如何让BIM在桥梁全生命周期充分发挥作用

文 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司 吴宏波

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下简称“BIM”）技术作为信息技术的代表之一，近年来在公路建设和养护中开始受到广泛重视并得到大量应用。与建筑、市政、铁路等领域相比，公路领域开展BIM研究和应用较晚，但发展势头迅猛。以中国交通建设集团为例，2014年，集团就针对BIM开展特大科研项目立项，并组织集团重点企业进行技术攻关。几年来，BIM技术在项目上的应用，已经从最初重点集中于规划设计阶段的方案展示、碰撞检查、三维模型制作，逐步发展到正向设计，施工进度、质量和成本管理，再到运维阶段的建养一体化管养平台搭建，逐步展示出通过BIM技术手段在桥梁工程全生命周期实现信息传递、共享、使用所带来的巨大效益。

方案设计阶段

桥梁设计的第一步是方案设计，重点确定桥型选择、跨径布置、主要结构方案及尺寸、施工方案、工程经济指标等。这一阶段对BIM的研究和应用，重点在地形模型、地质模型、桥梁方案的结构模型等方面。对此，长大桥国家中心和公规院开展了智能设计研究，不同于传统桥梁设计软件以力学计算分析为中心，智能设计以机器学习为核心，针对桥梁的安全、经济性、工期等多目标开展优化研究，并有针对性地设定评价指标，利用机器学习既有成功设计案例的特征点，实现由计算机提出针对目标建设条件的合理桥梁方案。

地形模型

目前，获取地形模型所需图像信息的方式主要有卫星图片、航拍、无人机拍摄、激光扫描等几种。卫星图片是最容易获取的信息，但受限于图片精度，无法达到工程要求。航拍、无人机拍照、激光扫描在精度上都可以达到工程要求。实际应用表明，对于如基坑开挖防护等小范围地形抽模，旋翼式小型无人机即可胜任，但是如果对高速公路等大范围地形进行建模工作，使用大型固定翼无人机才是更好的选择。

地质模型

公规院团队开发了高精度三维地质模型软件，采用高精度的三维空间数据结构，可以实现无需人工交互的智能化三维地形地质一体化融合重构，同时采用后台云计算快速建模，可以实现实时动态更新。

利用地质模型，长大桥国家中心开发了桩基正向设计系统，实现了桩长自动计算，大大提高了设计效率。

桥梁方案模型

通过将工程模型与场地模型相结合，可以在投标和方案研究阶直观方便地选择和优化工程方案。图1-1、1-2是新疆龙口一号大桥刚构桥方案和拱桥方案的比较模型图。

图1-1.刚构桥方案

图1-2.拱桥方案

桥梁方案智能设计

目前，长大桥国家中心正在开展桥梁方案智能设计研究。以图2为例，通过建立桥梁数据知识库，利用机器学习既有成功设计案例的特征点，实现由计算机代替工程师提出针对目标建设条件的合理桥梁方案，并根据目标权重对方案进行打分，帮助设计者选择方案。这种方式可以充分融入众多优秀设计师的先进思想，避免由于个体认识不足造成的方案缺陷。

桥梁方案VR展示

工程的总体方案可以采用虚拟现实（VR）技术展示，以直观感受设计方案的真实效果。公规院负责设计的大连湾跨海大桥，对比了多种倾斜角度（0度、5度、7度）的桥塔方案，直观地展示了各种倾斜角度的桥塔在车行和船行两个视角下的视觉效果，帮助业主确定最终方案。

图2.桥梁方案智能设计技术路线

施工图设计阶段

在桥梁施工图设计阶段，重点完成具体结构方案、结构优化设计、构造优化、配筋设计、施工工艺选择等工作。这一阶段对BIM的研究和应用，重点在BIM正向设计、碰撞检查、设计分析一体化、正向二维出图等方面。总体而言，这一阶段的智能深化设计尚处在探索研究阶段。

BIM正向设计

BIM正向设计是目前的趋势。首先是参数化建模，通过建立土木工程结构的标准构件库（如箱梁、桥塔、墩身、基础等），可实现快速参数化建模。同时，符合规则的标准化建模方式是实现下文所述设计计算一体化的关键。由此看来，标准构件库（族库）随着工程实例的增加而不断完善，最终将成为一家单位的核心竞争力。

碰撞检查

碰撞检查是BIM技术的一个突出优势。碰撞主要分几何碰撞和时间流程碰撞两类，在设计阶段主要针对的是几何碰撞。对于桥梁设计而言，主要是结构的碰撞、钢筋及预应力筋的碰撞，以及机电管线的碰撞。采用BIM技术进行正向设计，碰撞检查可以有效地发现设计中的问题，大大提高设计质量。

设计分析一体化

设计团队通常希望通过一个模型同时完成设计和总体计算工作。但由于桥梁BIM模型是实体模型，而总体计算模型是杆、梁、索单元的简化模型，需要将实体模型抽象成简化单元，并进行多方面的简化考虑。公规院基于自主研发的三维非线性计算分析软件OSIS，编制了一套可参数化的命令流语言，通过修改参数来驱动桥梁模型，实现有限元模型的快速修改，以此参数化的命令流为核心，完成BIM建模软件与分析软件的互通。通过参数化建模软件Dynamo提供的Python语言，将参数化脚本文件自动生成OSIS软件能够识别的命令流，从而根据BIM模型在分析软件OSIS中生成节点、截面，并添加边界条件，自动建立有限元模型，用于结构总体计算。当对BIM模型进行修改时，有限元模型也会自动修正，实现了BIM参数化建模与有限元总体计算的统一。

面对整个正向设计的全过程，公规院正在研究建立以数据为中心的桥梁全过程数据流转智能设计体系，从而对设计质量、设计效率进行有效管理。

图3.以数据为中心的桥梁全过程数据流转智能设计体系

正向二维出图

由于长期以来形成的习惯，工程师们还是离不开二维图纸，利用三维BIM模型，在符合一般制图规定的前提下快速批量生成二维图纸，是亟需提升的关键技术之一。通过对BIM软件的二次开发，笔者团队目前已基本解决了二维出图问题。

施工阶段

设计阶段生成的BIM模型与施工阶段无缝衔接是应用BIM技术的一个重要目标。施工阶段对BIM的研究和应用，重点在利用模型指导预制构件的生产、施工工艺的检验，并管理施工进度、质量、成本。同时，根据施工的实际情况，也可以反过来修正设计BIM模型，最终形成用于数字化交付的施工模型。

钢构件预制和拼装

公规院主持设计的港珠澳大桥采用桥—岛—隧形式，其中沉管隧道最终接头的设计和施工是大桥建设中的一个关键问题。为保证最终接头的加工精度，团队携手设备制造企业实现了BIM模型在设计和预制环节的无缝衔接。将BIM模型导入数控机床，采用自主研发软件自动进行工艺余量添加，通过半自动套料排版，数控机床自动化下料切割，之后再进行钢构件拼装。这一技术显著提高了新型整体预制安装式钢结构的生产效率和精确度，缩短了设计和施工整体工期，保障了沉管隧道最终成功沉放对接。

施工协同管理平台

在施工阶段应用BIM技术的关键是展示完整施工过程的BIM模型和相应的施工管理平台，确保可进行工程结构的虚拟施工模拟、图纸及模型管理、材料管理、施工进度管理、施工质量管理、数字孪生等。通过虚拟施工模拟，在实际施工前就能了解整个项目施工的过程、结果及对应的工程量，为实际工程项目施工提供经验和最优可行方案。将BIM模型附加施工进度计划属性参数，形成4D模型，可直观展现计划建造过程，并通过手机、iPad等终端沟通施工方、监理方和管理者，通过反馈的实际施工信息，分析其与进度计划的偏差，合理纠偏并调整进度计划，使管理者对工程量及进度一目了然。

施工监控

长大桥国家中心在内蒙古昭君黄河大桥的施工中，结合施工协同管理平台，实现了施工监控，主要功能包括数据采集、在线分析评估信息、实时安全预警及决策等，达到了较好效果。

图4.BIM+IOT+施工监控（昭君黄河大桥）

智慧工地

目前的智慧工地，主要根据施工建造场景，按照人员安全管理、设备安全管理、结构生长识别等内容，通过多目标、多角度、多环境、多距离的图像采集，建立人员、设备、结构图像数据库，通过研究图像智能化采集、标注、去重、清洗和入库算法，形成桥梁建造图像库，利用图像库完成图像分析、预警、应对，实现智慧化的工地管理。

运维阶段

运维阶段也是BIM技术应用的重点，桥梁运维阶段占桥梁全生命周期的大部分时间，面临着大量监测检测信息处理任务，同时要实现针对危险及时预警和提出针对灾害的防治决策。因此，建立一个功能完善的建养一体化BIM管理系统是非常重要的，这也是BIM技术和智能技术发挥作用的重要战场。

智能监测和数字化巡检

目前，监测技术和监测设备的智能化是研究热点，在传统监测方式的基础上，智能传感设备及组网、非接触式监测等技术都进一步提升了监测工作的智能化水平。面对大量监测数据，数据挖掘、监测数据预测与异常识别技术也在不断完善，有效提高了应急预警和反馈的效率。作为信息的载体、决策的指挥中心、行动的协调中心，建养一体化BIM管理平台承担着重要职责。

除长期的监测外，定期检测同样对桥梁损伤的发生和发展、结构性能评估预测起着重要作用。对于约束关键装置、主要受力构件等关键部位，采用基于视频增强的智能无损检测等技术，融合机器学习、计算机视觉等新技术，再结合健康监测系统、室内试验等方法和手段，能够更好地保障大桥的安全和运营。

图5.智能监测体系（智能传感设备及组网、非接触式监测）

桥梁建养一体化云平台

目前，长大桥国家中心在位于河北固安的研发基地建立了基于BIM的桥梁建养一体化云平台，硬件设备主要来自监控大厅和桥梁云数据中心，软件系统则由桥梁运维BIM模型、桥梁实时感知系统和远程传输系统、数字化巡检系统、桥梁评估及预警决策系统组成。

抗灾及总体服役性能评估预警

在桥梁运维BIM模型上分析智能监测和数字化巡检得到的运维信息，可进行桥梁抗灾及总体服役性能评估预警，从而实现对数据采集、养护计划、巡查检查、养护检测评定、日常养护、养护工程等养护业务全过程的信息化、智能化管理。关键技术包括桥梁运维多源数据标准及融合技术、关键结构差异性病害计算机深度学习智能识别算法及特征提取技术、结构重要性评价技术、关键构件及结构体系服役状况评估技术、养护及性能提升关键技术等。

近年来，数字孪生与智能建造是两个热门话题。笔者认为，智能建造建立在高度信息化、工业化、智能化的基础上，而BIM模型是智能建造的基础，也是将数字孪生技术应用在智能建造中的基础。

数字孪生技术，即指某种物理产品在数字化空间中的虚拟映射。事实上，公路行业所希望实现的BIM在桥梁全生命周期中的应用，本质上就是数字孪生技术的应用。只是目前限于建设管理模式和软件技术水平，离真正的数字孪生尚有较大差距。

总的来看，将BIM技术与设计分析计算、施工控制、运营安全分析评估预警等需要大量分析计算能力的工作进行有效融合，是现阶段的主要发展方向。基于BIM技术向数字孪生、智能建造逐步发展，是行业未来的主要研究方向。笔者团队目前开发的桥梁建养一体化平台，功能还不完善，如施工控制、智能评估预警、应急处置等功能尚有待改进，相信通过下一步持续不断的研究加以针对性改善，将最终形成企业的核心竞争力，并进一步推动行业技术进步。