智慧桥梁理念的探索

潘永杰，赵欣欣，刘晓光(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081)



智慧桥梁理念的探索

潘永杰，赵欣欣，刘晓光
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:以BIM( Building Information Modeling)、物联网、云计算等为代表的新一代信息技术与传统行业的不断融合促使智慧桥梁应运而生。本文分析了智慧桥梁理念的内涵，阐述了智慧桥梁的总体架构，将智慧桥梁划分为智慧设计、智慧建造和智慧管养三个阶段，研究了不同阶段的主要功能及关键技术，指出了智慧桥梁是智慧产业在桥梁工程领域发展的必然结果。

关键词:BIM智慧桥梁全生命周期管理平台PHM( Prognostic and Health Management)

1　概述

近十年来，伴随高速铁路的快速发展，我国先后建成了武汉天兴洲长江大桥、南京大胜关长江大桥、济南黄河大桥、铜陵长江大桥等一批具有代表性的铁路或公铁两用大跨度桥梁。它们不仅体积大、荷载重、运营速度快，而且结构新颖，设计美观，表明我国建桥水平已跃升于世界先进行列。但桥梁工程管理模式依旧是相对独立的“设计—施工—管养”三阶段，面对不同的管理者，相关信息、数据在传递过程中会出现失真甚至丢失的现象。这种传统的管理模式存在诸多需改进的地方，比如:

1)以二维图纸作为信息主要载体，不易携带、传递和保存，且非专业人士较难理解，故可以采用直观的三维模型作为信息主要载体。

2)关键工序仍采用传统施工机具，效率偏低且人为因素影响大，施工信息传递依靠上传下达，沟通协调不足，信息追踪性差，故可以研发自动控制和数据采集的施工设备。

3)桥梁管养主要依靠定期检定和人工巡检，未将设计、施工及各种监(检)测数据进行联动分析，故可以基于信息技术建立综合多源数据的大桥故障诊断、状态预测和健康管理系统。

管理模式的改进需要配套的智慧基础设施、智慧产品、智慧技术、智慧设备和智慧管理。伴随BIM ( Building Information Modeling)、移动互联网、物联网、云计算及大数据等技术的广泛应用，传统土木行业正经历向智慧产业发展的信息革命。未来桥梁正在向更智能、更安全、更经济、更耐久、更环保、更美观的方向发展，智慧桥梁呼之欲出。

智慧桥梁是以工业化、标准化、智能化和绿色建造为特征的桥梁全产业链创新体系，是智慧技术发展与传统行业不断融合的结果。

建设智慧桥梁需要从项目全生命周期角度出发，以BIM技术为核心，以移动互联网等先进信息技术为手段，通过打破信息断层，有效控制工程信息的采集、加工、存储和交流，构建信息的创造、传递、评估和利用的良性循环机制。实现智慧设计、智慧建造和智慧管养，支持决策者对项目进行合理的协调、规划和控制，进而不断提升桥梁技术创新、信息化和智能化水平。智慧桥梁各阶段主要功能见表1。

智慧桥梁以BIM标准体系和平台安全两大保障体系为支撑，以设施层、网络层、感知层等基础设施为基础，在公共信息平台、数据库、地理信息库的支撑下，架构智慧桥梁协同管理平台，并构建面向建设方、设计方、建造方、运维方、科研院所和相关企业的智慧应用体系。智慧桥梁总体架构见图1。图1中，智慧桥梁协调管理平台是开放性的集约式平台，各类智慧应用按照统一的平台建设规范进行接入。

2智慧桥梁典型功能分析

2. 1智慧设计

1)参数化建模

通过控制多类型参数，调整模型中数据关系，实现模型的几何和类型参数变化，从而适应复杂多变的结构设计，提高建模效率。参数化模型见图2。

表1智慧桥梁各阶段主要功能

图1智慧桥梁总体架构

图2参数化模型

2)构件库和模型库

基于参数化建模，搭建桥梁构件库和模型库，累积标准构件的几何尺寸、属性信息，提高设计效率及质量。

3) BIM模型与FEM分析软件的衔接

结合第三方网格划分软件或利用Python，C /C ++等编程语言进行二次开发，开发与主导有限元分析软件的无缝接口，实现数据模型无损传递，避免重复工作，提高分析效率。

2. 2智慧建造

1)数字化施工

针对预制梁(现浇梁)预应力张拉、压浆工艺，钢梁焊缝质量管理，螺栓连接施工，几何尺寸检测等关键工序开展数字化施工，研发智能化施工机具或测试设备，减少人为因素干预。借助物联网技术，及时采集建造过程中的关键数据和信息，并通过互联网实时上传到管理平台，实现关键参数量值、关键工序质量的有效把控。同时可利用BIM模型所包含构件的几何尺寸信息，与大型机械设备进行无缝对接，直接生成下料、加工等信息，省略二次翻图转换工序，提高自动化水平。

2)虚拟施工

构建施工设备、施工工艺等相关族库，在工程正式施工前，利用BIM技术进行施工4D虚拟建造，通过可视化的预演练和施工过程模拟，检查设备空间位置和工艺实施的可行性，进而优化施工组织方案，减少返工，切实提高工效。

3)施工信息管理

集成建设、施工、监理、监控等各参与方的具体要求，依据规范标准，实现进度、安全、成本等施工信息的采集、存储、分析和反馈，对物料、设备等资源进行动态管控，获取有效施工信息。施工信息管理不仅可以实现施工质量的追踪，更为竣工验收资料的交付提供基础。同时融入施工计算分析模块，可为施工人员提供技术支持，极大方便了现场应用。

施工信息管理系统界面见图3。图中展示的管理系统包括GIS模块、基础信息、可视化交底、图片管理、平面结构分析等多个模块，实现了对施工信息全方位的了解和把控。

图3施工信息管理系统界面

2. 3智慧管养

1)人工巡检

针对工务部门的现场检查，直接利用移动终端进行数字化信息采集，实时上传病害描述、照片和视频等内容，免去了“手工记录→数据录入→导入系统”的繁琐步骤，不仅提高了巡检效率，实现病害的立体展示，而且有利于病害的可持续追踪，方便追溯管理。智能人工巡检APP界面见图4。

图4智能人工巡检APP界面

2)病害库及专家远程会商

该模块实现了运营期间病害的分类管理，关联有效处理措施及维修养护过程，形成规范的管养步骤和流程。针对新病害，采取专家远程会商，及时获取有效处理措施，并补充和完善病害库，形成有机良性循环。病害处理流程见图5。

图5病害处理流程

3)基于“状态修”的管养

基于互联网、物联网和云计算技术，搭建基于车—线—桥的数字化管养系统，集成智能巡检、病害库和知识库管理等模块。综合设计、施工、联调联试等信息，利用大数据技术对多源数据进行分析和深度挖掘。结合相关规范、标准，梳理并构建桥梁结构性能评价的基本指标体系，最终实现基于“状态修”的智慧管养体系，为今后类似工程的设计、施工和运营提供技术依据。基于“状态修”的管养模式流程见图6。

图6基于“状态修”的管养模式流程

3　关键技术

1)智慧桥梁相关标准体系

在中国铁路BIM联盟相关标准体系下，基于铁路桥梁特点，需要建立统一的BIM模型、数据传递交换、存储、交付、实施、管理等相关指南，形成智慧桥梁BIM技术应用标准体系。

2)基于BIM技术的项目协同综合管理平台

搭建面向多参与方、多阶段的BIM管理平台，为各阶段的BIM应用及各参与方的数据交换提供一体化信息平台支持，打造各方信息无损传递和数据共享的生态链。

3)构件库、模型库的建设

基于参数化建模，搭建桥梁构件库和模型库，累积标准构件的几何尺寸、属性信息，提高设计效率及质量。

4)模拟与分析

研究基于BIM模型的数值模拟和空间分析，实现与力学分析软件的接口设计，完成建模、计算、分析评估和优化的成套流程。

5)数字化施工与施工管理系统

基于BIM技术，搭建多维施工管理系统，完善和集成多个数字化施工模块，实现不同阶段信息的关联查询，追溯管理。实现施工信息资源的智能化、标准化、专业化的深层次应用，达到提升桥梁工程结构建造质量和管理水平的目的。

6)多源数据综合分析技术

集设计、建造、联调联试、试验、智能巡检及车—线—桥—环境耦合系统等多源数据于一体，利用大数据技术，通过数据挖掘、预测分析、关联分析等专用算法库和模型库，将不同阶段的数据进行综合分析和高效利用，为大桥进行状态诊断、预测分析和健康管理提供基础。

7)基于全生命周期的BIM运维管理系统研究

融合先进信息技术，建立包括结构设计、施工、运营、养护维修等内容的全生命周期BIM管养系统，将动态轨检车、静态轨道监测系统、桥梁结构监测系统、工务监(检)测等信息纳入多维度的监测内容。采取多源数据分析手段，借助大数据分析技术，构建结构性能评判、预测和健康管理的综合技术体系，实现大桥维护管理的信息化、自动化和智能化，最终实现基于“状态修”的桥梁管养模式升级。

4　结语

以BIM技术为核心的智慧桥梁，结合移动互联网、物联网、云计算、大数据等技术，融合了信息采集、数据应用和数据管理等创新模式，构建了桥梁设计、建造和管养不同阶段数据链的生态体系，实现了可视化、智能化、集约化、精益化的全生命周期管理。智慧桥梁是智慧产业在桥梁工程领域发展的必然结果。

参考文献

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部．智慧社区建设指南(试行)［EB/OL］．( 2014-05-04)［2015-12-01］．http: / /www．mohurd．gov．cn/zcfg/jsbwj_0 /jsbwjjskj/201405 /t20140520_ 217948．html

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部．关于印发推进建筑信息模型应用指导意见［EB/OL］．( 2015-06-16)［2015-12-01］．http: / /www．mohurd．gov．cn/wjfb/201507 /t20150701 _ 222741．html

［3］王同军．基于BIM的铁路工程管理平台建设与展望［J］．铁路技术创新，2015( 3) : 8-13．

［4］潘永杰，赵欣欣．铁路桥梁BIM技术应用［J］．铁道知识，2015( 1) : 54-59．

［5］刘延宏．BIM技术在铁路桥梁建设中的应用［J］．铁路技术创新，2015( 3) : 47-50．

［6］金星．铁路勘测设计BIM应用基础研究［J］．铁道建筑，2014( 7) : 136-138．

［7］孙博，康锐，谢劲松．故障预测与健康管理系统研究和应用现状综述［J］．系统工程与电子技术，2007，29( 10) : 1762-1767．

(责任审编郑冰)

Research on conception of the intelligent bridge

PAN Yongjie，ZHAO Xinxin，LIU Xiaoguang
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:W ith BIM ( Building Information M odeling)，Internet of things，cloud computing as the representative of the new generation of information technology and traditional industry promote the intelligent bridge come into being．T he connotation of the intelligent bridge and the general framework of integration platform are analyzed．It is divided into three stages such as intelligent design，intelligent construction，intelligent management and maintenance．T he main function and key technologies in the corresponding phases are also studied．At last，it is pointed out that the intelligent bridge is the inevitable result of the development between the intelligent industry and bridge engineering．

Key words:BIM ; Intelligent bridge; W hole life cycle; M anagement platform; PHM ( Prognostic and Health M anagement)

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0006-05

中图分类号:TP319; U44

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．01

作者简介:潘永杰( 1983—)，男，助理研究员，博士。

基金项目:中国铁道科学研究院基金项目( 2013YJ024，2014YJ024)

收稿日期:2015-12-01;修回日期: 2015-12-25