基于BIM的桥梁运营管理系统的思考

2018-12-22 10:39

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建筑信息模型（(Building Information Modeling）简称BIM，这一词组于2002 年由Autodesk公司所创。它涵盖了几何学、空间关系、地理信息系统、各种建筑组件的性质及数量等信息，并贯穿于建筑整个生命周期中。使设计数 ...

建筑信息模型（(Building Information Modeling）简称BIM，这一词组于2002 年由Autodesk公司所创。它涵盖了几何学、空间关系、地理信息系统、各种建筑组件的性质及数量等信息，并贯穿于建筑整个生命周期中。使设计数据、建造信息、维护信息等大量信息保存在 BIM 模型中，在建筑整个生命周期中得以重复、便捷地使用。目前我国绝大部分的BIM应用还停留在设计阶段，一些超大型项目在施工阶段已有了一些应用，但多限于利用可视化设计及空间、时间冲突模拟预测来实现项目的增值，而实际上BIM的应用范围远不止这些。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理念如4D、5D以及产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)理念。通过对信息在建筑模型构件上的集成，对信息的分类与组合及不断更新，展示整个建筑生命周期，并实现包括设计、施工，以及后期维护与营运管理，同时赋予时间经济、能源等属性，就能实现建筑的全寿命周期跟踪管理。桥梁的运营管理在我国也日益受到管理部门的重视，BIM技术的发展给桥梁全生命周期管理（PLM）提供了新的发展契机。笔者结合多年的桥梁检测、管理的经验对基于BIM 技术构建桥梁管理系统的平台进行了初步的思考，以推动桥梁全生命周期管理的发展。

1、BIM技术特点

BIM具有集成化管理的特征，符合全生命周期管理的要求，因此随着BIM技术的发展以及逐步的推广应用，使BIM技术引起业界极大的关注并予推行。BIM主要有以下几个特点：

（1）可视化程度高。在BIM建筑信息模型中，整个过程都是可视化的。不仅可以用作效果的展示及报表生成，更重要的是项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化、透明化的状态下进行，方便进行更好地沟通、讨论与决策，从而也能够较好地解决目前2D设计中各专业因沟不充分而导致不合理的变更等问题。

（2）信息集成度好。BIM 模型是完全模拟真实的建筑实体，甚至可以通过传感器及时把数据反馈给模型，每个构件可以集成很多属性，从而方便管理构件乃至整个建筑的各种信息；也可以根据需要，通过对信息的分类分专业抽取，在执行中进行细化，大大改善以前信息查找麻烦，容易遗失的状况。从而更利于高效地作出相关决策。

（3）高模拟性。无论是在设计还是施工或者运营阶段，BIM都能够较真实地模拟建筑的整个寿命周期过程，从而实现对每个阶段如进度、造价等的精准控制，而且每一阶段的实际发生效果通过信息传递或者收集，都能使得每一种作用或工况较好地还原。这样，就能够使得管理工作更加精准、有效。

2、桥梁运营管理系统的现状

2.1桥梁运营管理系统的发展

为了有效管理路网上数量众多且繁杂的桥梁构件，维持桥梁结构安全及运输功能，在解决个别桥梁安全需求外，也需要考虑整体路网车流量的增长需求，应用有限的资源，保持桥梁服务水准，同时需要在众多改善方案中选择最适合的方案，避免资源浪费。基于这种需求，随着系统论思想的广泛传播和计算机技术的飞速发展，“桥梁管理系统”（Bridge Management System，BMS）的概念应运而生。

国内桥梁管理系统的研究开始于八十年代中期，四川省公路研究所、广东省公路研究所、交通部公路研究所和北京市公路管理局等单位在吸收国外开发经验的基础上，根据我国的国情，先后开发了四川省桥梁数据库系统、广东省桥梁管理系统、北京市公路桥梁管理系统等。目前国内应用最为广泛的桥梁管理系统为中国公路桥梁管理系统CBMS，CBMS是为干线公路桥梁管理而设计的一套综合管理系统，它以现有公路桥梁为对象，研究其计算机化的营运管理内容、编码标准、检查手段、评价方法、维修措施、加固对策、费用分析和投资预决策等内容，以提高桥梁养护资金的使用效益、增强对营运中桥梁的监控、延长其使用寿命、提高桥梁的管理决策水平为目的。

2.2桥梁管理系统的不足

目前我国的桥梁管理系统都是基于二维空间开发的，在信息化高度发展的时代其功能、使用性能等方面都存在一定的缺陷和不足，主要体现在以下方面：

（1）可视化程度低。目前的桥梁管理系统可视化程度低，桥梁结构的基本信息、病害信息等均通过桥梁基本信息的文本信息、平面照片、平面图纸等来表现，难以体现桥梁结构本身以及结构病害和和桥梁周围道路、河道交通等三维的信息。

（2）系统的功能存在缺陷。桥梁管理技术水平主要体现在智能化管理决策的水平，而智能化的管理水平主要依赖管理系统所能提供信息的完整程度。随着桥梁检测技术（自动化检测以及智能机器人）、监测技术（桥梁结构位移、挠度以及应力/应变、车辆荷载等参数的监测）、三维激光扫描以及三维成像技术的发展，使得桥梁运营管理所需要的数据的采集数据更加方面，而目前管理系统难以将这些数据集成到桥梁管理系统中，这就使得目前的管理系统的功能和智能化决策的水平受到很大的限制。

2.3亟待解决的问题

针对目前桥梁管理系统的不足，目前亟待建立一个相对通用性较强的管理体系，用以克服桥梁管理中信息收集难、信息量大且更新速度快的问题，并在这个基础上，根据桥梁各自的特点，按照需要制定合适的养护维修策略。相对于当前桥梁管理系统的不足，BIM技术恰可较好地解决信息发展中存在的问题，其与桥梁运营管理的结合，将会产生较好的价值作用。

3基于BIM的桥梁运营管理系统

3.1桥梁管理系统的框架

基于BIM的桥梁运营管理系统框架笔者梳理了一个框架图，见图1。根据桥梁运维管理系统几个关键问题主要包括以下几个方面：

图1 基于BIM的桥梁运营管理系统框架

（1）BIM桥梁模型。桥梁建成后应同时建立一个与实际交付成果一致的BIM模型，应包含桥梁结构的基本信息以及各构件的各种信息，通过对这些信息的管理，实现空间、时间、经济等方面的管理。这并不是一个简单的过程，需要对桥梁结构及其附属设施设备进行模拟还原，需要各专业人士的密切配合，把各专业的关联体都在模拟空间中展示出来，尤其是隐蔽部位的构件和后期更改过的部位，这一步非常关键。模型的仿真度是整个系统的基础，其仿真率直接影响到后期运用BIM管理设施的精准度与效率。

（2）信息系统。BIM 技术的最大优点除了可视化外，还就是信息的高集成度。桥梁运营管理信息系统的功能主要有两块：一块是信息值本身，模型中通过对各种信息进行采集、封装，能够较为直观地附加在BIM模型中，便于查阅，做到无论是动态还是静态，只要有值就能采集；另一块就是信息传递系统，主要针对的是运营维护信息，这需要与现在的信息传输技术、移动设备、采集终端等技术结合，实现信息的及时传递、准确传递。基于BIM的桥梁管理系统的信息系统的信息类型包括：桥梁检测病害信息、桥梁监测信息、桥梁维修加固信息等。

（3）计划预警系统。桥梁运营维护是一个长期过程，需要制定各种养护维修计划来实现有效的管理，如养护计划、维修计划、检测计划、巡查计划等。以前这些计划主要是通过人工编制，从宏观逐步细化来落实，这种做法工作量大而且容易遗漏；而通过BIM模型对构件信息进行分析，赋予了一些特定启动值后，就可以发挥自动计划预警功能，防止计划的遗漏，并且能够较为精准地制定各项运营维修计划，提高管理效率。

（4）执行督促与跟踪系统。有了计划预警系统，还需要有相应的计划执行督促与跟踪系统，通过管理平台实施计划的发起、实施、跟踪、评估、反馈与总结的整个流程，从而实现实时动态管理。这样一方面可以加强计划执行的效率，另一方面也便于跟踪执行情况，并可以根据实际情况及时调整计划。在计划执行过程中新产生的信息也能够及时反馈回系统，从而有利于下次制定更合理的维修方案，合理配置资源。

（5）健康评估系统。不同于以往的结构评估方式，基于BIM模型的信息集成度好、及时性强。管理者可以根据公路或城市桥梁检测技术状况的相关技术标准，并将这些技术标准嵌入到管理系统，实现对单一构件、专项设施，以及整座桥梁的技术状况的评估。此外根据桥梁结构的监测的动态数据（如应力/应变、环境、加速度以及交通荷载）的数据，随时掌握桥梁结构的运行状态，获取健康数据信息；尤其对一些突发因素可能导致的结构损伤，能够给予及时评估。因此，相对于传统的结构健康事后评估方式会丢失很多信息的弊端，通过实时健康跟踪则能更快、更准掌握桥梁的健康状态，从而使采取措施的针对性更强。

（6）桥梁结构的计算分析。桥梁结构的结构分析是桥梁运营管理的非常重要的环节，桥梁结构的分析可以将已经建立的BIM模型导入到结构的计算分析软件进行分析。桥梁结构的计算分析同设计时的力学分析有所不同，分析时需要结合桥梁分析时的技术状况（需要考虑桥梁材质的裂变、结构的退化、交通荷载信息以及结构的病害情况）对结构的承载能力、耐久性以及安全性能进行综合分析、评估。

（7）桥梁维修加固施工模拟。桥梁结构在技术状况等级较低，不能满足车辆荷载的安全通行时桥梁需要进行加固维修。桥梁结构加固维修方案的实施同新建结构有所不同，需要结合桥梁结构的计算分析结果以及现场的场地状况来综合的考虑施工方案。基于BIM模型的可视化、结合施工场地的三维模型以及桥梁结构计算分析对施工方案进行施工模拟，能够合理选择加固设计方案和施工的全面管理。

（8）智能决策系统。桥梁在建成后的运营过程中，由于桥梁结构在环境、荷载以及环境的影响下桥梁结构会出现不同程度的功能退化、结构的损伤，桥梁结构的小修及大、中修是不可避免的；然而，管养单位不能教条地对待这些功能恢复性工程的时间与规模问题，而是应该根据设施的设计、施工、养护及运营状况来综合考虑，找到一个最佳切合点来实施。这方面以前可能更多地只是依靠经验，其效果受主观影响较大；而智能决策系统可以通过对BIM模型中相关数据的提取分析，更为精确地平衡投入与产出、风险与收益，使得桥梁管理中的决策工作更合理、更精确，从而实现养护投入效益最大化。

3.2系统的优势及应用前景

与传统或者其他桥梁信息管理系统相比，基于BIM的桥梁运营管理系统平台有较好的可视化界面，模拟化程度高，信息反馈及时。高集成的信息管理可以较为方便地完成计划预警、执行跟踪、健康评估等工作，为运营管理提供决策依据，大幅提高桥梁运营管理的效率，提升服务水平；而且系统有较好的拓展性，便于对信息的充分挖掘和利用。处在信息高速发展的时代，移动传输技术已经相当成熟，加上对 BIM的认可与普及，应用基于BIM的桥梁运营管理系统所需的硬件、软件条件都己具备。BIM可视化程度高、集成管理的优势以及虚拟化施工以及动画漫游等技术特点使其在桥梁运营管理的前景广阔，使得桥梁运营管理的精准度、精细度大幅提高，在桥梁全寿命管理中发挥重要的作用。

BIM 技术为建设工程行业带来了一种革命性的变革，其优点已经得到广泛的认可。基于BIM的桥梁运营管理系统平台，可以方便地的实施计划预警、任务跟踪、信息传输与收集、结构评估与辅助决策等工作，从微观与宏观上都能较好地掌握各项数据指标，大幅提升桥梁运营的管理水平与精准度，且具备实施的硬件与软件条件，功能拓展性也较好，符合当今大数据背景下的信息管理发展趋势。建立一个基于BIM的立体管理系统，可使桥梁运营管理实现可视化、信息集成化的高效管理，更好地为智能城市交通发展及桥梁设施全寿命周期管理服务。