基于BIM的在役大跨度桥梁智能化养护管理技术

武 斌, 谭卓英, 张颂娟, 于忠涛

(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京 100083; 2. 辽宁省交通高等专科学校 建筑工程系, 辽宁 沈阳 110122)



基于BIM的在役大跨度桥梁智能化养护管理技术

武 斌1,2, 谭卓英1, 张颂娟2, 于忠涛2

(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院, 北京 100083; 2. 辽宁省交通高等专科学校 建筑工程系, 辽宁 沈阳 110122)

建立大跨度桥梁结构BIM模型,为在役桥梁管养工作建立一个信息输入、储存、调用的可视化平台,并结合现有的桥梁管理系统,实现对在役大跨度桥梁的智能化管养.实现数据的实时更新和修正,使桥梁信息在管养期间得到有效的组织和跟踪;建立BIM数据库与可视化平台,实现三维模型以及相关数据信息的可视化展示与查询;将大跨度桥梁管养软件化,形成具有养护计划提醒、安全预警、结构性能评估、4D模型展示、辅助决策等特定功能的软件模块.

BIM; 大跨度桥梁; 智能化; 数据库; 管养系统

经过改革开放30多年的发展,我国公路桥梁建设取得了举世瞩目的成就.截至2014年年底,我国公路桥梁总数已达75.71万座,总长42 578.9 km.辽宁省公路建设走在全国的前列,高速公路主线桥梁13 402座,955 216.5 m,其中单孔跨径大于40 m的桥梁共计240余座.

总体上,辽宁省桥梁建设正处于旧桥需要大面积维护和新建桥梁高速发展的特殊时期,随着现役公路桥梁病害的增多,特别是跨海、跨江、跨河、山区等大跨度公路桥梁的建设造价昂贵,且难度和技术要求也越来越高,养护与维修工作日趋繁重.制定合理的管养方法,保障结构的安全适用,已成为桥梁管养研究的重要内容.如辽河大桥、长山大桥、中朝鸭绿江大桥等,如图1所示.

图1 辽宁省特大型公路桥梁

1 在役大跨度桥梁养护管理存在的问题

在役大跨度桥梁结构复杂,定检、特检数据量大,特别是养、修、管信息交流不畅,易造成桥梁管养资金的浪费.桥梁养护过程中涉及多个部门,各个部门有各自的信息系统,因为采用不同的数据格式和交换格式,导致无法整合到统一的数据平台上进行统计分析和数据挖掘,不能有效实现业务数据共享,从而使得各个部门之间难以实现高效协同,决策者难以通过统一的数据展示平台及时全面地掌控桥梁运营状态.如何建立在役桥梁不同部门、不同阶段、不同类型数据的连接,实现桥梁管养信息共享与实时更新,在宏观上实现管养工作查询,养护方案比选,管养成本控制及管养决策,是我省桥梁管养有待解决的问题.

2 BIM在项目运营维护管理中的应用分析

2.1 BIM的概念

BIM(Building Information Modeling)是以建筑工程项目的各项相关信息数据为基础,建立建筑模型,通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息.BIM技术是一种数据化工具,通过建筑模型整合项目的各类相关信息,在项目策划、设计、建造、运行和维护的全生命周期中进行信息的共享和传递,在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用.其具体的信息共享过程如图2所示.

图2 基于BIM的信息共享平台

一个完善的信息模型,能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源,是对工程对象的完整描述,可被建设项目各参与方普遍使用.BIM具有单一工程数据源,可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题,支持建设项目生命期中动态的工程信息创建、管理和共享.建筑信息模型同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化方法,这种方法支持建筑工程的集成管理环境,可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率和大量减少风险.

2.2 桥梁工程中的核心BIM建模软件简介

由于桥梁工程的重要性及复杂性,所有的桥梁问题都不能单独的依靠某一个软件加以解决.对于全寿命周期的建设过程,涉及的专业很多,参与的人员复杂,涉及的软件也就多种多样.其中,BIM核心建模软件是BIM技术的基础,是确定BIM技术路线的重要因素,因此,对于应用BIM的建设项目来说具有重要的作用.本文参考AGC(美国总承包商协会)及何关培[1]对BIM核心软件做了归类,见表1.

由于BIM及BIM相关软件种类多,数量大,本文仅针对表1中所列部分软件在工程建设中的应用进行了调研统计,见图3.

图3 BIM软件比例图

产 品 名 称 厂 商BIM用途何关培RevitArchitectureAutodeskt建筑和场地设计RevitStructural结构RevitMEP机电BentleyArchitectureBentley多专业BentleyStructuralBentleyBuildingMechanicalSystemsArchiCADNemetschekGraphisoft建筑、机电和场地AIIPLANVectorworks建筑DigitalProjectGeryThchnologyDassault多专业CATIAAGCRevitArchitectureAutodeskt建筑和场地设计AutoCAD

续表1

根据表1所示,国内外对主流BIM软件的认同度基本相同,但是多集中应用于工程项目的设计、施工中,而在工程项目的运营管理中则涉及较少.根据图3分析,国内外主流BIM软件的应用约占目前BIM软件的46.6%, 四大类主流BIM软件中Revit的应用最为广泛,约占总量的37.4%.适用于桥梁工程等基础设施建设的BIM软件的应用比重仅占7.1%左右,应用并不广泛.因此,BIM在桥梁工程中的应用,特别是在桥梁工程运营管理中的应用变得更加困难,亟待找到解决的方案.

2.3 BIM在项目运营维护管理中的研究现状

传统的项目运营管理存在着资料数据不准确,内容残缺,资料查询困难,不能二次利用等缺点.而BIM在项目运营管理中具有天然的优势,能很好的解决在役大跨度桥梁养护管理存在的问题,同时应用的难度也颇大,见图4.目前,关于BIM在项目运营维护管理中的应用研究也逐渐成为一个热点:钟恩扬[2]利用现有的桥梁管养信息系统,将静态管养系统,转变为动态智能化管养系统.许烈平[3]根据层次分析法建立了桥梁缺损评价模型,根据模糊贴近度综合评判法建立了桥梁承载能力评价模型.李亚君[4]以港珠澳大桥实际工程为背景,主要研究了电子化巡检养护和结构健康评估方面的应用.张忻[5]通过BIM模型建立、引入地理信息系统等手段,实现道路桥梁设施管养业务的信息化.陈艾荣等[6]通过分析桥梁大数据的种类和特征,提出了大数据桥梁管养技术定义和目标,给出了基于大数据挖掘的桥梁管养若干应用构想.王同军[7]基于BIM的铁路工程管理平台发展模式,阐述基于BIM的铁路工程管理平台建设思路.纪博雅[8]等结合BIM技术在奥运村项目运营管理中的应用,得出了BIM技术应用到运营管理中可以体现数据存储借鉴、便捷信息表达、设备维护高效、物流信息丰富、数据关联同步等优势的结论.王小翔[9]对BIM的特点和BIM运维管控技术的价值进行分析,对其不足和发展空间进行探讨.胡振中等[10]从技术层面和应用层面对当前国内外BIM运维的研究和应用现状进行综述.王婷等[11]通过BIM在工程运营阶段集成信息管理的可行性研究,提出以BIM技术为基础,融合WEB等开发手段的BIM模型浏览与工程数据库管理的交互平台.武大勇[12]提出了一个基于云计算的BIM运营维护平台方案.

图4 BIM在全寿命周期中收益-复杂关系

3 基于BIM的大跨度桥梁管养技术

本文依托BIM数字化、可视化以及模型信息可更新性的特点,为在役桥梁管养工作建立一个信息输入、储存、调用的可视化平台,并结合现有的桥梁管理系统,实现对在役大跨度桥梁的智能化管养,从而提高养护管理的效率,提高养护项目的准确性和高效性.

3.1 在役大跨度桥梁BIM数据库与可视化平台

桥梁BIM数据库,用于存储和调用桥梁不同类型的数据信息.根据桥梁管理养护过程中数据信息性质的不同进行分类,建立包括材料信息、几何信息、运营检测信息、加固维修记录、养护策略信息等在内的一体化多元信息集群;数据库支持项目运行期间动态信息的创建、共享、更新,并提供用户管理、权限控制等功能,从而确保用户在权限范围内访问、交换数据,并保证数据的一致性、完整性,避免数据冲突,减少数据冗余.

BIM模型的可视化控件直接嵌入到网页浏览器中,实现桥梁三维模型与管养信息的可视化展示,便于桥梁管养数据快速、便捷的查询.同时,BIM模型的可视化平台实现基于B/S架构,利用已有的三维展现技术在浏览器中展现建模软件生成的三维模型.可视化平台为用户提供一个交互式操作BIM数据的三维图形界面,根据应用者职能的不同,实现不同权限数据查询与修改,最大化地提供与职能相关的信息.可视化平台系统结构见图5.

图5 可视化平台系统结构

3.2 在役大跨度桥梁智能化养护管理功能模块

将大跨度桥梁管养系统程序化,形成具有特定功能的模块,实现管养工作的自动化与智能化,避免人为原因造成的纰漏,提高工作效率.具体功能模块见图6.

养护计划提醒功能模块: 实现养护计划定时提醒的功能. 根据需求将其程序化, 并在BIM模型设置特定的启动值, 实现养护计划自动预警功能, 并且能够较为精准地制定各项运营维修计划.

4D模型展示功能模块:在三维模型的基础上,引入时间因素,通过拖动BIM平台相应功能键,实现桥梁病害随时间渐变的展示功能,并给出裂缝三维展开图以及裂缝宽度、关键截面挠度、应变、桥梁基频等数据随时间变化的曲线,为桥梁病害发展及结构状态预测提供参考.

图6 智能化管养功能模块

结构性能评估功能模块:该模块包含桥梁技术状况评估、安全性评估和耐久性评估三个部分,是在桥梁管理系统相应功能模块的基础上,进一步完善各部分功能,达到智能评估的目的.

风险预警功能模块:实现桥梁风险预警的功能.包含耐久性风险、安全性风险和使用性风险三方面,在BIM平台预设结构状态限值,当检测收集到的基本数据超过设定的临界值后,触发预警系统,并向管理部门实时汇报,及时采取措施.

养护方案优选功能模块:基于BIM精细化模型和大量的管养数据,应用相应的数学模型进行可视化分析,宏观地进行养护方案比选、成本控制及工程量计算等,制定科学有效的养护计划,来保证较高的服务水平.

辅助决策功能模块:管理部门和专家可以通过系统数据实时监控桥梁状态,对数据进行分析和评估,并给出养护决策建议,实现人工和智能两级管理.

3.3 基于BIM的在役大跨度桥梁管养方案实施技术

结合以上研究成果,形成完整的基于BIM的集成化、便捷化、直观化的大跨度桥梁智能化养护管理技术,具体见图7.

图7 智能化管养实施技术

借助BIM信息集成化、可视化的优势,实现BIM模型与管理系统各功能模块的信息输入、输出,有效地进行数据传递.

针对大跨度桥梁养护期出现的各种病害,分析其成因,提出反应病害程度的关键特征指标,并根据桥梁的结构特点和工程实践经验,对长期运营过程中结构可能存在的病害以及管理养护方法进行系统整理和分析,为养护决策提供参考.

将BIM成果转化为养护数据输入到桥梁管理系统中,生成管养决策信息的管养报告,便于管理者标注审核与利用.同时,根据管养方案实施后桥梁的养护数据对BIM模型进行信息更新修正,以此提高工程的养护质量、工作效率和科学管理水平.

4 结 论

由本文的研究分析,可以初步得到以下结论:

(1) 基于BIM模型实现数据的实时更新和修正等功能,使桥梁信息在管养期间得到有效的组织和跟踪.

(2) 建立BIM数据库,存储桥梁运营过程中大量的、不同类型的数据,支持项目运行期间动态信息的创建、更新,保证数据的一致性、完整性;建立BIM可视化平台,实现三维模型以及相关数据信息的可视化展示与查询.

(3) 将大跨度桥梁管养软件化,形成具有养护计划提醒、安全预警、结构性能评估、4D模型展示、辅助决策等特定功能的软件模块.

(4) BIM模型与桥梁管理系统相结合,形成了基于BIM的集成化、便捷化、直观化的大跨度桥梁智能化养护管理技术.

(5) 国内外主流BIM软件的应用约占目前BIM软件的46.6%, 四大类主流BIM软件中Revit的应用最为广泛,约占37.4%.适用于桥梁工程等基础设施建设的BIM软件仅占7.1%左右,应用并不广泛.

(6) BIM和现有的桥梁管理系统相结合的智能化的养护管理技术,能很好的解决在役大跨度桥梁养护管理存在的问题,具有很好的应用前景.

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【责任编辑: 赵 炬】

Long-Span Bridges in Service of Intelligent Maintenance Management Technology Based on BIM

WuBin1,2,TanZhuoying1,ZhangSongjuan2,YuZhongtao2

(1. School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Department of Construction Engineering, Liaoning Provincial College of Communications, Shenyang 110122, China)

The long-span bridges structure BIM model was built. Combining with the existing bridge management system, it can build an information input, storage and invoking visualization platform for bridges in service maintenance work. With this model, the data could be updated and corrected in real time, and the bridge information can be effective organized and tracked during the maintenance time; the BIM database and visual platform could be built, which could achieve visualization display and query of three-dimensional model and relevant data information; the long-span bridge maintenance management could be realized by software, which has the modules to realize the functions of maintenance program reminders, security alerts, structural performance evaluation, 4D model display, assistant decision-making and other particular function.

BIM; long-span bridges; intelligent; database; maintenance management system

2016-07-08

国家自然科学基金资助项目(51174013).

武 斌(1979-),男,辽宁沈阳人,北京科技大学博士研究生,辽宁省交通高等专科学校讲师; 谭卓英(1965-),男,湖南涟源人,北京科技大学教授,博士.

2095-5456(2016)06-0497-06

U 447

A