馬繼駿， 褚 豪， 白 勇， 郭向海， 盧 山， 孔令濤

(1. 河南省交通通信中心， 河南 鄭州 450046； 2. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 3. 洛陽(yáng)市公路事業(yè)發(fā)展中心， 河南 洛陽(yáng) 471002)

截止2018年底，全國(guó)公路橋梁達(dá)85.15萬(wàn)座，其中特大橋梁5053座，大橋98869座[1]，加上市政、鐵路和水利等各歸口橋梁，其數(shù)量龐大且增長(zhǎng)迅猛。數(shù)量眾多的橋梁為其管理與養(yǎng)護(hù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，不僅需要弄清從規(guī)劃、施工到建成后的各類(lèi)信息，而且要實(shí)現(xiàn)從不同階段、不同口徑和不同人員處采集呈現(xiàn)信息的統(tǒng)一性。

在由建設(shè)高峰逐漸轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)為主，和提倡智能化管養(yǎng)的大背景下，基于建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的橋梁智能化建養(yǎng)被重視起來(lái)。雖然基于BIM技術(shù)的橋梁建養(yǎng)一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)橋梁全生命期內(nèi)的協(xié)同工作，達(dá)到橋梁設(shè)計(jì)、施工與養(yǎng)護(hù)的信息共享與協(xié)同，從而打破各領(lǐng)域之間的信息壁壘，提高信息利用率。然而，由于BIM技術(shù)的興起帶來(lái)了橋梁建設(shè)領(lǐng)域的一次新的革命，基于BIM的大數(shù)據(jù)平臺(tái)的概念被越來(lái)越多地提出，以BIM三維模型為信息載體，實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域信息交互，并對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行統(tǒng)一全面的集中存儲(chǔ)、分析以及管理，使得橋梁管養(yǎng)更加數(shù)字化，智能化，為當(dāng)前橋梁管養(yǎng)效率低下，人工時(shí)間成本高的問(wèn)題提出了一個(gè)行之有效的解決方案。

目前，傳統(tǒng)的管理模式存在著人工成本高、效率低下、協(xié)同性差等缺陷。在此背景下，橋梁相關(guān)構(gòu)件信息、施工信息、結(jié)構(gòu)信息等的信息量也迎來(lái)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計(jì)管理方式已不足以對(duì)這些信息進(jìn)行高效、快捷的管理，如何建立一個(gè)統(tǒng)一完備的橋梁信息管理體系，實(shí)現(xiàn)橋梁信息的統(tǒng)一管理成為當(dāng)今我國(guó)橋梁發(fā)展急需解決的問(wèn)題。

基于橋梁管養(yǎng)的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外正全力致力于橋梁信息化系統(tǒng)的研究。美國(guó)對(duì)于橋梁管理系統(tǒng)的研究相對(duì)較為成熟。以POINTS系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由美國(guó)聯(lián)邦公路管理局開(kāi)發(fā)，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的橋梁管理系統(tǒng)，目前已被廣泛使用，是一個(gè)較為成熟的橋梁信息管理系統(tǒng)。而國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁信息化的研究則正處于快速發(fā)展階段，一些大規(guī)模橋梁在建設(shè)過(guò)程中都需研發(fā)橋梁智能化管養(yǎng)系統(tǒng)輔助管理，廣東省等部分省市也相繼推出了省內(nèi)的公路橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)。總體上看，國(guó)內(nèi)基于BIM的橋梁信息化管理的研究仍處于起步階段，雖然有部分建設(shè)工程開(kāi)發(fā)、運(yùn)用了信息化管理系統(tǒng)，但是由于各自的系統(tǒng)并不兼容，管理系統(tǒng)無(wú)法順利推廣，當(dāng)前情況下，大范圍推廣使用橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)并不現(xiàn)實(shí)。而問(wèn)題的關(guān)鍵之一在于缺少標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁信息管理體系，以至于橋梁信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互不兼容，難以實(shí)現(xiàn)信息共享，阻礙了橋梁信息化管理系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的推廣。

本研究的主要目的在于通過(guò)建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁信息編碼體系，為橋梁信息化管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和推廣鋪平道路。標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁信息編碼體系主要從兩個(gè)方面構(gòu)建：一是建立橋梁編號(hào)系統(tǒng)，結(jié)合GB 11708—1989《公路橋梁命名編號(hào)和編碼規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，依照唯一性、可擴(kuò)延性、簡(jiǎn)明性以及規(guī)范性的要求實(shí)現(xiàn)橋梁的統(tǒng)一編碼，以實(shí)現(xiàn)對(duì)基數(shù)龐大的現(xiàn)存橋梁的整體編號(hào)，便于今后橋梁信息的存儲(chǔ)、錄入以及檢索，為今后推廣橋梁大數(shù)據(jù)管理養(yǎng)護(hù)平臺(tái)打下基礎(chǔ)；二是基于工程分解結(jié)構(gòu)(EBS，Engineering Breakdown Structure)實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)件基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分解、編碼，使得橋梁信息得以有序規(guī)范地錄入存取，便于橋梁信息的提取與檢索，實(shí)現(xiàn)橋梁信息的智能化管理。

1 概 述

梁錚、曹明蘭等[2]總結(jié)并分析了包括美國(guó)、法國(guó)、丹麥、挪威以及英國(guó)等國(guó)家在橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)方面的研究成果。以美國(guó)為例，1989年FHWA推出的POINTS系統(tǒng)取得了極大的成功，其主要優(yōu)勢(shì)在于：一是先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理模式，POINTS系統(tǒng)相當(dāng)關(guān)注系統(tǒng)數(shù)據(jù)的兼容性，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、錄入、檢索以及提取速度，并設(shè)立了完備的構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)；二是高效的分析算法，能夠根據(jù)已有的橋梁信息提供最優(yōu)化策略，極大地提高了橋梁管養(yǎng)效率。除美國(guó)和一些歐洲地區(qū)國(guó)家之外，日本，南非等國(guó)家也已經(jīng)建立了較為成熟的橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)。相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)于橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)的研究起步較晚。我國(guó)交通部于九十年代推出的公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)[3]， 目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各省市的公路管理，該系統(tǒng)包括信息采集錄入、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、決策分析以及養(yǎng)護(hù)管理等功能模塊。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，CBMS系統(tǒng)各功能已基本完善，但仍存在一些問(wèn)題。如對(duì)于橋梁技術(shù)狀況評(píng)定的分析算法仍存在問(wèn)題，以及對(duì)于規(guī)模較大、構(gòu)件復(fù)雜多樣的橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)建編號(hào)較為復(fù)雜，整個(gè)構(gòu)件編號(hào)體系仍存在較大的問(wèn)題。上述問(wèn)題阻礙了該系統(tǒng)的方便應(yīng)用。

針對(duì)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題，Wu和Hsieh[4]研究了關(guān)于系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)，有效解決了系統(tǒng)間信息交互的問(wèn)題。Okasha和Frangopol[5]提出了一個(gè)公路橋梁全壽命期大數(shù)據(jù)管養(yǎng)平臺(tái)的概念，集中討論了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)信息更新、養(yǎng)護(hù)功能分析預(yù)警等功能的實(shí)現(xiàn)。

在信息編碼方面，目前的結(jié)構(gòu)分析標(biāo)準(zhǔn)主要有EBS編碼及WBS(Work Breakdown Structure)編碼。EBS編碼主要依據(jù)工程本身的結(jié)構(gòu)功能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解分級(jí)，然后逐一編碼，是基于工程本身的編碼標(biāo)準(zhǔn)。而WBS編碼是基于項(xiàng)目進(jìn)度對(duì)項(xiàng)目過(guò)程進(jìn)行分解，是針對(duì)項(xiàng)目過(guò)程的編碼標(biāo)準(zhǔn)。余健俊等[6]研究了有關(guān)EBS編碼與WBS編碼體系的對(duì)比分析，并提出了基于EBS編碼的應(yīng)用方法。羅艷芳等[7]針對(duì)目前廣泛推廣的工程分解體系，研究了工程分解結(jié)構(gòu)各個(gè)框架，進(jìn)一步完善了EBS結(jié)構(gòu)分解方法。金輝[8]總結(jié)歸納了橋梁建設(shè)過(guò)程中的設(shè)計(jì)信息以及施工管理信息，研究了將這些信息統(tǒng)一歸類(lèi)編碼的方法，整理了大量的橋梁信息，為橋梁管理平臺(tái)的建立打下基礎(chǔ)。劉振邦[9]研究了基于BIM平臺(tái)的EBS自動(dòng)編碼方法，解決了當(dāng)前對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)人工編碼效率低下、成本高的問(wèn)題。但國(guó)內(nèi)在信息編碼的應(yīng)用方面尚存在著很多不足，在行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的編碼標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有完善的編碼體系以支持系統(tǒng)性的編碼工作等都給國(guó)內(nèi)編碼標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展帶來(lái)一定的阻力。

上述研究推動(dòng)了橋梁信息化發(fā)展，但總結(jié)我國(guó)橋梁管養(yǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的研究，可以發(fā)現(xiàn)研究成果碎片化，無(wú)法統(tǒng)一，缺乏一致性的橋梁病害信息編碼體系，導(dǎo)致橋梁信息化管養(yǎng)系統(tǒng)一方面不便于推廣應(yīng)用，另一方面系統(tǒng)之間交互性差。因此，構(gòu)建切實(shí)可行的橋梁信息編碼體系，建立橋梁信息編碼的標(biāo)準(zhǔn)，以克服各系統(tǒng)之間的信息交互障礙，推動(dòng)橋梁大數(shù)據(jù)管養(yǎng)平臺(tái)的發(fā)展與推廣，迫在眉睫。本文聚焦于建立一套完整的橋梁信息編碼體系，并實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)建立橋梁名稱(chēng)編碼體系。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)橋梁數(shù)量眾多，要想建立橋梁統(tǒng)一管養(yǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)橋梁智能化管養(yǎng)，必須建立一套方便高效的橋梁編號(hào)規(guī)則，便于橋梁整體信息的錄入與檢索，是建立橋梁大數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)；

(2)基于EBS編碼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分解，實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)件的逐級(jí)編碼，確保橋梁構(gòu)件信息完整無(wú)誤的采集錄入。

2 橋梁名稱(chēng)編碼體系

基于GB/T 11708—1989《公路橋梁命名編號(hào)和編碼規(guī)則》[10]以及GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》[11]的規(guī)定，本著簡(jiǎn)明、可擴(kuò)展和唯一原則，實(shí)現(xiàn)橋梁編碼規(guī)范化，研究實(shí)用簡(jiǎn)明的橋梁編碼標(biāo)準(zhǔn)。

橋梁名稱(chēng)編碼主要包括橋梁所在地行政編碼、橋梁所在道路編號(hào)以及橋梁代碼三個(gè)部分，具體構(gòu)成如表1所示。所在地行政編碼由兩位省級(jí)行政編碼加四位地方行政編碼組成，共六位。橋梁所處路線編碼可參考各省市的交通道路編號(hào)，由一個(gè)字母(G/S/X/Y/Z/Q)加三位數(shù)字組成。

表1 橋梁名稱(chēng)編碼組成

公路路線編碼及行政編碼均可參照各地已有的路線編碼及行政區(qū)劃碼，可直接參照現(xiàn)有編碼體系。橋梁代碼的編碼規(guī)則主要參照規(guī)范《公路橋梁命名編號(hào)和編碼規(guī)則》中的要求，并做出相應(yīng)調(diào)整改進(jìn)，具體要求如下：

(1)橋梁代碼主要由一個(gè)字母加五位數(shù)字組成，其中，首位字母主要包括L/T/J/Q，其各自的意義參見(jiàn)表2，五位數(shù)字前三位為橋梁順序碼，后兩位為擴(kuò)充碼；

(2)三位橋梁順序碼從000開(kāi)始編號(hào)，按路線里程增長(zhǎng)方向順序編號(hào)的規(guī)則，對(duì)同一路線上的橋梁順序編號(hào)；

(3)兩位橋梁擴(kuò)充碼一般為00，當(dāng)新建橋梁出現(xiàn)在兩座已建橋梁之間時(shí)，則擴(kuò)充碼按01開(kāi)始編號(hào)，編號(hào)規(guī)則依然按里程增長(zhǎng)方向順序編號(hào)；

(4)如果新建橋梁并未按里程增長(zhǎng)方向建成，則可適當(dāng)調(diào)整擴(kuò)充碼使之按里程增長(zhǎng)方向順序編號(hào)，前三位橋梁順序碼應(yīng)保持不變。

表2 橋梁代碼首位字母含義

通過(guò)對(duì)橋梁編碼的制定，確保每一座橋梁能唯一對(duì)應(yīng)一條橋梁編碼，并保證了編碼體系良好的擴(kuò)展性。這就使得數(shù)量巨大的橋梁得以有序準(zhǔn)確的編碼，便于橋梁信息快捷的錄入、存儲(chǔ)及檢索，為橋梁大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建立奠定基礎(chǔ)。

3 基于EBS的橋梁構(gòu)件編碼

3.1 EBS編碼

任何一個(gè)工程項(xiàng)目都可以分解為各個(gè)功能模塊，每一個(gè)功能模塊作為工程子項(xiàng)目，又可以分解為更為細(xì)微的構(gòu)件或要素，工程項(xiàng)目得以正常有效的發(fā)揮其功能，正是這一系列子項(xiàng)目各自實(shí)現(xiàn)各自功能的結(jié)果，一般工程系統(tǒng)的分解結(jié)構(gòu)可參考圖1。任何一座橋梁都可大致分為上部結(jié)構(gòu)體系、下部結(jié)構(gòu)體系、附屬設(shè)施及引道工程等各個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的功能組合保證了橋梁功能的正常運(yùn)行。

圖1 工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)分解

EBS結(jié)構(gòu)分解的概念正是基于工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)分解，一般結(jié)構(gòu)分解的原則為：(1)將工程項(xiàng)目中功能較為獨(dú)立的子系統(tǒng)分解出來(lái)；(2)依照工程項(xiàng)目本身的框架分解出一系列子系統(tǒng)；(3)依照工程項(xiàng)目外觀特征進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分解。對(duì)于分解出來(lái)的子系統(tǒng)以及構(gòu)件要素，EBS編碼采用分級(jí)編碼的方式，將各個(gè)功能不同的子系統(tǒng)順序編碼，同時(shí)將屬于該系統(tǒng)的子類(lèi)在下一級(jí)順序編碼，如此層層編碼，確保各級(jí)子類(lèi)無(wú)重復(fù)，同時(shí)下一級(jí)子類(lèi)屬于上一級(jí)，其具體的結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3。

表3 EBS編碼結(jié)構(gòu)

每一層EBS編碼一般包含兩位數(shù)字，將同一層的子結(jié)構(gòu)按順序編號(hào)，而EBS編碼的層數(shù)一般視橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而定，一般以4層或5層為宜。

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)分解及編碼

工程項(xiàng)目一般信息量較大，包含多個(gè)專(zhuān)業(yè)不同方向的工程信息。在進(jìn)行橋梁工程結(jié)構(gòu)分解時(shí)，應(yīng)結(jié)合相關(guān)的信息分類(lèi)編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。通過(guò)參考《鐵路工程實(shí)體結(jié)構(gòu)分解指南》[12]及相關(guān)國(guó)家編碼標(biāo)準(zhǔn)，將橋梁工程分解為四個(gè)層次：第一層按橋梁結(jié)構(gòu)形式將其分為梁式橋、拱式橋、斜拉橋、懸索橋及組合體系橋五大類(lèi)；第二層將橋梁結(jié)構(gòu)具體細(xì)分為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系以及附屬設(shè)施等；第三層及第四層則對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)一步細(xì)分，橋梁結(jié)構(gòu)分解結(jié)果如圖2所示。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)分解示意

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的EBS編碼，可以參考EBS編碼結(jié)構(gòu)，采用“父碼+子碼”的形式將構(gòu)件層層細(xì)分，按順序從01～99逐一編碼。下一層構(gòu)件對(duì)應(yīng)的EBS碼將繼承父類(lèi)的EBS碼，同時(shí)加上其在本層的代碼，如此就保證了橋梁各構(gòu)件編碼的唯一性與確定性。此外，值得注意的是，由于第一層僅包含梁式橋(L)、拱式橋(G)、斜拉橋(XL)、懸索橋(XS)及組合體系橋(Z)五個(gè)子類(lèi)，故橋梁EBS碼的第一層采用字母分別代指五個(gè)子類(lèi)。具體的編碼結(jié)構(gòu)可參考表4。

表4 橋梁EBS碼一般結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的逐層分解編碼，使實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)建信息的統(tǒng)一管理成為可能。由于EBS編碼結(jié)構(gòu)的靈活與嚴(yán)謹(jǐn)，使得不論橋梁規(guī)模大小，構(gòu)件復(fù)雜程度如何，都能通過(guò)統(tǒng)一、簡(jiǎn)明的編碼格式唯一確定橋梁構(gòu)件EBS碼。以梁式橋?yàn)槔?，分解結(jié)果及EBS碼見(jiàn)表5。

表5 梁式橋EBS編碼

最后，針對(duì)具體橋梁構(gòu)件的編碼順序問(wèn)題，給出橋梁構(gòu)件編碼規(guī)則如下：

(1)以里程增長(zhǎng)方向?yàn)檎龞|方向，建立坐標(biāo)系，橋梁墩臺(tái)、梁、支座及承臺(tái)基礎(chǔ)等按由西向東、由南向北的順序依次編號(hào)；

(2)橋梁構(gòu)件碼一般占橋梁構(gòu)件EBS編碼最后兩位，這意味著構(gòu)件碼可以編輯從01～99共99個(gè)同類(lèi)型構(gòu)件。對(duì)于規(guī)模較大的橋梁，可視情況采用四位數(shù)進(jìn)行編碼，這意味著構(gòu)件EBS編碼可編輯從0001～9999共計(jì)9999個(gè)同類(lèi)型構(gòu)件。

4 工程實(shí)例

某橋橋跨布置為4×20+4×30+4×20 m，橋面寬度9.5 m。橋梁橫斷面為：機(jī)動(dòng)車(chē)道寬度2×3.5 m；欄桿及人行道寬度 2×1.25 m。橋梁路拱橫坡 2%。設(shè)計(jì)荷載為Ⅱ級(jí)公路。

該橋三維模型如圖3所示，全橋共15片30 m跨徑小箱梁，56片20 m空心板梁；支座分四種類(lèi)型，分別為四氟滑板式矩形支座(56套)、4氟滑板式圓形支座(6套)、矩形板式橡膠支座(168套)以及圓形板式橡膠支座(12套)；全橋橋臺(tái)2個(gè)，實(shí)體墩6個(gè)，樁柱式橋墩12個(gè)，承臺(tái)6個(gè)，樁基礎(chǔ)48根?；诖私⒃摌驑?gòu)件EBS編碼表(表6)，將各構(gòu)件的EBS編碼作為構(gòu)件屬性值輸入到Revit模型的構(gòu)件族庫(kù)中，通過(guò)各構(gòu)件的EBS碼區(qū)分各個(gè)構(gòu)件，作為各構(gòu)件信息錄入，檢索及存儲(chǔ)的標(biāo)識(shí)。

圖3 某大橋三維模型

表6 東荊河大橋構(gòu)件EBS編碼

注：具體構(gòu)件的構(gòu)件號(hào)、具體編碼順序參考第三節(jié)內(nèi)容，以里程增長(zhǎng)方向?yàn)檎龞|方向，依照由西向東，由南向北的順序依序編碼

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)提出橋梁名稱(chēng)編碼體系以及基于EBS橋梁構(gòu)件編碼兩個(gè)方面的內(nèi)容，建立了一套高效快捷的橋梁編碼標(biāo)準(zhǔn)。基于這一標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)在錄入橋梁構(gòu)件信息的過(guò)程中賦予并存儲(chǔ)橋梁構(gòu)件的具體EBS編碼，使得橋梁構(gòu)件能夠被構(gòu)件編碼唯一標(biāo)識(shí)。在后續(xù)橋梁大數(shù)據(jù)平臺(tái)檢索并提取構(gòu)件信息時(shí)，只需檢索構(gòu)件的EBS標(biāo)識(shí)碼即可獲得完整的構(gòu)件信息，這將大幅提高信息存儲(chǔ)及提取效率，提高信息利用率，大大增強(qiáng)了橋梁管養(yǎng)平臺(tái)的智能化及信息化，為后續(xù)橋梁智能化管養(yǎng)平臺(tái)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。