/5，在1號墩與2號墩間跨越某高速公路。系桿拱橋設計采用預應力混凝土系梁、鋼管混凝土拱，基礎使用摩擦型鉆孔灌注樁，1號墩使用φ1.25 m樁基礎，設計樁長50 m，呈矩形布置；2號墩采用φ1.5 m樁基礎，設計樁長50 m，呈梅花形布置。1號墩承臺尺寸為20 m×9 m×2.5 m，2號墩承臺尺寸為19.4 m×10 m×3 m。

3.2 設計階段

在設計階段，使用BIM信息管理平臺構建三維可視化模型，能夠更直觀反映設計圖與周圍環境的空間關系，便于設計方案確定；通過應用碰撞分析、有限元分析等軟件進行深化設計，提高設計效率和質量，避免后續階段不必要的設計變更。

3.2.1 模型建立

結合各種形式的橋梁設計標準，針對橋梁設計方案，采用Revit軟件將橋梁的3個主要組成部分：上部結構、下部結構和附屬結構進行拆分，并進行參數化建模[15]。將模型及其信息導入BIM管理平臺，實現設計方案模型的可視化參數驅動，模型如圖2所示。

圖2 某大跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋平臺

3.2.2 碰撞分析

將橋梁模型導入Navisworks軟件進行碰撞分析，從多方位、多接口、多角度進行觀察，并將分析結果上傳數據共享中心，完成平臺對設計方案可視化驗證。本次分析發現2處不合理的地方，具體而言，鋼欄桿與拱腳發生碰撞，鋼欄桿圖紙數量為78、實際只能擺放62件，如圖3所示；1號臨時墩與基礎錯位，按照方案圖紙建立模型發現位置無法正好坐落在基礎上，如圖4所示。

圖3 鋼欄桿與拱腳發生碰撞

圖4 臨時墩與基礎錯位

3.2.3 有限元分析

采用MIDAS Civil對橋梁進行分析，如圖5所示，并以TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》和TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》為標準，按A類預應力混凝土結構進行驗算。分析得到，采用預設的施工方案時，施工過程以及成橋階段系桿拱橋各主要構件的受力均能滿足設計相關要求，該方案是合理可行的。與此同時，將有限元關鍵性結果輸入平臺，作為施工與運營過程中的控制性指標。

圖5 MIDAS力學分析模型

3.3 施工階段

BIM平臺解決信息孤島問題，使得各參與方可以進行跨階段信息協同交流。因此，設計階段BIM模型在深化后，可在施工階段繼續使用。基于BIM平臺對全線橋梁構件進行快速、有序的EBS編碼，確保構件編碼的惟一性，將之作為承載橋梁相關信息的身份標識；建立BIM模型與實體EBS的聯系，完成對所有信息的統一管理[16]。

3.3.1 進度管理

根據工序報工數據，系統會自動生成實際工程進度并與計劃進度進行比較，滯后部位以不同顏色顯示并生成報表，如圖6所示。系統自動分析滯后的原因，報表格式是定制化的，但隨著工程項目增多，不停迭代，系統自動分析的原因也會越來越準確。

平臺實現對施工整體進度的可視化把控，選中關聯的構件模型，可查詢構件的基本信息：計劃起止時間、實際起止時間及完成狀態等。同時，系統會根據未來的工程數量和任務，自動生成材料分析明細表、材料分配及使用狀況表等，供管理人員隨時調取，以保證資源的合理調配，實現精細化管理。

3.3.2 質量管理

質量管理以工序管理為核心，以平臺標準庫內的規范作為控制標準。平臺系統采用標準化管理方式，利用二維碼、移動互聯網等技術，實時采集工序控制點和施工過程中的海量數據，并自動比對實際數據和BIM模型，記錄構件整體的大小和扭轉等誤差信息，給出誤差較大的位置和數值[17]。若誤差超出允許值，平臺質量預警會自動觸發，同時施工標段安全員與項目經理會收到信息提醒，直至問題整改完成，所上傳信息與模型數據相匹配，預警模式才會消除，實現基于模型可視化的質量安全閉環管理。

圖6 進度統計評估

同時，制定嚴格的審批責任機制，保證項目有序、高效推進，避免大規模返工現象的發生。項目審批限制時間，在規定時間內沒有審批完成，將依此對相關人員進行懲處，追究其責任。

3.3.3 安全管理

通過安全風險預警、安全檢查等手段，提高施工現場安全管理水平和安全管理的效率，實現對現場的有力掌控[18]。現場安全設施日常巡查。對于現場安全設施，施工安全員每日巡查拍照，監理拍照復核，平臺自動提取拍照的時間、地點、拍照終端，確保信息真實，確保安全設施處于可控、在控狀態。

人工智能技術輔助管理。通過人工智能手段，智能識別是否佩戴安全帽安全帶，并即時提醒；配置電子圍欄，人員進入安全隱患區域，會發出現場鳴笛、安全帽震動等警告，并有安全人員實時通訊指導走出危險區域；電子地圖實時展現人員、車輛信息及歷史軌跡，實現人員車輛實時動態監控，人工智能輔助管理如圖7所示。

圖7 人工智能輔助管理

3.3.4 資源管理

在物資管理方面，平臺不僅會自動計算WBS節點的日、周、月各項施工資源計劃用量，合理安排人員、材料、設備的調度[19-20]；還可以根據施工過程中其他信息的改變動態調整資源使用計劃。而憑借移動APP和設備掃碼等設備，對物資進場、出庫、檢驗等全過程實現信息化管理，并在平臺中對每個構件物資設計用量、實際工程用量等進行三維可視化對比分析。在機械管理管理方面，對施工場地的機械設備進行編碼，并將生成的二維碼貼到機械設備上，通過移動APP掃描將信息錄入平臺，結合視頻監控，加強對設備進退場的實時管控。

3.4 運維管養

平臺內集成了該鋼管混凝土系桿拱橋全生命周期內所有的數據資料，包含不同階段的各種狀態，為運營期管養決策提供科學的數據支撐。運維管養階段的BIM模型是施工階段傳遞下來的真實竣工模型，將監測預警、巡檢管養等信息通過BIM模型進行集成，實現橋梁的數字化管養。

3.4.1 監測預警

監測預警階段BIM模型將傳感器監測信息、外觀信息、專項檢測信息等監測數據高效集成，以設計、施工階段的驗算數據作為預警指標，并將監測量與預警指標的關系在BIM模型上直接映射，實現監測預警的三維可視化。例如，以MIDAS Civil成橋階段的驗算結果作為結構方面的預警指標。以預警指標為閾值，通過不同預警可視化顏色，將預警等級分為5級，更直觀地了解橋梁結構健康狀態[21]。針對多指標問題，分別基于各單項指標劃分預警區間，采用加權的方式將各項指標進行融合，得到總體預警區間。對于三級以上預警構建，平臺會即時提醒工作人員進行整改，以免造成更大危害。

3.4.2 巡檢管養

通過日常巡檢養護對監測預警進行查漏補缺，提高橋梁結構管養的全面性。在日常巡檢過程中，皆根據集成信息所確定的標度值進行，避免人員專業性水平差異問題。系統會定期將巡檢、養護任務發送給相關人員，進一步保證橋梁健康，延長使用壽命。若出現病害狀況，巡檢人員通過采用移動APP將病害情況發送至項目圈，而這些信息都會自動歸集到平臺中；同時，平臺即刻將病害狀況轉發給整改人員，直至其將整改結果拍照上傳到相應項目圈下進行消項，并附帶整改方法以備查詢，任務才會閉合，自動歸檔。而在BIM模型上通過不同顏色對病害進行標記、追蹤，與預警可視化顏色進行區分，以便整改人員鎖定構件，查看所在病害處的設計、施工資料及歷史病害情況，為制定科學有針對性的處置措施提供基礎。

4 結論

基于橋梁全生命周期新興互聯網技術集成應用研究，通過綜合應用云計算、物聯網與BIM技術，構建了適用于橋梁全生命周期的BIM信息管理平臺，經實例應用驗證，得出以下結論。

(1)通過研究云計算、物聯網和BIM技術的交叉融合，實現了對大規模數據的實時采集和存儲，實現時間與空間的精確定位，為高效、及時、準確的管理提供基礎，并為新興互聯網技術與BIM集成應用的相關研究提供參考。

(2)通過研究BIM與云、物聯網技術在全生命周期內的集成應用，打通了不同參與方、不同階段、不同專業之間的分散特性，便于發掘數據間蘊藏的聯系，為協同化管理提供基礎。

(3)通過構建BIM信息管理平臺，解決信息孤島、可視化程度低等問題，改善工程數據的積累、存儲、管理及應用狀況，從整體上降低橋梁項目的安全質量風險，實現了智慧型決策與精細化管理。