BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)維階段的應(yīng)用及展望

夏子立，高文博,景 強(qiáng)

(港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519000)

0 引言

根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，至2020年末，我國(guó)公路橋梁數(shù)量已達(dá)91.28萬(wàn)座。歷經(jīng)多年發(fā)展，橋梁建設(shè)已由“以建為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖B(yǎng)并重”。目前我國(guó)的橋梁運(yùn)維數(shù)字化、智能化水平較低，橋梁運(yùn)維管養(yǎng)、運(yùn)行管控效率有待提升，亟需結(jié)合新興技術(shù)的發(fā)展，提升橋梁運(yùn)維的總體水平。

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)自應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域后，各行業(yè)領(lǐng)域也逐漸認(rèn)識(shí)到其功能優(yōu)勢(shì)及技術(shù)特點(diǎn)。交通運(yùn)輸部《關(guān)于全面深化交通運(yùn)輸改革的意見(jiàn)》對(duì)公路養(yǎng)護(hù)管理的信息化改革提出了具體要求,并在《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出BIM可實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)以及運(yùn)營(yíng)信息傳遞共享和工作協(xié)同，促進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目全程信息化，要加強(qiáng)BIM模型數(shù)據(jù)應(yīng)用，提升養(yǎng)護(hù)管理效能。因此，綜合運(yùn)用BIM及其他相關(guān)的信息化技術(shù)，已經(jīng)成為橋梁運(yùn)維技術(shù)研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

1 BIM概述

1.1 BIM定義

BIM由美國(guó)查克伊士曼博士于20世紀(jì)70年代提出，其最初被定義為BDS(Building Description System)，主要面向建筑工程設(shè)計(jì)與施工，包含幾何特性、構(gòu)件功能及性能、施工過(guò)程信息等內(nèi)容[1]。美國(guó)第一版國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)NBIMS描述BIM“是一種對(duì)某種設(shè)施的物理和功能特性的數(shù)字化表示”，強(qiáng)調(diào)其是建設(shè)工程的物理和功能的數(shù)字化表達(dá)，可用于工程信息交換[2]。我國(guó)于2016年發(fā)布的《中國(guó)市政工程設(shè)計(jì)行業(yè)BIM指南》將BIM定義為數(shù)字信息的集成和應(yīng)用，是用于設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)字化方法[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，BIM的內(nèi)涵也不斷豐富與深化，其含義從最初針對(duì)建筑工程設(shè)計(jì)與施工的計(jì)算機(jī)模型，逐步發(fā)展到包括建設(shè)工程全生命周期的信息模型、管理模型、協(xié)作模型等內(nèi)容。當(dāng)下，隨著我國(guó)數(shù)字化戰(zhàn)略的實(shí)施，BIM作為集工程、管理與計(jì)算機(jī)科學(xué)為一體的交叉領(lǐng)域，將會(huì)被行業(yè)及研究者賦予更為前沿與深刻的內(nèi)涵。

1.2 BIM技術(shù)特點(diǎn)

作為工程行業(yè)逐步推廣應(yīng)用的信息化技術(shù)，BIM主要具備以下技術(shù)特點(diǎn)[4]：

(1)可視化：設(shè)計(jì)階段可將二維圖紙轉(zhuǎn)變成為三維立體模型，可在模型中附加質(zhì)量、成本、進(jìn)度等信息，將構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)意圖、空間布局等信息傳遞到施工階段。運(yùn)維階段可與信息化系統(tǒng)集成應(yīng)用，提供直觀的可視化效果。

(2)協(xié)同性：BIM技術(shù)可以優(yōu)化項(xiàng)目參建各方的信息溝通和協(xié)調(diào)方式，加強(qiáng)信息共享，減少資源浪費(fèi)，提升協(xié)同效率。

(3)模擬性：BIM技術(shù)可以模擬不便于在真實(shí)世界中進(jìn)行操作的事件，如碰撞檢測(cè)、聲場(chǎng)模擬、節(jié)能測(cè)試、緊急疏散、成本模擬以及造價(jià)控制等。

(4)優(yōu)化性：借助BIM可對(duì)設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維階段的方案進(jìn)行優(yōu)化，如初步設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、施工工藝優(yōu)化以及設(shè)施維護(hù)計(jì)劃優(yōu)化等。

1.3 主要建模軟件

目前主流的建模軟件有Autodesk、Bentley、Dassault等平臺(tái)。針對(duì)橋梁建模方面的需求，我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)用單位基于上述平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，以提升建模效率及針對(duì)性，相關(guān)軟件見(jiàn)表1。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)制定情況

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是BIM建模及數(shù)據(jù)傳遞的核心要素，在BIM的應(yīng)用過(guò)程中，不僅需要各種軟件協(xié)同配合和數(shù)據(jù)共享，更需要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行規(guī)范指導(dǎo)。目前國(guó)際上通用的BIM標(biāo)準(zhǔn)為ISO標(biāo)準(zhǔn)，主要包括IFC(Industry Foundation Class)、IDM(Information Delivery Manual)、IFD(International Framework for Dictionaries)三大類。此外，某些國(guó)家也發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的“國(guó)家BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)”、英國(guó)的“建筑業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn)”以及新加坡的“BIM應(yīng)用指南和電子審查標(biāo)準(zhǔn)”等。

我國(guó)的BIM標(biāo)準(zhǔn)制定和研究起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，已經(jīng)在國(guó)家層面、行業(yè)層面和地方層面發(fā)布了一系列建筑工程方面的BIM標(biāo)準(zhǔn)，形成了相對(duì)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。2007年發(fā)布了《建筑對(duì)象數(shù)字化定義》(JG/T198-2007)，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局和國(guó)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)于2010年發(fā)布了《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范》(GB/T25507-2010)。2016至2019年間，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部相繼發(fā)布了多個(gè)建筑信息模型應(yīng)用、設(shè)計(jì)交付、項(xiàng)目施工以及分類編碼等類型標(biāo)準(zhǔn)。地方層面如北京、上海、廣東、重慶等地也相繼發(fā)布了相應(yīng)的BIM標(biāo)準(zhǔn)。隨著BIM技術(shù)在公路工程、市政工程方面的應(yīng)用，該領(lǐng)域亦陸續(xù)發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 公路與市政工程BIM標(biāo)準(zhǔn)

目前，建筑工程領(lǐng)域的BIM標(biāo)準(zhǔn)較多，公路市政及橋梁工程領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，并主要集中在設(shè)計(jì)、施工階段，與運(yùn)維業(yè)務(wù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)非常少。國(guó)際上較為知名的是COBIE(施工運(yùn)營(yíng)建筑信息交換)，目前正在編制及已經(jīng)發(fā)布的公路與市政公用工程標(biāo)準(zhǔn)，亦沒(méi)有將橋梁部分的運(yùn)維階段需求納入，基本限于施工圖階段。目前大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)集中在軟件功能、信息交換、分類編碼、信息術(shù)語(yǔ)等方面，主要分為信息標(biāo)準(zhǔn)、編碼標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用指南等類型。

2 BIM的研究與應(yīng)用概況

2.1 BIM研究

通過(guò)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析我國(guó)2011年～2020年對(duì)BIM的研究情況，總體情況如下：2011～2018年，針對(duì)BIM的研究快速增長(zhǎng)，其在工程中的實(shí)際應(yīng)用逐步增加；2011年～2020年BIM關(guān)于運(yùn)維應(yīng)用方面的研究較少，大多數(shù)研究集中在設(shè)計(jì)、施工等方面；2020年以BIM為主題的研究論文出現(xiàn)較大幅度下降，筆者認(rèn)為這并不是因?yàn)楣こ绦畔⒒?、?shù)字化研究的熱度降低，而是隨著數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，與BIM相關(guān)的研究主題已經(jīng)轉(zhuǎn)向AI輔助設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理與挖掘等方面，但仍屬于信息化、數(shù)字化的研究范疇，未來(lái)關(guān)于新興技術(shù)與BIM結(jié)合的研究會(huì)越來(lái)越多。2011年～2020年BIM研究論文統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示。

圖1 2011年～2020年BIM研究論文統(tǒng)計(jì)情況

2.2 BIM在橋梁運(yùn)維方面的應(yīng)用

目前BIM在橋梁工程的應(yīng)用及研究主要集中于設(shè)計(jì)和施工階段，運(yùn)維階段的應(yīng)用較少。BIM在橋梁運(yùn)維階段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其與橋梁運(yùn)維信息化系統(tǒng)的集成應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)營(yíng)階段的數(shù)據(jù)整合及業(yè)務(wù)可視化管理，提高項(xiàng)目的維養(yǎng)效率及信息化水平。近年來(lái)，越來(lái)越多的橋梁工程基于BIM構(gòu)建了項(xiàng)目級(jí)橋梁管養(yǎng)信息化系統(tǒng)，部分應(yīng)用案例見(jiàn)表3。[5-14]。

表3 部分橋梁運(yùn)維階段BIM應(yīng)用案例

2.2.1 BIM與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。目前健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在信息可視化程度低、數(shù)據(jù)可讀性差、系統(tǒng)維護(hù)效率有待提升等問(wèn)題；BIM與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合應(yīng)用，可提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化以及系統(tǒng)信息化水平，提高系統(tǒng)日常維護(hù)效率?；贐IM可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至三維模型，實(shí)時(shí)查看橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)以及損傷情況，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全評(píng)估、預(yù)警和決策[15]。通過(guò)“BIM+GIS”數(shù)據(jù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息與模型信息的雙向傳輸，為管養(yǎng)人員提供病害部位坐標(biāo)、構(gòu)件類型等信息[16]。此外，BIM模型可提供集圖片、表格、文字于一體的信息展示方式，具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)管理能力[17]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BIM與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的融合應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究。陳虹穎[18]基于BIM開發(fā)了橋梁健康監(jiān)測(cè)的附加模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速、變形、應(yīng)力等信息的可視化；李明柱[19]等提出基于BIM的橋梁監(jiān)測(cè)信息關(guān)聯(lián)交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和預(yù)警方法；耿方方[20]等提出基于BIM的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)；劉天成[21]等基于平塘特大橋構(gòu)建橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)期的建養(yǎng)一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)BIM平臺(tái)對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)獲取、分析、評(píng)估和預(yù)警決策。Cong Ye[22]等以斯塔福德郡鐵路橋?yàn)槔?，介紹了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和BIM數(shù)據(jù)的整合應(yīng)用，該項(xiàng)目將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)集成至動(dòng)態(tài)的BIM環(huán)境中，通過(guò)可視化的手段分析應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間演化與分布情況；Brodie Chan[23]等以澳大利亞Pyrmont橋?yàn)槔榻B了基于BIM的橋梁運(yùn)維管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將巡檢圖片在BIM模型上鏈接定位，通過(guò)不同顏色展示的方式對(duì)BIM模型構(gòu)件進(jìn)行評(píng)級(jí)標(biāo)記，以可視化的方式實(shí)現(xiàn)巡檢管理和維修管理等功能。

2.2.2 BIM與橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)的融合

橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)是關(guān)于橋梁數(shù)據(jù)、橋梁巡檢、狀態(tài)評(píng)估、結(jié)構(gòu)退化預(yù)測(cè)、維護(hù)對(duì)策和計(jì)劃以及經(jīng)濟(jì)分析的信息化系統(tǒng)。BIM模型承載的信息數(shù)據(jù)可以與橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)合并進(jìn)行直觀展示，為橋梁的維養(yǎng)與管理決策提供依據(jù)，提高橋梁維養(yǎng)管理及作業(yè)效率。BIM與諸多新技術(shù)的集成應(yīng)用為橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)的功能提升提供支撐，其與RFID技術(shù)的集成可實(shí)現(xiàn)實(shí)體構(gòu)件二維碼與BIM模型的映射對(duì)應(yīng)[24]；BIM與無(wú)人機(jī)聯(lián)合應(yīng)用可對(duì)高大橋梁、人工難以到達(dá)的部位進(jìn)行檢測(cè)，并可將檢測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行映射[25]；BIM與AR技術(shù)集成可將虛擬模型環(huán)境與人所處的真實(shí)環(huán)境相融合，有效輔助現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維作業(yè)[26]。

國(guó)內(nèi)外的專家及學(xué)者對(duì)于BIM、GIS、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與橋梁管理系統(tǒng)的融合進(jìn)行了研究。馬繼駿[27]等基于現(xiàn)行國(guó)家及國(guó)際編碼標(biāo)準(zhǔn)，提出滿足橋梁建養(yǎng)一體化的信息編碼體系；張貴忠[11]等提出集多源信息獲取及管理、結(jié)構(gòu)智能分析與狀態(tài)評(píng)估、智能維養(yǎng)管理等功能于一體的數(shù)字化大橋運(yùn)維平臺(tái)總體設(shè)計(jì)；萬(wàn)春風(fēng)[28]等針對(duì)京杭大運(yùn)河斜拉橋的維養(yǎng)需求，研發(fā)基于“Web+BIM+GIS”的橋梁管理系統(tǒng)；吳巨峰[29]等以武漢某公路大橋?yàn)槔诤螧IM、GIS、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人機(jī)傾斜攝像等新技術(shù)，構(gòu)建面向橋梁設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)構(gòu)建大型橋梁管養(yǎng)平臺(tái)；翟曉卉[30]等研發(fā)基于“BIM+GIS”的道路橋梁運(yùn)維管理平臺(tái)，重點(diǎn)解決長(zhǎng)距離線性工程BIM和GIS的數(shù)據(jù)融合和可視化應(yīng)用展示問(wèn)題。Hakdaoui Sofia[31]等以摩洛哥穆罕默德VI橋?yàn)榘咐?，基于“BIM+GIS”實(shí)現(xiàn)橋梁的可視化表達(dá)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM模型融合，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析；歐盟委員會(huì)于2014年開始研究自動(dòng)化、智能化的橋梁檢測(cè)與管理平臺(tái)“SeeBridge”，該系統(tǒng)融合三維激光掃描、機(jī)器學(xué)習(xí)和BIM等技術(shù)，嘗試打通橋梁檢測(cè)、模型重建、狀態(tài)評(píng)估的全過(guò)程數(shù)據(jù)鏈，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接生成BIM模型，在BIM模型基礎(chǔ)上對(duì)橋梁狀態(tài)開展詳細(xì)的評(píng)估分析[32]。

3 BIM在橋梁運(yùn)維階段應(yīng)用的不足

BIM在橋梁建設(shè)及運(yùn)維方面已得到一定的應(yīng)用，但仍存在諸多不足?？傮w來(lái)說(shuō)，其在橋梁運(yùn)維階段的應(yīng)用還存在以下問(wèn)題：

(1)應(yīng)用研究不足。相對(duì)建筑工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用較少，特別是對(duì)橋梁運(yùn)維階段的研究和應(yīng)用尚處于初始階段。

(2)缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)與建模軟件。相對(duì)建筑工程，橋梁工程在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段均缺乏相應(yīng)的BIM設(shè)計(jì)與建模軟件，導(dǎo)致不同的設(shè)計(jì)軟件之間數(shù)據(jù)信息交換困難且容易丟失，難以形成面向全生命周期的BIM 模型。

(3)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)缺乏。目前，無(wú)論是國(guó)家還是行業(yè)層面，均缺乏橋梁工程各階段業(yè)務(wù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工階段的模型數(shù)據(jù)難以在運(yùn)維階段發(fā)揮作用，數(shù)據(jù)難以延續(xù)與傳遞。

(4)建模與計(jì)算分析通道尚未打通。目前BIM建模軟件與評(píng)估計(jì)算軟件之間存在較大鴻溝，難以實(shí)現(xiàn)BIM模型數(shù)據(jù)直接參與受力計(jì)算分析，也缺少相應(yīng)的軟件接口使BIM模型與管養(yǎng)階段的橋梁評(píng)估算法融合進(jìn)行評(píng)估分析。

4 總結(jié)與展望

(1)BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，在公路橋梁工程方面的應(yīng)用亦逐漸增多，但在橋梁運(yùn)維階段的應(yīng)用較少，仍處于初始階段。隨著橋梁運(yùn)維技術(shù)數(shù)字化、智能化的發(fā)展進(jìn)程，綜合運(yùn)用BIM、GIS以及大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)BIM技術(shù)可以為橋梁維養(yǎng)的信息化管理提供可視化三維模型、數(shù)據(jù)整合管理等功能，但其在橋梁運(yùn)維階段的應(yīng)用還存在應(yīng)用研究不足、針對(duì)性建模軟件及統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)缺乏、模型與仿真計(jì)算通道未能打通等問(wèn)題。

(3)BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)維階段的應(yīng)用，還需與眾多新興技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等進(jìn)行融合應(yīng)用；進(jìn)一步構(gòu)建橋梁工程全生命周期的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，打通各階段的數(shù)據(jù)孤島；加強(qiáng)建模軟件的本土化研究與開發(fā)，開發(fā)統(tǒng)一、高效、專業(yè)的軟件系統(tǒng)；進(jìn)一步與橋梁管養(yǎng)一體化平臺(tái)的深度融合及集成研究，提高展示的精細(xì)化和流暢度，最大限度地發(fā)揮BIM的數(shù)據(jù)管理及可視化價(jià)值。