基于BIM的大跨度桥梁PHM系统关键技术研究与应用

潘永杰，赵欣欣，刘晓光，魏乾坤，芦永强

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

截至2016年底，我国铁路营业里程为12.4万km，其中高速铁路运营里程超过2.2万km，居世界第1位。2016年在建和新建的高铁线路达100项，施工标段超过800个。随着高速铁路的快速建设，运营里程大幅增加，对运营安全保障、运营品质提升、基础设施运行状态的要求也在不断提高。

当前，以桥梁为代表的高速铁路基础设施状态管控主要通过常规检定试验、专项长期监测、周期性综合检测车和人工巡检相结合的方式实现[1]。然而，大量人工巡检日志未电子化和信息化，对复杂立体结构病害描述繁琐，海量监测数据难以直接指导桥梁的检修，各类监测检测数据关联程度低，缺少联动分析，无法综合有效地开展桥梁结构的健康管理。故障预测与健康管理PHM是一种全面故障检测、隔离、预测及健康管理的技术[2]。PHM代表了一种方法的转变，一种维护策略和概念上的转变：即从基于传感器的诊断向基于智能系统预测的转变，为在准确的时间对准确的部位进行准确的维护活动提供了技术基础。

以BIM为核心的信息化技术正广泛应用于铁路工程建设。目前，中国铁路总公司组织搭建的铁路工程建设管理平台已覆盖48个建设单位，202个工程项目，极大提高了工程建设的质量和管理水平[3]。以全生命周期理念为内涵的BIM技术为运维期的延伸应用提供了条件[4-5]。因此，应从桥梁结构主动维护的理念[6]出发，研发基于BIM的PHM运维管养系统，实现设计、施工和运维多源数据信息的采集、上传、关联、存储和分析，为桥梁运营部门提供日常管理和决策服务。

本文从大跨度桥梁PHM系统设计、构件分类编码及BIM模型创建、多源信息关联、病害库管理等方面开展研究，探索BIM技术在铁路大跨度桥梁运维管理中的应用。

1 基于BIM的大跨度桥梁PHM系统设计

1.1 总体架构

为适应信息化的发展和满足多层次的应用，PHM系统宜支持局域网(C/S)、广域网(B/S)、移动互联网(M/S)、云服务等多种展现形式[7]。

考虑系统功能及使用方式的灵活部署，相关业务流程、数据和成果的多方位管理以及使用人员的全方面覆盖，PHM系统整体架构设为5层，如图1所示。

图1 PHM系统架构

PHM系统设计采用SAAS(Software-as-a-Service)系统架构来构建多租户、多数据库的模式：一方面，通用功能模块能够快速部署，个性化需求以单独模块开发；另一方面，不同租户(桥梁管理单位)有不同的数据库，有效提高了数据的安全性。SAAS不仅减少了租户的投入成本，而且减少了系统开发者的维护成本，是一种先进的架构技术。

1.2 系统功能

基于BIM价值及PHM先进理念，设计大跨度桥梁PHM系统的主要功能，如表1所示。

表1 基于BIM技术的大跨度桥梁PHM系统主要功能

1.3 系统特点

基于BIM的PHM系统具备以下技术特点：①开放性。选用开放式的技术架构，插件式框架开发，每一个模块以微服务Restful的形式供系统调用并可独立运行，各模块集成后形成有机整体，可实现系统的持续集成和后期扩展。②便捷性。采用客户端(C/S)、广域网(B/S)、移动互联网(M/S)3S 网络架构，满足不同使用层级的管理要求，方便用户使用。③可视化。基于桥梁运维BIM模型，关联和存储不同阶段、不同来源的数据信息，并结合日常管养的业务流程进行可视化管理和展示。④标准化。建立大跨度铁路桥梁病害库，对病害类型和劣化等级进行定义，实现病害描述的规范化和标准化，为病害库的统一管理和维修知识库的建立提供标准化流程。⑤智能化。通过内置算法库和模型库，实现大跨度桥梁的损伤预警和状态评估的智能化判别，可提高决策质量和效率。

2 基于BIM的大跨度桥梁PHM系统关键技术

2.1 构件分类与IFD分类编码

1)构件分类

构件分类即对桥梁结构(模型组织结构)的合理拆分，不仅应遵循桥梁本身的结构体系，还需考虑面向运营对象的特殊需求，尤其应符合现行高速铁路桥隧建筑物修理规则中的固有模式[8]。由于运维管理对象、施工阶段对象并非一一对应，因此需要重新组合或分解，以便保持与运维规则协调统一，满足不同层级或部门的实际要求。

大跨度桥梁结构的构件分类一般按照由整体到局部、由概念到具体的划分原则，通过细化至最小构件单元层，实现多源信息与对应构件模型的直接关联。组成最小构件的各个零件不单独进行定义，否则会导致构件数量繁冗，使得数据库被大量价值较低的细节信息所占据，增加信息维护和系统运行成本。

以南京大胜关长江大桥为例，首先根据专业(桥梁)、项目和部位进行划分，然后根据局部结构、细部结构对具体构件类别划分。同层级分类构成并列关系，不同层级之间构成隶属关系，见图2。

图2 大胜关长江大桥构件分类

由图2可知，构件分类较好地反映了大胜关长江大桥结构的层级关系，符合运维信息的处理习惯。大胜关长江大桥分类的最小单元为构件，对构件以下的零件级别不再进行划分。例如上部结构-主桁-上弦杆，上弦杆为最小的构件单元，具体的拼接板、加劲肋、螺栓等零件不再单独成件，仅通过零件模型或构件属性信息体现。

2)IFD分类编码

通过构件分类实现了桥梁结构基于结构树概念的层级划分。为实现PHM系统各模块之间基于BIM模型的信息互通，还应编制有效的识别编码。

以《铁路工程信息模型分类和编码标准》(1.0版)中表53-铁路工程构件分类为基础[9]，建立基于IFD分类编码的技术应用框架。表53主要面向设计和施工阶段，若应用于运维还需结合具体桥梁结构进行适当扩充或修正。随着多种类型桥梁的累积应用，分类编码不断完善和拓展，逐步形成大跨度桥梁IFD分类编码的标准化体系。

IFD编码信息作为属性直接赋予相应的模型层级和构件，有效实现了桥梁结构部件、构件的准确辨识。以南京大胜关长江大桥为例，其下部结构和附属设施IFD分类编码见表2。

表2 大跨度桥梁下部结构和附属设施IFD分类编码

2.2 BIM模型

PHM系统以桥梁运维BIM模型为载体，实现设计、施工、运维阶段不同来源数据的关联。因此，应建立适用于桥梁运维的BIM模型，需考虑的关键环节：①BIM运维模型单元的几何精度及信息深度等级；②按照构件分类进行BIM模型的整体划分；③制定编号规则，创建BIM模型编号体系；④创建几何信息和非几何信息数据库，并通过BIM模型关联；⑤采用参数化建模，搭建构件库，提高建模效率和模型可更改性。

构件的分类编码是基于属性或特征对某一类别构件的区分，目的是形成便于有效识别的“字典”，具有通用性。大跨度桥梁结构形式复杂，体量庞大，构件数量众多，因此对于同一类别的多个构件，仅有通用“字典”不足以识别到每一个构件，还需在分类编码的基础上制定具体的编号规则，才能为构件BIM模型信息的准确关联提供条件。

构件编号规则是在构件分类的基础上进行层级扩充，除项目、结构部位、局部结构和细部结构层级外，还应考虑孔跨、桁别、流水号等匹配因素，为每一层级进行编号，进而形成所有运维构件单元的唯一编号。

大胜关长江大桥BIM模型采用主流软件CATIA构建，通过编制构件清单表(Bill of Material，BOM)，利用二次开发生成CATIA可以识别的产品结构数据文件，并按照设计图纸以参数化方式创建构件库。采用模型实例化方式形成链接关系，最终生成运维阶段桥梁模型。BOM表中上部结构 3 480 项，下部结构、支座及附属结构共281项。附属结构BIM模型见图3。

图3 附属结构BIM模型

2.3 多源信息关联

运维阶段是桥梁全生命周期中持续时间最长、涉及信息量最多的阶段。不仅包括设计、施工和运维多阶段，还涵盖结构化和非结构化多层次信息，为桥梁结构主动养护提供了基础和支撑。因此，为实现基于BIM模型的信息管理，必须研究信息关联技术。

1)信息关联

在运维BIM模型中，构件单元作为桥梁结构划分的最小层级，是多源信息传递、集成、融合和流转的基本载体。多源信息一部分基于BIM模型直接写入，其余部分基于编号规则生成计算机可识别的唯一构件编码，通过数据库进行关联。

在系统研发过程中，BIM模型以HSF(Hoops Stream File)格式存储，设计信息以SQLite数据库的方式存储，与BIM模型以GUID形式关联；施工和运维数据通过关系型数据库存储，与BIM模型通过构件编码关联，进而实现不同阶段信息与BIM模型的关联。PHM多源信息关联见图4。

2)设计信息

考虑工程语言为二维设计图纸的应用现状，结合以构件为最小单元的运营理念，将几何信息、IFD编码和图纸编号作为构件BIM模型的基本属性，其他设计属性信息如材质、混凝土强度等级等通过数据库的方式批量添加，实现了设计信息与BIM模型的关联和直观展示。桩基础设计信息如图5所示。

图4 PHM多源信息关联

3)施工信息

对大部分服役桥梁而言，施工阶段信息多以纸质材料呈现，数量众多，类型复杂，且以非结构化数据如文本文档、视频、图片等为主，难以查阅和管理。针对这一情况，参照施工阶段相关质量验收标准的分类[10]，建立档案资料管理模块，将施工阶段资料(施工过程资料、质量验收资料、竣工资料等)扫描后上传系统，可利用施工信息编码实现对施工资料的分类管理和查看分析。

施工信息编码可以作为BIM模型的属性信息添加到数据库中，能够实现与非结构化施工属性信息的关联。为此，开发批量添加工具(见图6)将施工或设计信息添加到BIM模型属性信息的数据库，实现电子化资料与BIM模型关联，方便施工阶段信息的追溯和查看。

4)运维信息

运维信息通过数据库与BIM模型进行关联。大跨度桥梁运维阶段主要涉及在线监测(桥梁本体、轨道结构及关键构造)、桥梁巡检、养护维修、综合检测车等数据，通过数据库的不断更新实现时空运维信息的集成和存储，进而利用各种专业分析手段服务于大桥管养。运维阶段BIM模型数据集成见图7。

图6 批量上传设计及施工属性信息的工具

2.4 病害库管理

为实现病害的标准化描述，最大程度减少人为因素影响，根据铁路桥梁维修规则和大跨度桥梁病害特征，在PHM系统内建立通用的大跨度桥梁病害库，对病害类型和劣化等级进行明确定义。

PHM的MS端即智能巡检APP，不仅实现了病害定位的三维可视化、现场病害分类规范化和病害描述统一化，而且建立了IFD分类编码和病害库一对多的映射关系。通过设计不同桥梁类型，按照孔跨、部位、类别的权重，利用专用算法库对病害评分，实现基于桥梁巡检信息的状态评估，为养护维修提供决策依据。基于IFD的病害关联见图8。

图8 基于IFD的病害关联

3 结论及展望

大跨度桥梁PHM系统具有非常丰富的内涵，故障预测与健康管理是目标，大数据分析和状态模型构建是核心技术，BIM则是有效的手段和工具。本文设计了PHM系统功能框架，探索了基于BIM技术应用的关键技术，得到如下结论：

1)PHM系统宜支持局域网(C/S)、广域网(B/S)、移动互联网(M/S)、云服务等多种展现形式，应具有开放性、便捷性、可视化、标准化和智能化的技术特点。

2)对大跨度桥梁开展基于IFD的构件分类和编码工作，建立符合现场应用的分类体系，并以此作为相关信息的关联介质和系统识别手段。

3)结合设计信息及运维管理需求，探索了适用于桥梁运维应用的BIM模型相关技术，在重新组合优化的基础上构建了运维阶段桥梁BIM模型。

4)探索了大跨度桥梁多源信息的关联技术，基于数据库实现设计、施工和运维多源数据的管理，通过GUID和构件编码实现基于BIM模型的关联，为PHM系统的多源数据分析提供支撑。

现阶段，BIM技术在桥梁工程的设计、施工阶段应用广泛，相关单位和人员对此开展了大量研究，并制定了一系列标准。但桥梁运维BIM技术应用总体上仍处于初级阶段，相应的运维需求和标准不完善，导致当前BIM的工作流程还未全面覆盖设计-施工-运维全生命周期，这就需要更好地规划每个阶段模型精度和信息粒度，探索、补充和验证相关的模型标准和技术条件，推动BIM技术在运维阶段的更好应用。

[1]陈树礼，赵维刚，严斌,等.大型铁路桥梁运管现状分析及对策研究[J].铁道标准设计，2016，60(4):53-58.

[2]吕琛，马剑，王自力.PHM技术国内外发展情况综述[J].计算机测量与控制，2016，24(9):1-4.

[3]赵有明.基于BIM技术的智能建造在铁路行业的应用与发展[Z].上海：第十四届中国国际现代化铁路技术装备展览会，2017.

[4]周红波，汪再军.BIM技术在既有桥梁运维管理中的应用[J].建筑经济，2016，37(12):45-48.

[5]陈广军，张慧君，吕冰冰，等.BIM技术在项目运维阶段的应用研究[J].中州大学学报，2016，33(4):120-124.

[6]潘永杰，赵欣欣，刘晓光.智慧桥梁理念的探索[J].铁道建筑，2016，56(1):1-5.

[7]杨怀志.高速铁路大型桥梁养护维修PHM系统应用初探[J].铁道建筑，2017，57(6):12-16.

[8]中华人民共和国铁道部.TG / GW 114—2011 高速铁路桥隧建筑物修理规则(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[9]中国铁路BIM联盟.铁路工程信息模型分类与编码标准[J].铁路技术创新，2015(1)：8-11.

[10]中华人民共和国铁道部.TB 10752—2010 高速铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版杜，2011.