文 中交公路長大橋建設(shè)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(shù)作為信息技術(shù)的代表之一，近年來在公路建設(shè)和養(yǎng)護中開始受到廣泛重視并得到大量應(yīng)用。與建筑、市政、鐵路等領(lǐng)域相比，公路領(lǐng)域開展BIM研究和應(yīng)用較晚，但發(fā)展勢頭迅猛。以中國交通建設(shè)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(yè)進行技術(shù)攻關(guān)。幾年來，BIM技術(shù)在項目上的應(yīng)用，已經(jīng)從最初重點集中于規(guī)劃設(shè)計階段的方案展示、碰撞檢查、三維模型制作，逐步發(fā)展到正向設(shè)計，施工進度、質(zhì)量和成本管理，再到運維階段的建養(yǎng)一體化管養(yǎng)平臺搭建，逐步展示出通過BIM技術(shù)手段在橋梁工程全生命周期實現(xiàn)信息傳遞、共享、使用所帶來的巨大效益。

方案設(shè)計階段

橋梁設(shè)計的第一步是方案設(shè)計，重點確定橋型選擇、跨徑布置、主要結(jié)構(gòu)方案及尺寸、施工方案、工程經(jīng)濟指標(biāo)等。這一階段對BIM的研究和應(yīng)用，重點在地形模型、地質(zhì)模型、橋梁方案的結(jié)構(gòu)模型等方面。對此，長大橋國家中心和公規(guī)院開展了智能設(shè)計研究，不同于傳統(tǒng)橋梁設(shè)計軟件以力學(xué)計算分析為中心，智能設(shè)計以機器學(xué)習(xí)為核心，針對橋梁的安全、經(jīng)濟性、工期等多目標(biāo)開展優(yōu)化研究，并有針對性地設(shè)定評價指標(biāo)，利用機器學(xué)習(xí)既有成功設(shè)計案例的特征點，實現(xiàn)由計算機提出針對目標(biāo)建設(shè)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(wèi)星圖片、航拍、無人機拍攝、激光掃描等幾種。衛(wèi)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(yīng)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(zhì)模型

公規(guī)院團隊開發(fā)了高精度三維地質(zhì)模型軟件，采用高精度的三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)無需人工交互的智能化三維地形地質(zhì)一體化融合重構(gòu)，同時采用后臺云計算快速建模，可以實現(xiàn)實時動態(tài)更新。

利用地質(zhì)模型，長大橋國家中心開發(fā)了樁基正向設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了樁長自動計算，大大提高了設(shè)計效率。

橋梁方案模型

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

圖1-1.剛構(gòu)橋方案

圖1-2.拱橋方案

橋梁方案智能設(shè)計

目前，長大橋國家中心正在開展橋梁方案智能設(shè)計研究。以圖2為例，通過建立橋梁數(shù)據(jù)知識庫，利用機器學(xué)習(xí)既有成功設(shè)計案例的特征點，實現(xiàn)由計算機代替工程師提出針對目標(biāo)建設(shè)條件的合理橋梁方案，并根據(jù)目標(biāo)權(quán)重對方案進行打分，幫助設(shè)計者選擇方案。這種方式可以充分融入眾多優(yōu)秀設(shè)計師的先進思想，避免由于個體認(rèn)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(xiàn)實（VR）技術(shù)展示，以直觀感受設(shè)計方案的真實效果。公規(guī)院負責(zé)設(shè)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(yè)主確定最終方案。

圖2.橋梁方案智能設(shè)計技術(shù)路線

施工圖設(shè)計階段

在橋梁施工圖設(shè)計階段，重點完成具體結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、構(gòu)造優(yōu)化、配筋設(shè)計、施工工藝選擇等工作。這一階段對BIM的研究和應(yīng)用，重點在BIM正向設(shè)計、碰撞檢查、設(shè)計分析一體化、正向二維出圖等方面?？傮w而言，這一階段的智能深化設(shè)計尚處在探索研究階段。

BIM正向設(shè)計

BIM正向設(shè)計是目前的趨勢。首先是參數(shù)化建模，通過建立土木工程結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫（如箱梁、橋塔、墩身、基礎(chǔ)等），可實現(xiàn)快速參數(shù)化建模。同時，符合規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)化建模方式是實現(xiàn)下文所述設(shè)計計算一體化的關(guān)鍵。由此看來，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)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(shù)的一個突出優(yōu)勢。碰撞主要分幾何碰撞和時間流程碰撞兩類，在設(shè)計階段主要針對的是幾何碰撞。對于橋梁設(shè)計而言，主要是結(jié)構(gòu)的碰撞、鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的碰撞，以及機電管線的碰撞。采用BIM技術(shù)進行正向設(shè)計，碰撞檢查可以有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，大大提高設(shè)計質(zhì)量。

設(shè)計分析一體化

設(shè)計團隊通常希望通過一個模型同時完成設(shè)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(guī)院基于自主研發(fā)的三維非線性計算分析軟件OSIS，編制了一套可參數(shù)化的命令流語言，通過修改參數(shù)來驅(qū)動橋梁模型，實現(xiàn)有限元模型的快速修改，以此參數(shù)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(shù)化建模軟件Dynamo提供的Python語言，將參數(shù)化腳本文件自動生成OSIS軟件能夠識別的命令流，從而根據(jù)BIM模型在分析軟件OSIS中生成節(jié)點、截面，并添加邊界條件，自動建立有限元模型，用于結(jié)構(gòu)總體計算。當(dāng)對BIM模型進行修改時，有限元模型也會自動修正，實現(xiàn)了BIM參數(shù)化建模與有限元總體計算的統(tǒng)一。

面對整個正向設(shè)計的全過程，公規(guī)院正在研究建立以數(shù)據(jù)為中心的橋梁全過程數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)智能設(shè)計體系，從而對設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率進行有效管理。

圖3.以數(shù)據(jù)為中心的橋梁全過程數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)智能設(shè)計體系

正向二維出圖

由于長期以來形成的習(xí)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(guī)定的前提下快速批量生成二維圖紙，是亟需提升的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對BIM軟件的二次開發(fā)，筆者團隊目前已基本解決了二維出圖問題。

施工階段

設(shè)計階段生成的BIM模型與施工階段無縫銜接是應(yīng)用BIM技術(shù)的一個重要目標(biāo)。施工階段對BIM的研究和應(yīng)用，重點在利用模型指導(dǎo)預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)、施工工藝的檢驗，并管理施工進度、質(zhì)量、成本。同時，根據(jù)施工的實際情況，也可以反過來修正設(shè)計BIM模型，最終形成用于數(shù)字化交付的施工模型。

鋼構(gòu)件預(yù)制和拼裝

公規(guī)院主持設(shè)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(shè)計和施工是大橋建設(shè)中的一個關(guān)鍵問題。為保證最終接頭的加工精度，團隊攜手設(shè)備制造企業(yè)實現(xiàn)了BIM模型在設(shè)計和預(yù)制環(huán)節(jié)的無縫銜接。將BIM模型導(dǎo)入數(shù)控機床，采用自主研發(fā)軟件自動進行工藝余量添加，通過半自動套料排版，數(shù)控機床自動化下料切割，之后再進行鋼構(gòu)件拼裝。這一技術(shù)顯著提高了新型整體預(yù)制安裝式鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率和精確度，縮短了設(shè)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(xié)同管理平臺

在施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)的關(guān)鍵是展示完整施工過程的BIM模型和相應(yīng)的施工管理平臺，確保可進行工程結(jié)構(gòu)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(zhì)量管理、數(shù)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(jié)果及對應(yīng)的工程量，為實際工程項目施工提供經(jīng)驗和最優(yōu)可行方案。將BIM模型附加施工進度計劃屬性參數(shù)，形成4D模型，可直觀展現(xiàn)計劃建造過程，并通過手機、iPad等終端溝通施工方、監(jiān)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(diào)整進度計劃，使管理者對工程量及進度一目了然。

施工監(jiān)控

長大橋國家中心在內(nèi)蒙古昭君黃河大橋的施工中，結(jié)合施工協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)了施工監(jiān)控，主要功能包括數(shù)據(jù)采集、在線分析評估信息、實時安全預(yù)警及決策等，達到了較好效果。

圖4.BIM+IOT+施工監(jiān)控（昭君黃河大橋）

智慧工地

目前的智慧工地，主要根據(jù)施工建造場景，按照人員安全管理、設(shè)備安全管理、結(jié)構(gòu)生長識別等內(nèi)容，通過多目標(biāo)、多角度、多環(huán)境、多距離的圖像采集，建立人員、設(shè)備、結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)庫，通過研究圖像智能化采集、標(biāo)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(yù)警、應(yīng)對，實現(xiàn)智慧化的工地管理。

運維階段

運維階段也是BIM技術(shù)應(yīng)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(jiān)測檢測信息處理任務(wù)，同時要實現(xiàn)針對危險及時預(yù)警和提出針對災(zāi)害的防治決策。因此，建立一個功能完善的建養(yǎng)一體化BIM管理系統(tǒng)是非常重要的，這也是BIM技術(shù)和智能技術(shù)發(fā)揮作用的重要戰(zhàn)場。

智能監(jiān)測和數(shù)字化巡檢

目前，監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測設(shè)備的智能化是研究熱點，在傳統(tǒng)監(jiān)測方式的基礎(chǔ)上，智能傳感設(shè)備及組網(wǎng)、非接觸式監(jiān)測等技術(shù)都進一步提升了監(jiān)測工作的智能化水平。面對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測與異常識別技術(shù)也在不斷完善，有效提高了應(yīng)急預(yù)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(xié)調(diào)中心，建養(yǎng)一體化BIM管理平臺承擔(dān)著重要職責(zé)。

除長期的監(jiān)測外，定期檢測同樣對橋梁損傷的發(fā)生和發(fā)展、結(jié)構(gòu)性能評估預(yù)測起著重要作用。對于約束關(guān)鍵裝置、主要受力構(gòu)件等關(guān)鍵部位，采用基于視頻增強的智能無損檢測等技術(shù)，融合機器學(xué)習(xí)、計算機視覺等新技術(shù)，再結(jié)合健康監(jiān)測系統(tǒng)、室內(nèi)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(jiān)測體系（智能傳感設(shè)備及組網(wǎng)、非接觸式監(jiān)測）

橋梁建養(yǎng)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(fā)基地建立了基于BIM的橋梁建養(yǎng)一體化云平臺，硬件設(shè)備主要來自監(jiān)控大廳和橋梁云數(shù)據(jù)中心，軟件系統(tǒng)則由橋梁運維BIM模型、橋梁實時感知系統(tǒng)和遠程傳輸系統(tǒng)、數(shù)字化巡檢系統(tǒng)、橋梁評估及預(yù)警決策系統(tǒng)組成。

抗災(zāi)及總體服役性能評估預(yù)警

在橋梁運維BIM模型上分析智能監(jiān)測和數(shù)字化巡檢得到的運維信息，可進行橋梁抗災(zāi)及總體服役性能評估預(yù)警，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集、養(yǎng)護計劃、巡查檢查、養(yǎng)護檢測評定、日常養(yǎng)護、養(yǎng)護工程等養(yǎng)護業(yè)務(wù)全過程的信息化、智能化管理。關(guān)鍵技術(shù)包括橋梁運維多源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及融合技術(shù)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)差異性病害計算機深度學(xué)習(xí)智能識別算法及特征提取技術(shù)、結(jié)構(gòu)重要性評價技術(shù)、關(guān)鍵構(gòu)件及結(jié)構(gòu)體系服役狀況評估技術(shù)、養(yǎng)護及性能提升關(guān)鍵技術(shù)等。

近年來，數(shù)字孿生與智能建造是兩個熱門話題。筆者認(rèn)為，智能建造建立在高度信息化、工業(yè)化、智能化的基礎(chǔ)上，而BIM模型是智能建造的基礎(chǔ)，也是將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在智能建造中的基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生技術(shù)，即指某種物理產(chǎn)品在數(shù)字化空間中的虛擬映射。事實上，公路行業(yè)所希望實現(xiàn)的BIM在橋梁全生命周期中的應(yīng)用，本質(zhì)上就是數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。只是目前限于建設(shè)管理模式和軟件技術(shù)水平，離真正的數(shù)字孿生尚有較大差距。

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