夏子立，高文博,景 強

(港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519000)

0 引言

根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《2020年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，至2020年末，我國公路橋梁數(shù)量已達91.28萬座。歷經(jīng)多年發(fā)展，橋梁建設已由“以建為主”轉變?yōu)椤敖B(yǎng)并重”。目前我國的橋梁運維數(shù)字化、智能化水平較低，橋梁運維管養(yǎng)、運行管控效率有待提升，亟需結合新興技術的發(fā)展，提升橋梁運維的總體水平。

BIM(Building Information Modeling)技術自應用于建筑工程領域后，各行業(yè)領域也逐漸認識到其功能優(yōu)勢及技術特點。交通運輸部《關于全面深化交通運輸改革的意見》對公路養(yǎng)護管理的信息化改革提出了具體要求,并在《關于推進公路水運工程BIM技術應用的指導意見》中明確指出BIM可實現(xiàn)工程設計、施工、養(yǎng)護以及運營信息傳遞共享和工作協(xié)同，促進工程建設項目全程信息化，要加強BIM模型數(shù)據(jù)應用，提升養(yǎng)護管理效能。因此，綜合運用BIM及其他相關的信息化技術，已經(jīng)成為橋梁運維技術研究與應用的發(fā)展趨勢。

1 BIM概述

1.1 BIM定義

BIM由美國查克伊士曼博士于20世紀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計與施工，包含幾何特性、構件功能及性能、施工過程信息等內容[1]。美國第一版國家BIM標準NBIMS描述BIM“是一種對某種設施的物理和功能特性的數(shù)字化表示”，強調其是建設工程的物理和功能的數(shù)字化表達，可用于工程信息交換[2]。我國于2016年發(fā)布的《中國市政工程設計行業(yè)BIM指南》將BIM定義為數(shù)字信息的集成和應用，是用于設計、建造、管理的數(shù)字化方法[3]。

隨著科學技術不斷發(fā)展，BIM的內涵也不斷豐富與深化，其含義從最初針對建筑工程設計與施工的計算機模型，逐步發(fā)展到包括建設工程全生命周期的信息模型、管理模型、協(xié)作模型等內容。當下，隨著我國數(shù)字化戰(zhàn)略的實施，BIM作為集工程、管理與計算機科學為一體的交叉領域，將會被行業(yè)及研究者賦予更為前沿與深刻的內涵。

1.2 BIM技術特點

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

(1)可視化：設計階段可將二維圖紙轉變成為三維立體模型，可在模型中附加質量、成本、進度等信息，將構筑物的設計意圖、空間布局等信息傳遞到施工階段。運維階段可與信息化系統(tǒng)集成應用，提供直觀的可視化效果。

(2)協(xié)同性：BIM技術可以優(yōu)化項目參建各方的信息溝通和協(xié)調方式，加強信息共享，減少資源浪費，提升協(xié)同效率。

(3)模擬性：BIM技術可以模擬不便于在真實世界中進行操作的事件，如碰撞檢測、聲場模擬、節(jié)能測試、緊急疏散、成本模擬以及造價控制等。

(4)優(yōu)化性：借助BIM可對設計、施工以及運維階段的方案進行優(yōu)化，如初步設計方案優(yōu)化、施工工藝優(yōu)化以及設施維護計劃優(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。針對橋梁建模方面的需求，我國相關設計應用單位基于上述平臺進行二次開發(fā)，以提升建模效率及針對性，相關軟件見表1。

1.4 標準制定情況

數(shù)據(jù)標準是BIM建模及數(shù)據(jù)傳遞的核心要素，在BIM的應用過程中，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)標準來進行規(guī)范指導。目前國際上通用的BIM標準為ISO標準，主要包括IFC(Industry Foundation Class)、IDM(Information Delivery Manual)、IFD(International Framework for Dictionaries)三大類。此外，某些國家也發(fā)布了相關標準，如美國的“國家BIM應用標準”、英國的“建筑業(yè)BIM標準”以及新加坡的“BIM應用指南和電子審查標準”等。

我國的BIM標準制定和研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)在國家層面、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標準，形成了相對完整的標準體系。2007年發(fā)布了《建筑對象數(shù)字化定義》(JG/T198-2007)，國家質量監(jiān)督檢驗總局和國學標準化管理委員會于2010年發(fā)布了《工業(yè)基礎類平臺規(guī)范》(GB/T25507-2010)。2016至2019年間，住房和城鄉(xiāng)建設部相繼發(fā)布了多個建筑信息模型應用、設計交付、項目施工以及分類編碼等類型標準。地方層面如北京、上海、廣東、重慶等地也相繼發(fā)布了相應的BIM標準。隨著BIM技術在公路工程、市政工程方面的應用，該領域亦陸續(xù)發(fā)布了相關的標準(表2)。

表2 公路與市政工程BIM標準

目前，建筑工程領域的BIM標準較多，公路市政及橋梁工程領域的相關標準較少，并主要集中在設計、施工階段，與運維業(yè)務相關的標準非常少。國際上較為知名的是COBIE(施工運營建筑信息交換)，目前正在編制及已經(jīng)發(fā)布的公路與市政公用工程標準，亦沒有將橋梁部分的運維階段需求納入，基本限于施工圖階段。目前大多數(shù)標準集中在軟件功能、信息交換、分類編碼、信息術語等方面，主要分為信息標準、編碼標準以及應用指南等類型。

2 BIM的研究與應用概況

2.1 BIM研究

通過CNKI數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計分析我國2011年～2020年對BIM的研究情況，總體情況如下：2011～2018年，針對BIM的研究快速增長，其在工程中的實際應用逐步增加；2011年～2020年BIM關于運維應用方面的研究較少，大多數(shù)研究集中在設計、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，筆者認為這并不是因為工程信息化、數(shù)字化研究的熱度降低，而是隨著數(shù)據(jù)科學、人工智能等新興技術的快速發(fā)展，與BIM相關的研究主題已經(jīng)轉向AI輔助設計、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，未來關于新興技術與BIM結合的研究會越來越多。2011年～2020年BIM研究論文統(tǒng)計情況如圖1所示。

圖1 2011年～2020年BIM研究論文統(tǒng)計情況

2.2 BIM在橋梁運維方面的應用

目前BIM在橋梁工程的應用及研究主要集中于設計和施工階段，運維階段的應用較少。BIM在橋梁運維階段的應用主要體現(xiàn)在其與橋梁運維信息化系統(tǒng)的集成應用，可實現(xiàn)橋梁運營階段的數(shù)據(jù)整合及業(yè)務可視化管理，提高項目的維養(yǎng)效率及信息化水平。近年來，越來越多的橋梁工程基于BIM構建了項目級橋梁管養(yǎng)信息化系統(tǒng)，部分應用案例見表3。[5-14]。

表3 部分橋梁運維階段BIM應用案例

2.2.1 BIM與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的融合

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是橋梁結構安全監(jiān)測與評估的關鍵技術手段之一。目前健康監(jiān)測系統(tǒng)存在信息可視化程度低、數(shù)據(jù)可讀性差、系統(tǒng)維護效率有待提升等問題；BIM與健康監(jiān)測系統(tǒng)的融合應用，可提升監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化以及系統(tǒng)信息化水平，提高系統(tǒng)日常維護效率?；贐IM可將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至三維模型，實時查看橋梁結構的內力狀態(tài)以及損傷情況，對橋梁結構進行實時的安全評估、預警和決策[15]。通過“BIM+GIS”數(shù)據(jù)結合，可實現(xiàn)現(xiàn)場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、構件類型等信息[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，具備較強的數(shù)據(jù)管理能力[17]。

國內外學者對BIM與橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的融合應用進行了廣泛研究。陳虹穎[18]基于BIM開發(fā)了橋梁健康監(jiān)測的附加模塊，實現(xiàn)風速、變形、應力等信息的可視化；李明柱[19]等提出基于BIM的橋梁監(jiān)測信息關聯(lián)交互、實時數(shù)據(jù)分析和預警方法；耿方方[20]等提出基于BIM的監(jiān)測系統(tǒng)架構；劉天成[21]等基于平塘特大橋構建橋梁運營維護期的建養(yǎng)一體化平臺，實現(xiàn)BIM平臺對橋梁監(jiān)測信息的實時獲取、分析、評估和預警決策。Cong Ye[22]等以斯塔福德郡鐵路橋為例，介紹了結構健康監(jiān)測系統(tǒng)和BIM數(shù)據(jù)的整合應用，該項目將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時集成至動態(tài)的BIM環(huán)境中，通過可視化的手段分析應力、應變隨時間演化與分布情況；Brodie Chan[23]等以澳大利亞Pyrmont橋為例介紹了基于BIM的橋梁運維管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將巡檢圖片在BIM模型上鏈接定位，通過不同顏色展示的方式對BIM模型構件進行評級標記，以可視化的方式實現(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)是關于橋梁數(shù)據(jù)、橋梁巡檢、狀態(tài)評估、結構退化預測、維護對策和計劃以及經(jīng)濟分析的信息化系統(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)結合并進行直觀展示，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與諸多新技術的集成應用為橋梁管養(yǎng)系統(tǒng)的功能提升提供支撐，其與RFID技術的集成可實現(xiàn)實體構件二維碼與BIM模型的映射對應[24]；BIM與無人機聯(lián)合應用可對高大橋梁、人工難以到達的部位進行檢測，并可將檢測數(shù)據(jù)與BIM模型進行映射[25]；BIM與AR技術集成可將虛擬模型環(huán)境與人所處的真實環(huán)境相融合，有效輔助現(xiàn)場運維作業(yè)[26]。

國內外的專家及學者對于BIM、GIS、大數(shù)據(jù)等技術與橋梁管理系統(tǒng)的融合進行了研究。馬繼駿[27]等基于現(xiàn)行國家及國際編碼標準，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、結構智能分析與狀態(tài)評估、智能維養(yǎng)管理等功能于一體的數(shù)字化大橋運維平臺總體設計；萬春風[28]等針對京杭大運河斜拉橋的維養(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為例，融合BIM、GIS、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無人機傾斜攝像等新技術，構建面向橋梁設計、施工、管養(yǎng)構建大型橋梁管養(yǎng)平臺；翟曉卉[30]等研發(fā)基于“BIM+GIS”的道路橋梁運維管理平臺，重點解決長距離線性工程BIM和GIS的數(shù)據(jù)融合和可視化應用展示問題。Hakdaoui Sofia[31]等以摩洛哥穆罕默德VI橋為案例，基于“BIM+GIS”實現(xiàn)橋梁的可視化表達，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM模型融合，基于機器學習和人工智能算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化分析；歐盟委員會于2014年開始研究自動化、智能化的橋梁檢測與管理平臺“SeeBridge”，該系統(tǒng)融合三維激光掃描、機器學習和BIM等技術，嘗試打通橋梁檢測、模型重建、狀態(tài)評估的全過程數(shù)據(jù)鏈，并利用實測數(shù)據(jù)直接生成BIM模型，在BIM模型基礎上對橋梁狀態(tài)開展詳細的評估分析[32]。

3 BIM在橋梁運維階段應用的不足

BIM在橋梁建設及運維方面已得到一定的應用，但仍存在諸多不足。總體來說，其在橋梁運維階段的應用還存在以下問題：

(1)應用研究不足。相對建筑工程領域，BIM技術在橋梁工程中的應用較少，特別是對橋梁運維階段的研究和應用尚處于初始階段。

(2)缺乏針對性的設計與建模軟件。相對建筑工程，橋梁工程在設計、施工和運營階段均缺乏相應的BIM設計與建模軟件，導致不同的設計軟件之間數(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)應用標準缺乏。目前，無論是國家還是行業(yè)層面，均缺乏橋梁工程各階段業(yè)務的統(tǒng)一標準，導致設計、施工階段的模型數(shù)據(jù)難以在運維階段發(fā)揮作用，數(shù)據(jù)難以延續(xù)與傳遞。

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

4 總結與展望

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

(2)BIM技術可以為橋梁維養(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，但其在橋梁運維階段的應用還存在應用研究不足、針對性建模軟件及統(tǒng)一標準缺乏、模型與仿真計算通道未能打通等問題。

(3)BIM技術在橋梁運維階段的應用，還需與眾多新興技術如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等進行融合應用；進一步構建橋梁工程全生命周期的BIM標準體系，打通各階段的數(shù)據(jù)孤島；加強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)；進一步與橋梁管養(yǎng)一體化平臺的深度融合及集成研究，提高展示的精細化和流暢度，最大限度地發(fā)揮BIM的數(shù)據(jù)管理及可視化價值。