基于全生命周期的BIM智慧建管养一体化平台在超大跨度悬索桥的应用

张春声,代希华

(广东省公路建设有限公司，广州 510623)

0 引言

随着我国公路桥梁建设的快速发展，已进入建养并重的时期。在大桥建成后的运营期，应摒弃传统的碎片化、人工化、笼统化和低信息化的管养模式，充分利用建设期形成的BIM应用成果和相关数据成果，采用大数据分析和智能监测技术手段，实现桥梁建养一体化和全寿命周期数字化、智慧化管养，建立综合的桥梁智慧管养一体化平台，打通建设期与运营期数据共享和有效传递，形成全寿命的管理数据和决策支持数据载体，实现桥梁养护和运营的一体化、标准化、可视化和可溯源化。

1 特大桥梁养护系统平台现状

近三十多年来国内外桥梁管理信息系统的相继建立，大大促进了桥梁管理信息系统的研究和开发。传统的桥梁管理信息系统总体可分为两个阶段[1]：第一阶段是桥梁数据库管理系统，该系统用于存储桥梁各种检测或监测的数据，提供查询、检索等基本服务；第二阶段是在第一阶段的基础上，增加了桥梁技术状况评价、中长期养护计划需求预测、养护加固维修计划决策等功能。传统的桥梁养护信息系统，主要以桥梁结构各传感单元构成的健康监测系统和养护巡查日常管理、评估决策等子系统构成，各子系统相对独立，建设期的数据与运营期的数据不能有效关联，评价决策系统往往针对性不强，已不适应桥梁建设和养护高质量发展的需要。

目前，桥梁管理信息系统已进入第三阶段，即智慧建管养一体化阶段，主要是综合运用管理学理论及信息化技术，具备静动态数据管理、三维数字平台管理、病害处治对策、维修方案、数据分析等综合管理功能。配合用于现场采集结构检查数据的巡检系统，探索计算机桥梁仿真虚拟可视化技术，实现基于三维 3D 桥梁模型的病害及维修档案的记录及管理，强调运营期桥梁各类事件的“可追溯性”和“定位性”，建立桥梁病害信息库，提高桥梁养护技术和相应的诊断水平、适宜的维修、加固设计和施工决策，从而提前做好科学预防性养护，降低全寿命周期成本，保障桥梁长期安全运行，延长桥梁使用寿命。

2 BIM智慧建管养一体化平台技术体系

2.1 关键技术

2.1.1 BIM+养护管理/资产管理(FM)

智慧建管养一体化平台通过BIM技术将桥梁基础设施全要素数字化，对物理空间的实际资产在虚拟空间中进行可视化管理。通过不断积累检测、养护和维修数据，对历史检修数据进行分析和预测，观察总结重要部件的性能劣化规律和易损部件的损坏维修规律，提前保养，降低全寿命周期成本。结合桥梁健康监测系统，将监测系统的重要数据与结果纳入，根据养护检查结果，实现对桥梁运行状态的综合评定；结合应急风险评估、突发事件接报等，实现对桥梁应急状态的预报。

2.1.2 BIM+物联网(IOT)

智慧建管养一体化平台发挥上层信息集成、交互、展示和管理的作用，物联网技术(IOT)承担底层信息感知、采集、传递、监控的功能，主要用于施工期预制构件的物流管理、数字化施工、施工监控、健康监测等。

2.1.3 BIM+智慧云联网(SCN)

构建智慧高速云平台的架构，研究智慧高速云平台的设备管理、数据交互系统、数据采集系统、数据存储系统的方案。通过WEB端数据关联整合事件管理、交通监控、视频管理、设备设施管理、应急管理、交接班管理、综合数据展示、系统管理等桥梁运营管理子系统，集成收费业务数据、机电养护管理、路政管理、防雷智能监测系统、拯救管理、BIM养护平台等系统，实现桥梁全过程、全生命周期智慧运营和管养。

2.1.4 BIM+平台支撑层

平台支撑层主要包括计算与交换云平台、集成工具和集成系统，主要遵循SOA体系结构，解决在网络环境下的业务集成。

2.2 主要功能

运营集成管理平台是服务于大桥运营期养护、安全等管理的综合性平台，主要实现路产养护管理、养护评价与决策、养护工程管理、应急安全管理等功能。同时，大桥在建设期建立了运营健康监测系统，综合平台应将监测系统的重要数据与结果纳入，根据养护检查结果，实现对桥梁运行状态的综合评定；结合应急风险评估、突发事件接报等，实现对桥梁应急状态的预报。此外，平台还可对基础信息、BIM模型、数据接口等进行管理与配置，对文档与数据进行管理与协同。

(1)基础管理：对平台用户进行管理与权限设置，自动形成系统日志，构建数据字典，进行系统参数设置。

(2)模型管理：实现对BIM模型编码、模型变更、信息挂接、版本信息等进行管理。

(3)接口管理：实现对机电设备、安全监控、健康监测、智能终端、办公OA等接口的管理和配置。

(4)路产养护管理：实现日常巡查、经常检查、定期检查、特殊检查等规范规定的巡查、检查功能，对检查路线进行自动规划，对检查发现的病害进行动态跟踪。

(5)养护评价与决策：根据《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)和《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG H21-2011)进行养护评定，并结合桥梁健康监测结果进行综合评估。对评价结果进行跟踪，根据养护评价结果提出合理的养护决策建议。

(6)养护工程管理：能够辅助养护方案的制定，并进行养护任务的编制分配。对大中修工程的招投标和实施过程进行规范化管理，对大中修工程的实施效果进行验收与质量跟踪，管理养护工程档案。

(7)应急安全管理：实现风险的动态评估，对突发事件和监测预警的接报。进行灾害特性分析与预警预报，对灾害自动分类分级。构建智能应急预案库并实现智能应急处置，对应急资源和应急演练进行管理。

(8)监测系统管理：结合桥梁巡查，实现对监测设备的巡查以及设备状态的管理。通过平台模型查询监测信息，收报监测系统的预警信息，管理健康监测的专业评估报告。

(9)文档协同管理：实现对基础文档、建设期文档、运营期文档的管理。对养护任务进行网上签报审批，对养护计划编制的监控和养护任务发布的追踪。

(10)数据协同管理：实现对基础数据、建设期数据、养护数据、地理信息数据的管理。建立桥梁病害库，对各类信息进行统计与查询。

2.3 系统架构

从桥梁安全运营的角度考虑，主要是摒弃传统的碎片化、人工化和粗放式的管理模式，形成全寿命的管理数据和决策支持数据载体，实现桥梁养护工作的整体化、标准化、可视化和可溯源化，并能和桥梁运营监控一体化管理平台交换环境信息数据，特别是车流量、荷载、气象、视频图像等。

图1全寿命周期BIM智慧建管养一体化平台架构

3 工程应用

虎门二桥(南沙大桥)是广东省高速公路网规划中连接广州和东莞的重要东西向通道，路线起于广州市南沙区东涌镇，终点与广深沿江高速公路相接，全长 12.886km。全线共设置跨江大桥两座，分别是坭洲水道桥(主跨1 688m双塔双跨悬索桥)、大沙水道桥(主跨1 200m双塔单跨悬索桥)[2]。南沙大桥基于特大型桥梁“精细化、专业化、信息化、标准化”的养护理念，在大桥主体建设的同时，同步建成集“监测、巡检、管理、养护”于一体的建管养一体化平台。

3.1 南沙大桥BIM智慧建管养一体化子系统功能需求设计

集成管理平台主要实现养护管理、应急安全管理和智慧云联网等功能，养护管理又包括养护检查、养护评定等。各功能数据需求与来源：

(1)养护检查：数据主要来源于养护巡查和定期检查录入的数据。

(2)养护评定：按规范评定所需的数据，主要来源于养护巡查和定期检查录入的数据。综合评定所需数据除养护巡查和定期检查录入的数据外，还需综合桥梁健康监测系统获取的重要参数数据。进行养护评定和决策建议时，还需参考建设期结构的质检数据和施工监控数据。

(3)应急安全管理：数据主要来源于事件接报、健康监测、视频监控等。

平台以BIM为核心，改变传统桥梁运营管理的沟通方式，所有的沟通、协同、数据交换等均通过BIM集成平台进行，实现桥梁运营管理信息的交互共享，加快信息流的速率，提高决策效率，实现扁平化管理。为提高桥梁管养工作效率，实现统一平台管理，用户界面子系统除具备桥梁运营安全监测及电子化人工巡检结果的管理外，还预留了标准数据接口及界面，便于后期将桥梁检查检测、桥梁综合评估、桥梁养护维修等纳入同一平台管理，实现自动化监测与桥梁检测评估的有效结合，真正实现桥梁全覆盖全寿命管养，保证桥梁结构与行车安全，延长桥梁使用寿命。

图2平台子系统功能划分与接口

3.2 桥梁养护评价与决策核心子系统

对接健康监测系统中的巡检养护技术状况评估数据，依据桥梁技术状况评价(2011)标准，由定检单位录入相关数据，结合桥梁健康监测结果、养护检查结果对桥梁状态进行综合评估(图3)。对各评价结果进行跟踪管理，制定南沙大桥养护决策支持库，主要包括病害库及维修库，并根据养护评价结果提出合理的养护决策建议。细化大桥典型的钢箱梁段、吊索、主缆等模型，实现关键构件的可视化直观展示，以便于对病害进行持续跟踪观测(图4)。同时，使用VR视频数字孪生技术，将监控实景复合至BIM模型，实时读取全景视频，准确地展示桥梁实时整体状况(图5)。

图3桥梁养护评价与决策核心子系统

图4 桥梁各关键构件全生命周期可视化BIM模型

图5基于视频数字孪生技术的桥梁全景展示

4 结语

根据交通强国建设纲要“强化交通基础设施养护，加强基础设施运行监测检测，提高养护专业化、信息化水平，增强设施耐久性和可靠性”，在大桥主体建设时同步开展智慧建管养一体化平台的建设，利用BIM等信息化、数字化技术手段，实现桥梁全生命周期数字化智慧建管养，实现建设期质量、进度、施工监控、安全等数据和运营期健康监测、养护、运营等全过程数据的深度融合和关联。

同时，特大悬索桥应充分考虑其结构构造的特点及约束支撑体系，实时监测桥梁在自然环境、交通荷载等因素作用下的代表性、关键结构构件响应，对大桥运营环境及关键部位结构响应进行监测并实现安全预警。结合自动化监测与检测的结果，对桥梁技术状况、宏观受力、耐久性、承载力等进行综合评估，为大桥的管养决策提供科学依据及建议，实现主动管养。制定预防性、 高效、经济、合理的养护措施，科学延长桥梁的安全使用寿命[3]。