近年來(lái)，致命的橋梁坍塌和事故、氣候變化的影響，及許多橋梁的維護(hù)狀況，使得全世界范圍內(nèi)的橋梁工程從業(yè)者們，對(duì)通過(guò)數(shù)字化技術(shù)解決從預(yù)防性維護(hù)過(guò)渡到更主動(dòng)的橋梁維護(hù)產(chǎn)生了興趣。系統(tǒng)地分析維護(hù)信息有助于成功的維護(hù)管理。檢查和維護(hù)需要有組織的、自動(dòng)化的、開放的和透明的數(shù)字化流程。

世界范圍內(nèi)的橋梁管理系統(tǒng)隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，但迫切需要進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，特別是需要借助BIM技術(shù)。現(xiàn)有的BIM模型必須通過(guò)從檢查和維護(hù)過(guò)程中獲得的資產(chǎn)來(lái)豐富。一個(gè)開放的BIM平臺(tái)應(yīng)該是目標(biāo)，為此，可以將目標(biāo)定位在給現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提供BIM解決方案。

橋梁管理系統(tǒng)的演變

由于維護(hù)的復(fù)雜性、橋梁數(shù)量的上升、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，以及數(shù)字化管理過(guò)程與目前現(xiàn)有的開放式BIM平臺(tái)的分離，使得橋梁管理成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

養(yǎng)護(hù)期長(zhǎng)且復(fù)雜，大量的數(shù)據(jù)正在產(chǎn)生。不一致和沖突的歷史有望沿著時(shí)間軸顯示出來(lái)，這樣就可以避免錯(cuò)誤在工作現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生之前發(fā)生。

現(xiàn)有的橋梁管理系統(tǒng)（BMS）只能部分地促進(jìn)數(shù)字分析程序的順利進(jìn)行。檢測(cè)規(guī)范主要是針對(duì)人工檢查的。業(yè)主和基礎(chǔ)設(shè)施主管部門認(rèn)識(shí)到需要基于信息化的解決方案來(lái)提高交通基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)效率，降低成本，避免發(fā)生致命的風(fēng)險(xiǎn)。

BIM應(yīng)該被理解為一個(gè)過(guò)程，通過(guò)共享三維橋梁模型（設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)），包括整個(gè)生命周期中的所有信息，系統(tǒng)性的存儲(chǔ)從早期規(guī)劃到維護(hù)、拆除或翻新的所有資產(chǎn)。如果想從BIM中獲益，所有類型的缺陷及其隨時(shí)間變化的可視化、語(yǔ)義信息、傳感器位置和基于性能指標(biāo)的維護(hù)計(jì)劃都必須成為BIM的一部分。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，各方面的數(shù)字技術(shù)必須成為Open BIM的一部分。

第一個(gè)橋梁管理系統(tǒng)（BMS）出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代的美國(guó)。這些系統(tǒng)最初是作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)由人工管理的橋梁信息。從那時(shí)起，BMS經(jīng)歷了與技術(shù)進(jìn)步相關(guān)的發(fā)展。

如今，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)建立了幾個(gè)BMS系統(tǒng)，它們采用不同但相似的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。2014年，國(guó)際橋梁維護(hù)與安全協(xié)會(huì)（IABMAS）的一份詳細(xì)報(bào)告，回顧了來(lái)自北美、歐洲、亞洲和澳大利亞等18個(gè)國(guó)家的25個(gè)BMS。總的來(lái)說(shuō)，這些BMS被用來(lái)管理大約100萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)，其中大多數(shù)是橋梁結(jié)構(gòu)。

在最初的BMS數(shù)據(jù)庫(kù)中，所有的模塊都有一個(gè)模塊化的架構(gòu)。每個(gè)模塊的類型、名稱和功能，在每個(gè)BMS中都是不同的。不過(guò)，這些模塊可以歸納為三大類：清單、檢查、干預(yù)。

清單模塊來(lái)自初始數(shù)據(jù)庫(kù)，包含每座橋梁的一般信息（如位置、橋梁類型、結(jié)構(gòu)類型、建造年份、跨度、總長(zhǎng)度、橋面寬度、橫截面、構(gòu)件列表、構(gòu)件類型、構(gòu)件材料、主要構(gòu)件的幾何特性等)。

檢查模塊則包含了從每座橋梁生命周期中所進(jìn)行的不同檢查和測(cè)試中獲得的信息。這些信息后來(lái)被用于評(píng)估橋梁的狀況。橋梁的狀況通常由一個(gè)適用于所有橋梁構(gòu)件和整個(gè)橋梁系統(tǒng)的狀態(tài)指數(shù)來(lái)表征。不同的BMS使用不同的尺度和指數(shù)，但整個(gè)概念卻是相似的。

第三個(gè)主要模塊是干預(yù)措施模塊。它包含了每個(gè)構(gòu)件可用的維護(hù)和維修干預(yù)的類型。這包括要進(jìn)行的維修、要分配的資源，以及維修干預(yù)的成本等細(xì)節(jié)。該模塊用于為BMS中的每座橋梁定義最佳的維護(hù)策略。

每個(gè)現(xiàn)有的BMS都通過(guò)在模塊中添加一個(gè)以上的模塊來(lái)進(jìn)一步劃分這些組。在現(xiàn)有的BMS中，可以找到的其他模塊例子包括歷史數(shù)據(jù)分析、狀況評(píng)估、結(jié)構(gòu)評(píng)估、劣化預(yù)測(cè)、成本、優(yōu)化、改進(jìn)、報(bào)告。

今天，BMS的演變?cè)俅问艿郊夹g(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。由于數(shù)字化的顯著進(jìn)步，一些技術(shù)的出現(xiàn)將推動(dòng)新模塊的加入，甚至驅(qū)使人們重新思考橋梁管理的整個(gè)過(guò)程和BMS在其中的作用。

多樣的BMS案例

韓國(guó)的BMS

在韓國(guó)，橋梁管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)包含了纜索承重橋梁和普通橋梁中的不同功能。用于纜索承重橋梁的BMS管理來(lái)自維護(hù)過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和檢查數(shù)據(jù)。普通橋梁的BMS積累了檢查數(shù)據(jù)、維修記錄，以及公共機(jī)構(gòu)擁有的橋梁狀況和安全評(píng)估所需的數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(DBS)、修復(fù)和更換優(yōu)先決策系統(tǒng)(RRPDS)、維護(hù)和維修優(yōu)先決策系統(tǒng)(MRPDS)的數(shù)字化工作正在進(jìn)行中，因?yàn)楝F(xiàn)有的BMS大多依賴于基于文件的數(shù)據(jù)。

雖然公共機(jī)構(gòu)接收BIM交付成品的原始模型和IFC模型，但由于軟件和計(jì)算硬件的數(shù)字化過(guò)渡成本，新BMS需要一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。由于維護(hù)任務(wù)生成各種數(shù)據(jù)，包括圖像和NDE數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是將現(xiàn)有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到新的BMS，并盡量減少該過(guò)程中的人工輸入。同時(shí)，也需要將現(xiàn)有的維護(hù)系統(tǒng)從基于文件的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵试SDB-to-DB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

目前，新的BMS系統(tǒng)以試點(diǎn)測(cè)試的形式與現(xiàn)有系統(tǒng)一起實(shí)施。一旦完成數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)流程，將用新系統(tǒng)替換現(xiàn)有系統(tǒng)。主要監(jiān)控纜索承重橋梁的公共機(jī)構(gòu)正準(zhǔn)備在數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加分析模型，進(jìn)一步開發(fā)該系統(tǒng)。

印度的BMS

印度的BMS

印度的BMS數(shù)字化從2017年開始全面實(shí)施，所有現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)輸入都通過(guò)移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集應(yīng)用程序，直接傳輸?shù)椒?wù)器。BMS在很大程度上滿足了過(guò)程的自動(dòng)化。BMS內(nèi)部的數(shù)字化也促使數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步自動(dòng)化。

針對(duì)中小橋梁為基于BIM的BMS創(chuàng)建模型并添加維護(hù)信息

一種有損壞記錄的纜索支承橋梁的新型BMS系統(tǒng)

由于數(shù)字化，使用各種參數(shù)進(jìn)行分析成為可能。根據(jù)位置、日均交通量為每座橋梁自動(dòng)創(chuàng)建和分析惡化模型。這確保了每一座橋梁都有其獨(dú)特的橋梁退化模型自動(dòng)生成。這一功能也確保了短期和長(zhǎng)期預(yù)算的定期更新。

德國(guó)的BMS

德國(guó)正積極推進(jìn)數(shù)字技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和維護(hù)方面的應(yīng)用。道路管理部門和德國(guó)聯(lián)邦鐵路公司正在為鐵路橋推出使用基于連續(xù)傳感器的SHM系統(tǒng)和基于圖像自動(dòng)生成數(shù)字狀態(tài)數(shù)據(jù)的策略，以便在數(shù)字生命周期管理背景下實(shí)施預(yù)防性維護(hù)策略。

高清的數(shù)字孿生模型

最近，基于圖像的建模和狀態(tài)評(píng)估技術(shù)依托AISTEC項(xiàng)目取得了顯著進(jìn)展，該項(xiàng)目旨在開發(fā)一個(gè)處理鏈，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)圖像生成、攝影測(cè)量3D重建和語(yǔ)義建模的自動(dòng)化?；?span id="uu8uuuu" class="candidate-entity-word" data-gid="1793154">人工智能的損傷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估的數(shù)值模擬，并將所有狀態(tài)信息引用到高分辨率的數(shù)字模型，作為真實(shí)結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生。與行業(yè)合作伙伴INFRALYTICA一起開發(fā)的INFRA//TWIN平臺(tái)，用于對(duì)這種數(shù)字孿生(HDDT)的基礎(chǔ)設(shè)施狀況進(jìn)行管理。

INFRA//TWIN平臺(tái)

每個(gè)國(guó)家在基礎(chǔ)設(shè)施的所有權(quán)方面都有一個(gè)遞增的等級(jí)制度。

印度是由28個(gè)邦(省)、6個(gè)聯(lián)邦屬地及1個(gè)國(guó)家首都轄區(qū)組成。聯(lián)邦政府控制國(guó)家高速公路和位于國(guó)家高速公路上的所有結(jié)構(gòu)。邦政府控制著所有的邦或地區(qū)公路和位于這些公路上的結(jié)構(gòu)。此外，地區(qū)和市政當(dāng)局控制著地區(qū)和市政道路以及這些道路上的結(jié)構(gòu)。這種復(fù)雜的所有權(quán)結(jié)構(gòu)使得無(wú)法在全國(guó)范圍內(nèi)統(tǒng)一實(shí)施橋梁管理。

大部分的大宗貨物運(yùn)輸是從邦或地區(qū)公路開始的，然后進(jìn)入國(guó)家高速公路。可以看到，90%以上的運(yùn)輸是在國(guó)道上進(jìn)行的。因此，對(duì)聯(lián)邦當(dāng)局來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)疲勞及ADT、超重貨物運(yùn)輸是至關(guān)重要的。

邦政府需要監(jiān)控ADT來(lái)規(guī)劃道路基礎(chǔ)設(shè)施的幾何設(shè)計(jì)增量。地區(qū)和市政當(dāng)局更注重對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的濫用。另外，并不是每個(gè)邦或市政當(dāng)局都有統(tǒng)一的重點(diǎn)，每個(gè)邦和每個(gè)市政當(dāng)局的重點(diǎn)都不一樣。每個(gè)當(dāng)局內(nèi)部的這種復(fù)雜和不同的關(guān)注點(diǎn)，使得印度很難在所有等級(jí)的道路上實(shí)施相同的橋梁管理。

韓國(guó)在20世紀(jì)70年代經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，進(jìn)行了密集的橋梁建設(shè)?，F(xiàn)在，缺陷橋梁的數(shù)量不斷增加，維護(hù)成本迅速上升。由于韓國(guó)新的可持續(xù)基礎(chǔ)設(shè)施法要求對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的未來(lái)維護(hù)預(yù)算進(jìn)行估計(jì)，因此性能評(píng)估正成為一項(xiàng)重要的技術(shù)要求。需要詳細(xì)評(píng)估的案例和難以通過(guò)正常檢查程序評(píng)估其損壞的案例越來(lái)越多。因此，現(xiàn)有的人工橋梁檢測(cè)需要新的數(shù)字技術(shù)和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)積累。數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施被選為政府?dāng)?shù)字新政計(jì)劃中的重點(diǎn)行業(yè)創(chuàng)新，并正在推進(jìn)中。除了基于數(shù)字模型的系統(tǒng)，還需要使用無(wú)人機(jī)（UAV）和機(jī)器人的數(shù)字檢測(cè)技術(shù)，基于人工智能的損傷檢測(cè)，以及網(wǎng)絡(luò)級(jí)維護(hù)數(shù)據(jù)積累和分析功能。在定義BIM模型的過(guò)程中，已經(jīng)開始需要信息需求，以支持新的BMS。由于基于文件的信息系統(tǒng)中存在約40年的大量數(shù)據(jù)，因此正在開發(fā)數(shù)據(jù)管理技術(shù)來(lái)利用這些數(shù)據(jù)。

橋梁管理系統(tǒng)

與BIM的融合

在過(guò)去的幾十年里，數(shù)字化成為我們生活的一部分，并且最近變得越來(lái)越重要。站在趨勢(shì)和先進(jìn)創(chuàng)新的前沿意味著接受一定的責(zé)任，但也創(chuàng)造了建立一些重要里程碑的機(jī)會(huì)：將工程專業(yè)知識(shí)與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，可以降低成本和保護(hù)人類生命。

目前,運(yùn)營(yíng)和維護(hù)期在橋梁使用壽命中占比最大。預(yù)防性維護(hù)決策可以將基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)成本降低65%。維護(hù)決策是基于檢查數(shù)據(jù)的。有充分理由要求在橋梁的整個(gè)生命周期中實(shí)施BIM,減少成本、錯(cuò)誤并節(jié)省寶貴的時(shí)間和金錢。BIM可以在改善運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(O&M)階段發(fā)揮重要作用,特別是在檢測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化方面。在橋梁生命周期的所有階段,時(shí)間和四維空間都至關(guān)重要。如果希望成功地將BMS與BIM連接起來(lái),可變屬性的時(shí)間依賴性將使利益相關(guān)者、橋梁所有者和工程師能夠跟蹤橋梁的行為及其趨勢(shì),比較損傷程度，并在致命的惡化發(fā)生之前采取必要行動(dòng)。

開發(fā)和加強(qiáng)有關(guān)現(xiàn)有橋梁和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好和社會(huì)可協(xié)調(diào)的決策方法和工具，需要針對(duì)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)可用性進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)可以從簡(jiǎn)單的清單到綜合信息模型。BMS旨在促進(jìn)數(shù)據(jù)的數(shù)字存儲(chǔ)和交換，以及劣化、優(yōu)化分析模型及其與現(xiàn)有BIM解決方案的互操作性。

盡管如此，橋梁管理系統(tǒng)仍然是一座孤島，因?yàn)樗鼈兇蠖鄶?shù)是基于某些公司開發(fā)的，沒(méi)有統(tǒng)一。其中一個(gè)主要的限制是它們與不同的BIM平臺(tái)相互分離。因此，需要將現(xiàn)有的橋梁管理系統(tǒng)與BIM解決方案連接起來(lái)，以開放的BIM標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，考慮符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)管理（如ISO19650）。

設(shè)計(jì)、制造和施工模型應(yīng)適用于橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段。運(yùn)維階段還沒(méi)有整合到BIM全生命周期中，只有單一的信息以數(shù)字形式可以使用。團(tuán)隊(duì)根據(jù)市場(chǎng)的反饋，提出現(xiàn)有BMS和Open BIM的連接結(jié)構(gòu)。共分為5個(gè)主要類別:維護(hù)和修理信息、對(duì)象數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理、用戶界面、可視化。

在每個(gè)類別中又提供了幾個(gè)實(shí)際的案例，這些案例在被納入BIM模型的功能之前需要得到驗(yàn)證和確認(rèn)，并通過(guò)連接BMS和BIM來(lái)補(bǔ)充運(yùn)維階段。

下一步的愿景是在生命周期內(nèi)及以后不同軟件技術(shù)之間，建立3D 軟件和硬件獨(dú)立的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也考慮監(jiān)測(cè)、傳感器設(shè)備和耗損。任何特定的交換文件格式都不會(huì)被優(yōu)先考慮，目前的可交換格式可能被無(wú)條件地使用。Open BIM技術(shù)的互操作性，從技術(shù)、語(yǔ)義和組織的角度來(lái)看，都是目前主要的技術(shù)方向。

通過(guò)對(duì)橋梁管理數(shù)字化進(jìn)程的現(xiàn)狀分析，使橋梁管理系統(tǒng)與BIM等技術(shù)兼容，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的途徑，也是實(shí)現(xiàn)橋梁維護(hù)透明度、效率和經(jīng)濟(jì)性方面的潛在利益，最重要的是，始終如一地確保橋梁安全。

在全世界范圍內(nèi)，正在向BIM和數(shù)字孿生概念過(guò)渡，未來(lái)的工作也充滿希望和挑戰(zhàn)。但成功的關(guān)鍵仍然是政府和業(yè)主、橋梁檢測(cè)和維護(hù)的利益相關(guān)者、學(xué)術(shù)界及研究機(jī)構(gòu)、技術(shù)供應(yīng)商和企業(yè)家共同努力，確定實(shí)施戰(zhàn)略和路線圖，并大膽執(zhí)行。

本文刊載 / 《BIM視界》雜志 2023年 第1期 總第24期

作者 / Vanja Samec 等

資料來(lái)源 / IABSE Congress Nanjing 2022