马鞍山长江大桥悬索桥管养BIM 信息系统研发实践

戴 玮，孙 莉

（1. 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2. 公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088）

引 言

作为道路交通网络中的重要节点，长大桥梁的安全运行至关重要。为保障其安全运行，在目前的养护管理中，一些长大桥梁部署了桥梁管理系统和健康监测系统，以分别实现对桥梁检查数据和监测数据的收集与管理，从而更好地指导桥梁维修、翻新或重建。但在实际桥梁运营管理中发现还存在以下问题：

（1）各系统内数据主要以表单的形式展现，存在重点不突出，内容不具体、表达不形象、标准不统一等问题；

（2）各系统独立运行，数据未融合，功能拓展性较差。

针对以上问题，为提高长大桥梁养护管理过程中数据与信息的使用效率，基于现代信息技术和计算机技术发展融合而成的BIM 技术，近年来逐渐开始受到学者们的重视，研究将其应用于桥梁养护管理中的实现路径、框架或方法等［1-3］，如欧盟Infrava‑tion 基金支持的SeeBridge 项目，致力于研发一款面向未来的桥梁管理与检测平台，探索通过采用激光点云、BIM 等技术，来获取、收集和管理桥梁养护所需的各类数据与信息［1］；文献［2］介绍了韩国一个基于网络数据库和Midas CIM 的新型桥梁管理系统的研发。此外欧美国家的一些商业桥梁检测管理软件则推出了3D 检查模块，突出BIM 技术的应用。可见这将是未来的发展方向之一。

1 BIM 在桥梁养护管理中的应用概述

一般认为，将BIM 应用于桥梁养护管理中，将带来以下改变：

（1）融合信息模型与养护管理、设施管理等系统，为运营养护提供完备的信息库，并将传统的基于文件的信息组织，向面向对象的信息组织方式转变［4］；

（2）通过链接运营养护数据与信息模型，实现信息的可视化直观展示；并融合新兴技术的发展如混合现实MR 等，逐渐实现对工程隐蔽部位的更好管理，最终实现智慧运营；

（3）融合信息技术的发展，逐渐实现养护、监测、管理等数据的实时传输、实时展示、实时分析，从而辅助养护决策，提高养护工作效率。

将BIM 技术应用于桥梁养护管理中，即面向养护管理阶段的相应需求，提供一套较完备的信息模型，并以合适的方式交付给业主，方便其查阅、分享和使用，并运用BIM 技术在可视化、关联性、协调性等方面的优势，不仅有一个具有一定精细度的全桥三维模型，还将搭建网络协作平台，以模型为载体，添加沿袭自设计和施工阶段的信息，并对接桥梁原有各个独立管理系统中的养护信息、监测数据等，形成一个较完善的桥梁工程信息库，各类数据信息由图形驱动。在累积了一定量的病害数据后，可借助大数据分析，获得各类病害的时空变化图。当进一步开发基于大数据的养护管理和辅助决策等功能，则可对桥梁原先部署的各类独立系统升级，形成新的桥梁养护管理综合信息系统。

目前已有较多BIM 在桥梁设计与施工阶段的应用案例，而关于BIM 在桥梁运营养护中的应用，则案例相对较少。本文以马鞍山长江大桥左汊悬索桥为依托项目，探讨在我国桥梁养护管理相关规范所定义的框架下，基于BIM 的长大桥梁管养信息系统的研发实践。

2 马桥左汊悬索桥桥梁概况

马鞍山长江大桥左汊悬索桥建成于2013 年，是世界上最大跨度的双主跨悬索桥之一，拥有两个1080 m 主跨。桥梁横向按双向6 车道高速公路设计，设计时速100 km/h。全桥三维模型的渲染效果如图1 所示。

桥梁主缆跨径（360+1080+1080+360）m，主跨缆垂跨比1/9，桥塔为门式塔，两边塔为混凝土结构，受力复杂的中塔采用钢-混叠合塔，叠合区段如图2 所示，桥塔桩基础采用钻孔灌注桩；南北锚碇均采用沉井基础。主缆采用预制平行钢丝索股，单根主缆由154 束91 根φ5.2 mm 镀锌高强钢丝组成；主缆索股经散索鞍散开后，先与锚块前锚面外的锚杆相连，再通过后锚梁传力给锚块，单边单侧设94 个锚杆，分单束锚杆和双束锚杆；吊索采用销接式，由预制平行钢丝束制成，索距16 m，共132 对，其中标准索由109 根φ5.0 mm 钢丝组成；加劲梁采用扁平流线型钢箱梁，标准段梁高3.5 m，含风嘴的梁宽38.5 m。根据近年来的定期检查报告，该桥运行状况良好，主要病害为钢构件的防护涂层劣化。

3 管养BIM 信息系统案例实践

3.1 桥梁管养BIM 信息系统总体设计

整个系统的开发及相关的数据生产工作基于如图3 所示的层次图开展。系统功能总体分为桥梁养护管理数据的录入和数据查询与实时渲染两部分，数据录入实现各类桥梁检查数据的录入、定期检查技术状况的自动评分等功能；数据查询与实时渲染，则实现原始配置和后期录入的桥梁养护管理数据在位于三维地理信息系统中模型上的动态展示。

目前有关信息模型交付，占据主流的是商业软件及其二次开发客户端，如Bentley Navigator，Au‑todesk Navisworks 等，但其兼容性差，且功能有限，多关注工程设计阶段的应用，因此近年来通过B/S（浏览器/服务器）架构的Web 交付方式，因简单易用、易于扩展等特点，开始受到人们的青睐。Web 端的三维图形显示以往多通过插件实现，但随着HTML5 标准的推广，通过WebGL 进行三维显示逐渐成为主流的方式［5］。本文所介绍的案例在信息模型交付方面即采用了这一方案，系统可视化模块结合使用GIS 和BIM 技术。

3.2 信息模型创建

大桥的三维模型采用Bentley 系列软件来进行创建，其中三维路线的建立采用了OpenRoads De‑signer，与路线相关的主梁、桥面铺装等构件采用OpenBridge Modeler 创建，其他大部分桥梁构件和附属设施则采用了通用建模软件MicroStation 来创建。以上所生产的三维模型均为DGN 数据格式，通过使用基于MicroStation 二次开发的程序，将其转换为适应信息系统前端Cesium 框架的GLTF 格式，从而实现WEB 端的桥梁模型渲染显示。

根据GB/T 51301-2018［6］，建筑信息模型应包含以下内容：1）模型单元的系统分类；2）模型单元的关联关系；3）模型单元几何信息及几何精度；4）模型单元属性信息及信息深度；5）属性值的数据来源。在本文案例实施时，JTG/T 2420-2021［7］，JTG/T 2421-2021［8］还未发布。本案例制订了项目级的信息模型分类和编码标准以及交付标准，在这些标准的指导下，建立了各类构件的属性模板。以塔柱节段为例，中塔上游“M-U-1#塔柱节段”的部分属性如表1 所示。

表1 “M-U-1#塔柱节段”信息

由于面向的是运营养护阶段的应用需求，本案例参考公路桥梁技术状况评估时采用的分层综合评定法［9］，采用“桥梁→部位→部件→构件组→最小检查构件”的方法来对整座桥梁进行实体结构分解，以建立桥梁模型单元之间的关联关系。最小检查构件即BIM 模型中的单个模型单元，对应信息模型分类标准中的最细层级。在检查部件与构件之间，添加了构件组这一划分单位，构件组作为一个或多个最小桥梁检查构件所组成的集合，对应桥梁技术状况评估时的评分构件的概念，将有助于信息模型与技术状况评估数据的链接。经统计，全桥的信息模型包含桥梁构件和附属设施4476 个，健康监测传感器260 个，工程属性信息10 万余条。

3.3 桥梁检查数据的标准化与结构化

桥梁检查数据是桥梁养护数据的重要组成部分，内容主要包含病害数据和项目检查数据。数据结构化，是利用数据库中二维表结构来表达数据，可以通过固有键值获取相应信息。特点为数据以行为单位，一行数据表示一个实体的信息，每一行数据的属性相同。基于数据结构化的定义和特点，并考虑桥梁病害的特点，将病害数据分为以下两类，并分别建立数据库表单：

（1）病害的基础属性，包括ID、类型、名称、起终止时间、维修状态、处理情况等；

（2）病害的独立属性，根据病害类型的不同，有不同的特征参数描述。

以钢构件涂层劣化病害为例，病害分类编码为2010［10］，检查任务ID 可定义到某单次检查记录，病害ID 为该次检查记录中该病害的全局唯一标识符GUID，其作用为通过映射到对应的桥梁构件ID 后，可以将该病害与对应构件关联起来，从而达到定位及统计病害的目的，并作为进行下一步评定工作的基础。

在以上标准工作的基础上，将桥梁近年的检查数据全部结构化和数字化；再通过数据接口服务，将健康监测数据也接入系统中；此外，由于采用的是基于GIS 的系统开发技术，相关地图服务、气象信息也很容易接入。

为实现数据之间的链接，在梳理桥梁养护管理各项业务的基础上，建立了符合管养数据流转的桥梁、部位、部件、构件组、构件、病害记录、检查记录等之间的E-R 实体关系图，为数据融合打下坚实基础。

3.4 系统主要功能

3.4.1 基于模型的桥梁养护数据查询与渲染

（1）桥梁基本信息概览

基本信息概览分桥梁基本信息和最新技术状况评分的展示，以及图形窗口中的信息展示。按前述的“桥梁→部位→部件→构件组→最小检查构件”的实体结构分解方法，为全桥的构件建立了清晰明了的目录树，如图4-5 所示。

表2 钢构件涂层劣化（2010）的部分属性信息

通过目录树，可定位至选中的桥梁构件，并打开属性窗口，此外通过直接点击桥梁构件模型单元，也能打开属性窗口，获取与构件关联的构件设计与施工信息、病害信息、技术状况数据和图纸资料等。通过切换属性窗口上的信息标签，即可查询不同的数据信息。

（2）病害信息查询和展示

通过选择病害类型、发现时间段、病害发展类型、病害严重程度等查询条件，可对桥梁上的病害进行查询，并在图形模块中的信息模型上同步标记查询结果，如图6 所示。进一步点击病害图标，则可获取病害的详情以及病害随时间的发展情况，如图7所示。

（3）技术状况数据结合模型的专题渲染

在前述桥梁养护数据标准化和结构化的基础上，桥梁各年度技术状况评定的桥梁评分、部位评分、部件评分和构件组评分等，可结合桥梁模型进行相应的专题渲染，数据展示直观明了，如图8 所示。

（4）运行监测信息的融合管理

大桥信息模型包含了各类传感器，并通过接口服务接入了健康监测系统的数据，可根据传感器类型或其目录树，进行传感器基本信息、历史与实时数据和报警信息等的查询与展示，如图9 所示。

3.4.2 基于模型的病害数据录入

目前桥梁定检仍主要采用人工逐条记录、拍照的方式开展，需检测人员在现场用描述性语言对病害的位置、形态、严重程度等进行记录和评价，再辅以照片说明。这一记录方法的结果呈现，多为一条条数据集合，不够形象直观。本案例则采用了基于模型的桥梁病害数据录入，以点元素在图形中表达病害对象，并在病害的基础属性集中，增加了经度、纬度与高程的属性字段。病害定位的基础是加载在三维地理信息系统中的桥梁三维模型，该模型是将商业建模软件创建的模型，经格式和坐标转换后形成的，其有较准确的空间位置信息。

在病害录入时，通过与三维地理信息系统中的桥梁构件三维模型交互操作，获取病害特征标记点的经纬度高程。图10 给出了在桥塔鞍罩上记录涂层劣化病害时的示意图，通过在图形窗口桥梁模型的相应位置上点击，即可以获取病害点的经纬度高程，并在图形中增加一个红色病害标记点。此外，在病害数据录入时，选择桥梁构件后，系统即自动推送该构件上存在的历史病害信息（如有），如果某个历史病害仍然存在于构件上，且有发展，则可在系统推送的病害历史详情的基础上，更新该病害的信息。

4 结 语

（1）本文依据桥梁养护管理相关规范，结合马鞍山长江大桥左汊悬索桥管养需求，开发了基于BS架构的BIM 信息系统，采用WebGL 标准将悬索桥的工程信息模型在浏览器中进行渲染与表达，并以信息模型为纽带，将桥梁基础数据、病害数据、技术状况数据和健康监测数据等链接起来。

（2）目前该系统已部署使用，针对大桥的日常检查与管理实现了数据的可视化、集成化，一定程度上提升了大桥管理的精细化水平。因为大跨悬索桥的模型体量巨大，三维模型在Web 端的顺畅展示需耗费较多计算机资源。未来将研究采用云计算的方式解决此问题。

（3）目前我国桥梁养护管理虽已推广使用CBMS 等系统，但由于相关桥梁养护规范对技术状况评价之外的如构件退化、养护策略、养护规划等较少涉及，各类养护管理系统中的数据对桥梁养护决策的支持还有限。本文所介绍案例，重点解决了桥梁数据的可视化问题，未来将进一步研究数据的深度应用。