基于BIM的城市大型桥梁安全管理系统架构

方 宇 李 莉

基于BIM的城市大型桥梁安全管理系统架构

方 宇 李 莉

目前我国城市桥梁的管理仍然停留在人工和经验管理的层面上，信息化程度低、技术手段落后。同时，由于很多桥梁建设期早，使用时间较长，已经进入了快速损伤阶段，存在潜在的安全隐患。而建筑信息模型（BIM）技术的出现为提高城市桥梁安全运行水平提供了一种新的思路和手段，具有良好的应用前景。本文从研究城市大型桥梁的安全管理需求和基于BIM的优化手段出发，详细分析了BIM技术相对传统安全管理具有优势的六大应用领域，对基于BIM的城市大型桥梁安全管理系统进行了系统功能模块设计，并对桥梁应急安全管理中的典型工况场景——火灾应急管理进行了简要分析，提出了一个基于BIM技术的城市大型桥梁安全管理系统架构，从而达到运用BIM技术提高城市桥梁安全运行水平的目的。

城市桥梁是城市基础设施中的重要组成部分，桥梁安全是否受控往往是桥梁管理的第一要务。长期以来，我国城市桥梁的安全管理长期以来一直停留在人工和经验管理的层面，管理的信息化程度低，技术手段落后。随着城市桥梁承载交通量的不断扩张，和桥梁年龄的逐渐增长，出现桥梁结构性能和使用性能的退化难以避免。同时桥梁安全状况还受到各种突发事故或灾害事件的威胁，因此城市桥梁的管理、养护、维修工作难度越来越大。如何借助先进的技术手段和工具，提高桥梁管理水平成为一个亟待解决的难题。

BIM这一概念最早起源于美国，是Building Information Modeling（建筑信息模型）的简称，由被称为“BIM之父”的Chuck Eastman率先提出。1975年，当时任职于卡耐基梅隆大学的Charles Eastman在《AIA Journal》中提出了BIM的雏形——建筑描述系统（Building Description System）的概念。2007年，美国国家建筑科学研究院（NIBS）在发布的国家BIM标准（NBIMS）中，将BIM技术定义为：“BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达，BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM模型中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业”。

在设施管理领域，BIM可以将各管理方集成在一个连贯有序的数据组织中，能够有效弥补项目参与者之间的沟通缺陷以及管理周期内的信息传递缺失和失真问题，有助于形成简洁有效的设施管理平台。在设施管理中使用 BIM可以有效的集成各类信息，还可以实现设施的三维动态浏览。BIM 技术相较于传统设施管理技术有以下几点优势：①实现信息集成和共享；②实现设施的可视化管理；③定位建筑构件。就大型市政基础设施，特别是城市大型桥梁而言，尽管目前部分桥梁已具备了一定信息化管理水平，但仍存在不少尚未实现的功能需求，特别是在以预防性养护为主要需求的前提下，桥梁的安全管理水平尚有巨大的提升空间。因此，将BIM技术引入城市大型桥梁安全管理中，将有效提升大型桥梁的安全管理水平，大大节约养护维修成本，并提高管理效率，具有非常广阔的应用前景。

安全管理需求和BIM应用分析

目前，现代信息化意义上的城市桥梁安全管理、特别是大型桥梁的安全管理一般包含以下事务：协调桥梁业务管理、桥梁维护分析诊断、辅助桥梁管理部门正确决策、桥梁安全信息共享以及桥梁管理过程系统化等需求。

传统的桥梁管理体系难以完全实现上述所有功能，因此BIM技术的引入是一种极具前景的尝试，有望从根本上改善城市大型桥梁安全管理的模式。BIM在许多管理应用方面表现出明显优势，具体可归纳为以下几个方面：日常安全管理、安全应急管理、养护维修决策、突发安全事件处理、异常状况预警以及长期安全管理追踪分析等，具体如图1所示。

日常安全管理

在桥梁的日常管理中，传统的城市桥梁运维安全管理系统，需要大量的表格、CAD图纸以及文档资料的形式对相关信息进行存储和输出，文件一般以部位或构件编号为依据进行存储和关联，彼此之间无时空对应，文件错误或数据冲突往往难以发现。而基于BIM的桥梁安全管理系统能够结合空间、时间关系收集、存储、和共享有关桥梁构件的所有数据，可以提供包括桥梁三维空间视图在内的多种报表形式，还能对桥梁的关键构件和设施安全进行实时监测，有利于高效管理桥梁运行数据，特别是安全管理相关的数据，可以在第一时间获取，同时也有效降低了数据矛盾和错误的出现概率，提高了日常安全管理的控制水平。

安全应急管理

图1　BIM在城市大型桥梁安全管理中具备优势的领域

现有的城市桥梁安全管理系统通常缺乏有效的安全应急手段，其安全应急预案往往以规章制度等文件的形式给出，需要桥梁管理人员进行现场电话指挥，在面对诸如结构损伤、交通事故、自然灾害等在内的具体突发事件时，难以给出全面可靠的应急措施，也不能提前对突发事件进行安全应急模拟预演。桥梁管理人员通常需要在事故第一线掌握情况和进行指挥，各管理部门间缺乏相互沟通平台，应急管理的反应不够迅速。而基于BIM的城市桥梁安全管理系统在进行应急管理时，可以利用BIM所特有的三维空间展示和情景动画模拟功能，锁定具体的故障区域和上下游构件，为桥梁的应急管理提供相应安全管控预案和安全应急培训。BIM技术的应用实现了对紧急状况的实时应对和提前模拟，为桥梁管理的安全应急培训提供了帮助，给各管理部门的协同管理提供了平台，大大提升了桥梁的安全运行水平。

养护维修决策

当前在进行城市桥梁的养护和维修时，桥梁管理者通常凭借经验进行决策，只有当桥梁的相关构件出现相关损坏或安全评分较低时才会进行养护和修理，而不能实现预防性养护。基于BIM的桥梁运维安全管理系统可以为桥梁的运营和维护提供相关的决策依据，对桥梁构件设施的基础数据进行数据挖掘，以实现在适当的时机进行桥梁大中修养护，兼顾安全和经济两方面，达到预防性养护的目的。同时由于BIM具有在设计、施工以及运营维护等全寿命周期内，对建筑设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息进行数字化表达的特点，因此可以实现桥梁全寿命周期的管控，从而大大提高城市桥梁的安全管理水平。

突发安全事件处理

当城市桥梁发生诸如设施损坏、交通事故、暴风雨、自然灾害等突发性事故后，传统的桥梁管理方式需要查阅大量文档和CAD图纸资料，结合现场实地检测，由经验丰富的专家判断出故障的具体位置和严重程度。整个过程周期较长，缺乏对突发安全事件的实时应对能力。基于BIM的桥梁管理系统可以通过传感器自动监测和巡检发现设施故障情况，根据空间关系迅速定位事故具体位置，并将故障位置实时可视化的呈现出来。通过BIM模型的定位功能，还可以迅速给出最近逃生路线和可用应急设备等安全管理信息，协调各职能部门迅速制定事故处理措施，为桥梁设施的安全运营提供保障，保障人民群众的生命和财产安全。

异常状况预警

桥梁管理过程中的数据资料来源众多、形式多样，而传统的城市桥梁安全管理系统又缺乏统一、规范化的数据整合标准，因此很难通过历史记录分析、运维数据挖掘等手段对桥梁可能出现的异常情况提前进行预警。基于BIM的城市桥梁安全管理系统把通过自动采集和人工巡检等手段获取的数据资料，经过规范化处理后，按照统一的标准输入核心数据库中，结合BIM模型更为直观和综合地对桥梁构件设施的基础数据进行记录、存储以及分析等操作。实现了对城市桥梁的结构安全和运行安全进行实时监测，一旦发现异常情况能及时进行预警。保证了城市桥梁设施的安全运行，提升其安全运营和维护水平。

长期安全管理追踪分析

通过全方位的设施数据积累以及对安全管理措施和制度、安全预案执行情况等的长期追踪，可以利用BIM的大数据挖掘能力分析当前安全管理策略的有效性和执行风险，并根据目标安全管理水平进行不断调整，以使桥梁安全服务水平不断提高、管理方式不断完善。特别是BIM的安全预案模拟可以根据现实执行情况的反馈不断修正和完善，比如通过灾后分析和经验总结优化预案。在桥梁安全管理中使用BIM，符合现今设施管理方式日趋精细化、数据获取方式日趋多样化的趋势，BIM优秀的数据挖掘和分析潜力以及分析结果的快速表达能力，都将有助于管理人员提升对桥梁安全服务能力的认识并事实上提升桥梁的安全运行水平。

系统功能模块设计

根据上文所述的城市桥梁安全管理的需求分析、BIM优化手段和应用领域分析，基于BIM的城市桥梁运维安全管理系统的功能模块主要由以下部分组成。

城市桥梁的BIM模型

对桥梁设施建立BIM数据模型，BIM模型既是3D展示的平台，也是数据平台。桥梁的BIM模型应包括完整的结构构件，如主梁、桥塔、桥墩、承台、基础、斜拉索、锚固节点、桥面系及支座、伸缩缝、路灯等附属设施、监测、监控设备等。需要注意的是BIM的建模深度应能满足运营管理对结构信息的要求，同时必须对所有构件进行科学的分类、编号，以便于对在之后的管理应用中对构件进行查询、标注及定位。

中心数据库子系统

在进行城市大型桥梁的安全管理时，需求对桥梁的各项基础安全检测和监控数据进行全面、有效的收集，准确可靠的基础数据是后续管理功能正常、良好运行的前提。基于BIM的桥梁安全管理系统核心就是通过计算机三维模型所形成的BIM中心数据库子系统，中心数据数据库中包含了建筑生命周期中大量重要的基础信息，这些建筑信息数据都以有序、便于调取和编辑的组织方式存储于计算机中。

桥梁安全状态检测子系统

安全状态检测子系统主要通过健康检测系统、定期检测、日常巡检等方式进行桥梁安全数据的收集，进而将信息汇总到中心数据库子系统中。桥梁安全管理系统以数据作为支持，所以数据的质量和数量将直接影响系统性能，该部分功能包括数据的编辑、修改、校检等，并实现了数据的检索、查询、查看图像以及桥梁各种信息的输出等功能。

桥梁安全状态评估子系统

图2　基于BIM的桥梁安全管理系统的模块构成

利用监测、检测桥梁状态信息与桥梁的BIM模型，结合结构力学、结构动力学性能分析，对结构的安全性、耐久性进行综合评估，从而为结构运营管理提供科学的依据。该子系统必须保证评估结果的可靠度较高，并包含对评估结果的分级功能。在基于BIM的城市桥梁安全管理系统中，融入安全状态综合评估机制，对每种典型的风险事态，给出对结构安全、构件安全和运营安全的风险水平评估方法，在风险事态发生之后，根据风险水平的不同，给出相应的应对措施。

桥梁安全使用寿命预测模块

通过自动采集和人工巡检等手段，对桥梁构件的安全状况进行检测，利用所得的检测数据对桥梁各个部分进行分析评定，得出对桥梁构件的寿命预测。同时对历年的检测结果进行时间序列上的数据挖掘，从中筛选出高频易损的桥梁构件。通过对各构件安全状况和寿命预测进行加权综合，得到桥梁整体的使用现状评价，进而对桥梁结构整体的剩余寿命进行预测，为桥梁的养护和维修决策提供相关依据。

维护方案设计与模拟子系统

维护方案设计与模拟子系统应具有根据桥梁状态评估子系统的评估结果与相关技术规范及历史经验数据对维护方案进行预先设计的功能，并且该子系统应可以与桥梁BIM三维模型结合进行维护方案的模拟。常用的维修和养护工作主要包括有：日常养护、预防性养护、大中修工程以及应急养护等几种类型。维护方案设计与模拟子系统需要针对不同的桥梁状态评估结果，设计出安全可靠地维修和养护方案作为参考。

经济分析与评估子系统

经济分析与评估子系统应与桥梁安全使用寿命预测、维护方案设计与模拟等模块相结合。在有限的养护资源约束下，保障或提高桥梁的安全运行水平，发挥出现有资源最大的效益，实现长效安全管理。常见的经济分析与评估内容包括：维护方案的经济投入、维护方案的寿命、维护对象的优先等级等。基于BIM的城市桥梁安全管理系统借助其从设计、施工到运行维护阶段的全寿命周期管理功能，可以对城市桥梁的养护和维修实现全寿命经济分析。

人机交互平台

人机交互平台包括主界面子系统跟辅助界面子系统，应对所有其他的子系统进行界面化与可视化。主要目的是实现向用户提供方便的操作及科学、有效直观的管理界面、并实现远程访问、成果输出等功能。人机交互平台还应包括对不同的数据处理成果的输出与发布功能，例如：桥梁安全状态检测子系统监测数据的输出、评估子系统评估报告的发布、BIM三维模型可视化定位信息的输出、维护预设计方案的发布、维护的经济指标评估报告的发布以及模拟维护施工指导动画的输出等，以方便不同专业的人员利用成果进行后续工作。

典型工况场景分析

应急安全管理是城市大型桥梁安全管理的核心和关键所在，利用BIM技术提升应急安全管理水平也将对桥梁的安全运行大有裨益。下面就以应急安全管理下的典型工况场景——火灾安全应急为例，简要分析基于BIM的城市大型桥梁安全管理系统如何针对火灾应急进行管理。其运作流程如3所示。

城市桥梁安全管理系统的安全状态监测子系统，利用传感器自动采集和人工定期巡检实时对桥梁的运行安全（结构安全要素、环境安全要素、偶然作用等）进行监控，可以及时发现诸如火灾、交通事故之类的突发性安全事故。当桥梁突发火灾时，安全状态监测子系统一旦检测到桥梁安全状态的异常变化会及时报警，同时安全状态监测子系统会对火灾的严重程度和造成的安全风险进行评估与判定。借助BIM模型的空间定位和三维展示能力，桥梁管理人员可以迅速在三维可视化模型上确定火灾发生的位置，再结合桥梁安全管理系统中已有的应急安全管理预案模拟，管理人员能够及时对发生的火灾应急指挥，采取诸如紧急消防安全喷淋灭火、人员疏散最短逃生线路规划、桥上车辆交通诱导与管制等应急管理策略。BIM技术在安全应急管理中作为应急管理的指挥平台、定位工具、和模拟手段，能在事故预警、报警、处置的全过程中发挥重要作用，大大提升桥梁的应急管理水平。

图3　火灾应急管理流程

总结

本文主要研究如何运用BIM技术提升城市大型桥梁的安全运行水平，分析了大型城市桥梁安全管理的需求，对在桥梁安全管理系统中基于BIM技术的优化方式进行了阐释：BIM技术有利于数据综合管理和安全运行分析延伸，能够提升桥梁安全评估精度和养护资源利用效率，提高养护维修效率与快速安全响应能力，改善经济指标评估和决策信息的表达方式。探讨了BIM技术在城市大型桥梁安全管理中可能的应用领域，归纳出BIM技术在城市桥梁安全管理中的应用领域有：日常安全管理、安全应急管理、养护维修决策、突发安全事件处理、异常状况预警以及长期安全管理追踪分析等方面。

本文阐述了基于BIM的桥梁安全管理系统的功能模块设计，主要包括：城市桥梁的BIM模型、中心数据库子系统、桥梁安全状态检测子系统、桥梁安全状态评估子系统、桥梁安全使用寿命预测模块、维护方案设计与维护方案模拟子系统、经济分析与评估子系统、和人机交互平台等。总结归纳了构建基于BIM的城市大型桥梁安全管理系统的设计思路和流程。同时，本文还详细分析了在应急安全管理的典型工况——火灾应急管理场景下，如何运用BIM技术提高城市大型桥梁的安全运行水平。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.030