張春聲,代希華

(廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州 510623)

0 引言

隨著我國(guó)公路橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，已進(jìn)入建養(yǎng)并重的時(shí)期。在大橋建成后的運(yùn)營(yíng)期，應(yīng)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(shè)期形成的BIM應(yīng)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(cè)技術(shù)手段，實(shí)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(tái)，打通建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)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?jǐn)?shù)據(jù)載體，實(shí)現(xiàn)橋梁養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)的一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化和可溯源化。

1 特大橋梁養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)現(xiàn)狀

近三十多年來(lái)國(guó)內(nèi)外橋梁管理信息系統(tǒng)的相繼建立，大大促進(jìn)了橋梁管理信息系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的橋梁管理信息系統(tǒng)總體可分為兩個(gè)階段[1]：第一階段是橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于存儲(chǔ)橋梁各種檢測(cè)或監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，提供查詢、檢索等基本服務(wù)；第二階段是在第一階段的基礎(chǔ)上，增加了橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)、中長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)計(jì)劃需求預(yù)測(cè)、養(yǎng)護(hù)加固維修計(jì)劃決策等功能。傳統(tǒng)的橋梁養(yǎng)護(hù)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(cè)系統(tǒng)和養(yǎng)護(hù)巡查日常管理、評(píng)估決策等子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，建設(shè)期的數(shù)據(jù)與運(yùn)營(yíng)期的數(shù)據(jù)不能有效關(guān)聯(lián)，評(píng)價(jià)決策系統(tǒng)往往針對(duì)性不強(qiáng)，已不適應(yīng)橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)高質(zhì)量發(fā)展的需要。

目前，橋梁管理信息系統(tǒng)已進(jìn)入第三階段，即智慧建管養(yǎng)一體化階段，主要是綜合運(yùn)用管理學(xué)理論及信息化技術(shù)，具備靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理、三維數(shù)字平臺(tái)管理、病害處治對(duì)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(chǎng)采集結(jié)構(gòu)檢查數(shù)據(jù)的巡檢系統(tǒng)，探索計(jì)算機(jī)橋梁仿真虛擬可視化技術(shù)，實(shí)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(qiáng)調(diào)運(yùn)營(yíng)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(kù)，提高橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)和相應(yīng)的診斷水平、適宜的維修、加固設(shè)計(jì)和施工決策，從而提前做好科學(xué)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，降低全壽命周期成本，保障橋梁長(zhǎng)期安全運(yùn)行，延長(zhǎng)橋梁使用壽命。

2 BIM智慧建管養(yǎng)一體化平臺(tái)技術(shù)體系

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 BIM+養(yǎng)護(hù)管理/資產(chǎn)管理(FM)

智慧建管養(yǎng)一體化平臺(tái)通過(guò)BIM技術(shù)將橋梁基礎(chǔ)設(shè)施全要素?cái)?shù)字化，對(duì)物理空間的實(shí)際資產(chǎn)在虛擬空間中進(jìn)行可視化管理。通過(guò)不斷積累檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)和維修數(shù)據(jù)，對(duì)歷史檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，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(cè)系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)與結(jié)果納入，根據(jù)養(yǎng)護(hù)檢查結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)定；結(jié)合應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、突發(fā)事件接報(bào)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁應(yīng)急狀態(tài)的預(yù)報(bào)。

2.1.2 BIM+物聯(lián)網(wǎng)(IOT)

智慧建管養(yǎng)一體化平臺(tái)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(dān)底層信息感知、采集、傳遞、監(jiān)控的功能，主要用于施工期預(yù)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(cè)等。

2.1.3 BIM+智慧云聯(lián)網(wǎng)(SCN)

構(gòu)建智慧高速云平臺(tái)的架構(gòu)，研究智慧高速云平臺(tái)的設(shè)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(chǔ)系統(tǒng)的方案。通過(guò)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(shè)備設(shè)施管理、應(yīng)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(yùn)營(yíng)管理子系統(tǒng)，集成收費(fèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、機(jī)電養(yǎng)護(hù)管理、路政管理、防雷智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、拯救管理、BIM養(yǎng)護(hù)平臺(tái)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁全過(guò)程、全生命周期智慧運(yùn)營(yíng)和管養(yǎng)。

2.1.4 BIM+平臺(tái)支撐層

平臺(tái)支撐層主要包括計(jì)算與交換云平臺(tái)、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(luò)環(huán)境下的業(yè)務(wù)集成。

2.2 主要功能

運(yùn)營(yíng)集成管理平臺(tái)是服務(wù)于大橋運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)、安全等管理的綜合性平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)路產(chǎn)養(yǎng)護(hù)管理、養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)與決策、養(yǎng)護(hù)工程管理、應(yīng)急安全管理等功能。同時(shí)，大橋在建設(shè)期建立了運(yùn)營(yíng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合平臺(tái)應(yīng)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)與結(jié)果納入，根據(jù)養(yǎng)護(hù)檢查結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)定；結(jié)合應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、突發(fā)事件接報(bào)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁應(yīng)急狀態(tài)的預(yù)報(bào)。此外，平臺(tái)還可對(duì)基礎(chǔ)信息、BIM模型、數(shù)據(jù)接口等進(jìn)行管理與配置，對(duì)文檔與數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與協(xié)同。

(1)基礎(chǔ)管理：對(duì)平臺(tái)用戶進(jìn)行管理與權(quán)限設(shè)置，自動(dòng)形成系統(tǒng)日志，構(gòu)建數(shù)據(jù)字典，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。

(2)模型管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型編碼、模型變更、信息掛接、版本信息等進(jìn)行管理。

(3)接口管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備、安全監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)、智能終端、辦公OA等接口的管理和配置。

(4)路產(chǎn)養(yǎng)護(hù)管理：實(shí)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(duì)檢查路線進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃，對(duì)檢查發(fā)現(xiàn)的病害進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。

(5)養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)與決策：根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG H21-2011)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)評(píng)定，并結(jié)合橋梁健康監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估。對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行跟蹤，根據(jù)養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出合理的養(yǎng)護(hù)決策建議。

(6)養(yǎng)護(hù)工程管理：能夠輔助養(yǎng)護(hù)方案的制定，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)任務(wù)的編制分配。對(duì)大中修工程的招投標(biāo)和實(shí)施過(guò)程進(jìn)行規(guī)范化管理，對(duì)大中修工程的實(shí)施效果進(jìn)行驗(yàn)收與質(zhì)量跟蹤，管理養(yǎng)護(hù)工程檔案。

(7)應(yīng)急安全管理：實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估，對(duì)突發(fā)事件和監(jiān)測(cè)預(yù)警的接報(bào)。進(jìn)行災(zāi)害特性分析與預(yù)警預(yù)報(bào)，對(duì)災(zāi)害自動(dòng)分類分級(jí)。構(gòu)建智能應(yīng)急預(yù)案庫(kù)并實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)急處置，對(duì)應(yīng)急資源和應(yīng)急演練進(jìn)行管理。

(8)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理：結(jié)合橋梁巡查，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的巡查以及設(shè)備狀態(tài)的管理。通過(guò)平臺(tái)模型查詢監(jiān)測(cè)信息，收?qǐng)?bào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警信息，管理健康監(jiān)測(cè)的專業(yè)評(píng)估報(bào)告。

(9)文檔協(xié)同管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)文檔、建設(shè)期文檔、運(yùn)營(yíng)期文檔的管理。對(duì)養(yǎng)護(hù)任務(wù)進(jìn)行網(wǎng)上簽報(bào)審批，對(duì)養(yǎng)護(hù)計(jì)劃編制的監(jiān)控和養(yǎng)護(hù)任務(wù)發(fā)布的追蹤。

(10)數(shù)據(jù)協(xié)同管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、建設(shè)期數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的管理。建立橋梁病害庫(kù)，對(duì)各類信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與查詢。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

從橋梁安全運(yùn)營(yíng)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?jǐn)?shù)據(jù)載體，實(shí)現(xiàn)橋梁養(yǎng)護(hù)工作的整體化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化和可溯源化，并能和橋梁運(yùn)營(yíng)監(jiān)控一體化管理平臺(tái)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(tái)架構(gòu)

3 工程應(yīng)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(diǎn)與廣深沿江高速公路相接，全長(zhǎng) 12.886km。全線共設(shè)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(xì)化、專業(yè)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化”的養(yǎng)護(hù)理念，在大橋主體建設(shè)的同時(shí)，同步建成集“監(jiān)測(cè)、巡檢、管理、養(yǎng)護(hù)”于一體的建管養(yǎng)一體化平臺(tái)。

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(shè)計(jì)

集成管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)管理、應(yīng)急安全管理和智慧云聯(lián)網(wǎng)等功能，養(yǎng)護(hù)管理又包括養(yǎng)護(hù)檢查、養(yǎng)護(hù)評(píng)定等。各功能數(shù)據(jù)需求與來(lái)源：

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

(2)養(yǎng)護(hù)評(píng)定：按規(guī)范評(píng)定所需的數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于養(yǎng)護(hù)巡查和定期檢查錄入的數(shù)據(jù)。綜合評(píng)定所需數(shù)據(jù)除養(yǎng)護(hù)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(cè)系統(tǒng)獲取的重要參數(shù)數(shù)據(jù)。進(jìn)行養(yǎng)護(hù)評(píng)定和決策建議時(shí)，還需參考建設(shè)期結(jié)構(gòu)的質(zhì)檢數(shù)據(jù)和施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

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

平臺(tái)以BIM為核心，改變傳統(tǒng)橋梁運(yùn)營(yíng)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(guò)BIM集成平臺(tái)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)營(yíng)管理信息的交互共享，加快信息流的速率，提高決策效率，實(shí)現(xiàn)扁平化管理。為提高橋梁管養(yǎng)工作效率，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺(tái)管理，用戶界面子系統(tǒng)除具備橋梁運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)及電子化人工巡檢結(jié)果的管理外，還預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口及界面，便于后期將橋梁檢查檢測(cè)、橋梁綜合評(píng)估、橋梁養(yǎng)護(hù)維修等納入同一平臺(tái)管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與橋梁檢測(cè)評(píng)估的有效結(jié)合，真正實(shí)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(zhǎng)橋梁使用壽命。

圖2平臺(tái)子系統(tǒng)功能劃分與接口

3.2 橋梁養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)與決策核心子系統(tǒng)

對(duì)接健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的巡檢養(yǎng)護(hù)技術(shù)狀況評(píng)估數(shù)據(jù)，依據(jù)橋梁技術(shù)狀況評(píng)價(jià)(2011)標(biāo)準(zhǔn)，由定檢單位錄入相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合橋梁健康監(jiān)測(cè)結(jié)果、養(yǎng)護(hù)檢查結(jié)果對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估(圖3)。對(duì)各評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行跟蹤管理，制定南沙大橋養(yǎng)護(hù)決策支持庫(kù)，主要包括病害庫(kù)及維修庫(kù)，并根據(jù)養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出合理的養(yǎng)護(hù)決策建議。細(xì)化大橋典型的鋼箱梁段、吊索、主纜等模型，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件的可視化直觀展示，以便于對(duì)病害進(jìn)行持續(xù)跟蹤觀測(cè)(圖4)。同時(shí)，使用VR視頻數(shù)字孿生技術(shù)，將監(jiān)控實(shí)景復(fù)合至BIM模型，實(shí)時(shí)讀取全景視頻，準(zhǔn)確地展示橋梁實(shí)時(shí)整體狀況(圖5)。

圖3橋梁養(yǎng)護(hù)評(píng)價(jià)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(yǔ)

根據(jù)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要“強(qiáng)化交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行監(jiān)測(cè)檢測(cè)，提高養(yǎng)護(hù)專業(yè)化、信息化水平，增強(qiáng)設(shè)施耐久性和可靠性”，在大橋主體建設(shè)時(shí)同步開(kāi)展智慧建管養(yǎng)一體化平臺(tái)的建設(shè)，利用BIM等信息化、數(shù)字化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期數(shù)字化智慧建管養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)期質(zhì)量、進(jìn)度、施工監(jiān)控、安全等數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)期健康監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)等全過(guò)程數(shù)據(jù)的深度融合和關(guān)聯(lián)。

同時(shí)，特大懸索橋應(yīng)充分考慮其結(jié)構(gòu)構(gòu)造的特點(diǎn)及約束支撐體系，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yīng)，對(duì)大橋運(yùn)營(yíng)環(huán)境及關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警。結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)橋梁技術(shù)狀況、宏觀受力、耐久性、承載力等進(jìn)行綜合評(píng)估，為大橋的管養(yǎng)決策提供科學(xué)依據(jù)及建議，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)管養(yǎng)。制定預(yù)防性、 高效、經(jīng)濟(jì)、合理的養(yǎng)護(hù)措施，科學(xué)延長(zhǎng)橋梁的安全使用壽命[3]。