基于BIM的桥梁全生命周期管理研究初探

吴露方

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 引言

信息化的手段在桥梁施工过程的仿真中不断的深入运用，产生了很多传统手段不具备的新的理念，如3D、4D、5D，还有建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)理念和产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)理念。而这些理念在桥梁施工过程的仿真方面都具有重大的意义。这使得仿真进入了具有高度现实主义的程度，而不是以往的单独计算和表面的过程动画。可以达到精益施工，在保证安全的情况下，大大降低施工成本。尤其是对于施工难度较高的大跨度的桥梁施工过程。

PLM，面向产品全生命周期的集成建模技术［1］在工程建设行业得到广泛认可，本研究就是基于集成的平台解决方案下的桥梁施工过程的全面仿真的研究和应用以及多技术路线方案的对比研究。

达索系统的具有产品全生命周期的所有软件产品作为整体的集成解决方案［2］。作为PLM协同解决方案的一体化软件，达索公司具有全生命周期的管理软件ENOVIA、核心建模软件CATIA、分析计算软件SIMULIA、施工模拟软件DELMIA、交互漫游软件3DVIA。正因为是朝着一体化集成平台的理念，所以使得仿真进入一个新的高度。

2 CATIA建模

CATIA建模在桥梁方面的优势是它有一套智能化模板的工具和建模方法。对于不同用途和不同深度以及不同阶段模型的建模细节程度和建模方法都会有所不同，考虑应用的分级建模。

1)标准建立

项目在进行之前要建立标准，对建模命名规则和模型树进行初始化。同时，要做好协同作业的标准制定和人员分工，以及工作任务分解(Work Breakdown Structure，WBS)。

2)建模方法确立

前阶段黄俊炫等已经探索了CATIA文档模板+骨架驱动［3］的方法来避免桥梁构建相互组装的步骤，即事先把关键位置关系用简单的元素来确定，各个部件则参考这些元素进行建模，最后直接组合成为整个结构。这些关键的简单元素可以统称为骨架，它起到了枢纽的作用，既体现了构件之间的相对位置关系，也为各个构件的建模提供了共同的参考。

图1 桥梁建模方法

如图1所示，桥梁建模方法的确立，把达索CATIA的文档模板+骨架驱动的方法在桥梁业务流程中进行了实现。从设计规范开始，通过规范原则和参数来定义骨架，然后在骨架上用文档模板实例化二级模板，得到二级模型，然后再在二级模型的基础上实例化更加细节化的三级深化模板，再使用一些程序具有的功能来实现最终的模型。

这里的三级模型和二级模型和设计阶段没有一一对应关系。基本上，每一个设计阶段到要出结果的时候都是三级模型。二级模型只是一个过程文件。具体的每个阶段需要什么样的模型将在下一节中详述。

3)不同用途的模型分级

在投标阶段，模型基本上都是用来做动画的。所以模型要能快速建立，并不严格要求树结构有多么清晰，而是要求模型有良好的整体性。同一材质的面需要在放在一个零件Part中。这样赋予材料和贴图就比较容易。对于路灯、桥墩、栏杆等沿道路边线摆设的构件，使用知识整列(Knowledge Pattern)来快速生成，如图2所示。其路面也不需要有真实的起伏。因为真实起伏肉眼不能辨识。知识模板和知识整列是CATIA在桥梁应用中的精髓。通过模板和知识整列可以快速生成桥梁模型。不仅能在投标阶段的表皮模型中应用，同时也能在方案阶段、初设阶段和施工图阶段使用。

方案阶段的模型类似于投标阶段，但是要有更多具体的细节，比如有了地形也有了道路中心线的起伏，以及标志标线更加准确。这个时候也类似与投标时期的方法，就是把地形增加进去，如果业主只是为了看效果，对于地形地势不明显的也可以类似与投标阶段的处理，只是增加一些道路和绿化的细节。如果地势比较明显，高架起伏也比较明显的就要把真实的起伏建到模型中去。

初设阶段的模型要体现设计的某些局部，并且意见有些细部处理要体现。所以桥梁的梁段就要一段一段的实例化了，包含更多细节。另外其他构件比如桥塔也要细化。

施工图阶段的模型不仅要体现细节，还要考虑施工仿真过程的施工顺序。把不同时间节点的模型要分别放在不同的零件Part中，以方便施工方案模拟。

在施工阶段的模型主要体现施工深化的内容，施工附属设施，施工机械模型等等。模型的用途主要是用于重大施工专项的仿真模拟和现场状态的4D模拟和进度模拟等等。

运维阶段的模型主要是用竣工模型，主要是在施工阶段模型的最终版为基础。这个模型的用途，主要是在运维阶段连接运维数据库，增加在运维阶段需要的字段，以及需要接入的一些设备信息。

图2 知识整列快速建模

图3 ENOVIA对桥梁施工过程的管理仿真

3 ENOVIA管理桥梁设计和施工的全过程

桥梁的协同设计和施工过程模拟不仅仅局限于只对物理对象的狭隘的管理和模拟，不局限于对施工步骤的计算分析，对施工过程的动画模拟。还包括设计协同的流程管理、文档管理、人员管理等等，也包括桥梁施工过程管理方面的仿真和模拟，可以在施工正式启动前，对整个施工的过程的人财物进行事前的模拟和安排做到节约成本，减少劳动力，提高安全性，缩短工期等等优势。

如图3所示，作为一个平台级的管理软件ENOVIA以大型数据库作为PLM的基础。具有对桥梁生命周期全过程的管理。ENOVIA可以管理模型的建立过程，可以用来在流程中控制三维模型的质量和协同工作。在施工仿真模拟中起到了精益施工的作用。可以有效地控制施工过程中的模型管理，设备管理，物料管理和财务管理等等综合的施工管理平台。

ENOVIA能囊括桥梁施工过程的项目管理的方方面面:综合管理、范围管理、时间管理、费用管理、质量管理、人力资源管理、沟通管理、风险管理和外包采购管理。

桥梁施工过程的相关部分是在为施工项目启动之前做的项目运行准备、项目定义和项目计划。对人财物进行估计、预测和工作分解和分配等等。桥梁施工过程的管理仿真，使得仿真拓展了范围，从物理仿真到了人财物一体化的仿真。真正意义上的对一个项目进行仿真，提前发现问题，解决问题，节约了成本，降低了风险，缩短了工期。

4 DELMIA虚拟施工技术

虚拟施工技术就是将人、材料、机械设备和施工中的建筑物以及各种资源按时间顺序流程顺序和逻辑顺序建模并赋予一些行为和动作，这样就和真实世界一一对应起来了。本集成模拟系统用DELMIA这款集成在CATIA下的软件来实现的。不同于其他的仿真软件，DELMIA不仅仅是把模型根据时间进度动起来，更重要的是建立模型间的流程关系和逻辑关系，这样当方案调整的时候，仿真就能迅速修改重新模拟。

如图4所示，在进行DELMIA仿真前，要做好模型和准备可以用的资源。然后对施工过程进行流程的安排，最后在系统中按不同的资源和模型对流程进行系统整合。

通过简单的一个模型的案例，可以得到，如图5所示的DELMIA施工仿真模型和施工仿真甘特图，可以在DELMIA中直接运行施工模拟的动画过程和直接生成一个施工模拟动画的avi动画。

DELMIA仿真的特点是具有内在的模型逻辑关系，可以处理复杂的施工关系，包括资源、人员、设备、工序等等。可以对多个方案在一个模型和一套资源中进行表达。可以通过调整工序和逻辑关系自动更新甘特图。

图4 DELMIA的模型、资源、流程和系统

图5 DELMIA的最终模型和甘特图

5 3DVIA的大桥运维方案研究

通过三维建模对大桥建立一个精确的三维模型，并输入主要的结构、材料、几何、图纸和管理信息，建立三维的大桥信息模型。通过B/S架构接入视频信号和监控信息，在系统中对信息进行分析并作出报告和预警。最终实现大桥整体的三维巡视漫游，以及主要结构构件和设备的信息(包括图纸和照片)查询，且可实现信息的人工输入修改功能，并接入监控(包括摄像头)和检测(应力应变片)数据并进行分析和预警，以上功能都可以在轻量化的3DVIA软件平台中，高效运转，并生成网页格式文件。

6 其他可行的技术路线

1)CATIA建模和自建运维平台

通过命名规则定义模型的ID号，这些有规律的ID号可以为模型进行分类和模型的部分信息生成，通过后台数据库，建立运维中需要的字段，通过3DVIA生成模型的web文件，建立动态的网页进行数据和模型的管理。

2)其他建模软件和ENOVIA运维平台

其他BIM建模软件可以通过对模型和数据库的分离，把模型导入到3DVIA中，把数据库导出成Excel格式，然后通过Spinner导入到ENOVIA数据库进行管理。

3)其他建模软件和自建运维平台

其他BIM建模软件可以通过对模型和数据库的分离，把模型导入到3DVIA中，把数据库独立分离出来，通过后台数据库增加运维中需要的字段，通过3DVIA生成模型的web文件，建立动态的网页进行数据和模型的管理。

7 总结和未来研究方向

通过基于BIM的桥梁全生命周期管理的探索，我们对如何利用BIM技术为整个桥梁的全过程中带来巨大的效益有了更加深刻的认识，并总结提炼出了适用于桥梁结构特点的建模方法，模型管理方法和信息管理办法和施工管理办法，施工仿真模拟和运维管理等。

［1］达索系统，达索PLM解决方案在工程项目中的应用［C］．第三届工程建设计算机应用创新论坛论文集，第1－6页，2011，上海．

［2］达索系统，达索系统集团官方中文网站，http://www．3ds．com/cn/

［3］黄俊炫等，基于CATIA的大型桥梁三维建模方法，第十六届全国工程设计计算机应用学术会议论文集，2012，广州．