基于BIM的桥梁全生命期管理技术及应用研究

世界桥梁2020年第48卷第4期（总第206期）75基于BIM的桥梁全生命期管理技术及应用研究
吴巨峰12,祁江波3,方黎君4,左小明4,赵训刚12
（1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北武汉430034； 2.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉430034； 3.武汉青山长江大桥建设有限公司，湖北武汉430345；
4.湖北省交通运输厅，湖北武汉430205）
摘要：针对桥梁设计、施工和运维管养不同阶段信息转移遗漏和难以共享的问题，以武汉青山长江公路大桥为背景，综合运用物联网、大数据、云计算、无人机倾斜摄影等新兴信息技术构建基于BIM的全生命期信息管理平台，平台包括电脑端的WEB应用系统、智慧沙盘和移动智能终端APP3种可视化交互方式#设计阶段，对全线桥梁进行参数化BIM建模，并建立桥梁周边环境三维实景模型，在BIM中集成桥梁结构分析结果数据#施工阶段通过统一的构件编码串接项目信息、施工进度、质量安全、人员物资机械、施工监控等信息，实现各方的协同管理。

运维管养阶段，在BIM模型上集成了设计、施工阶段与运维管养相关的关键信息，对健康监测和巡检管养实现三维可视化管理#
关键词：桥梁工程；BIM技术；全生命期；管理平台；设计；施工；运维管养
中图分类号：U44814；U445.1文献标志码:A文章编号：1671—7767（2020）04—0075—06
1引言
随着大量大跨度桥梁的建设及使用，施工管理要求更高，后期运维工作也日趋繁重。

基于此，在桥梁施工期协同管理、运维期监测和管养系统等方面开展了大量研究，桥梁信息化管理水平也得到了大幅提高。

但目前这些系统多数都是割裂的，存在明显“信息孤岛”和“信息断层”现象［1］，桥梁设计、施工和运维管养不同阶段信息转移遗漏和难以共享的问题严重，基于“建养并重”的全生命期信息化管理研究仍比较缺乏#BIM是智能化的建筑物3D模型，具有三维可视化、信息构件化和高效协同的显著特点2,能够承载桥梁全生命期不同阶段数据和资源，对桥梁构件进行完整描述，实现多方管理协同，可以对桥梁全寿命周期进行全过程管控，提升桥梁工程信息化水平#
本文以武汉青山长江公路大桥为背景，综合运用物联网、大数据、云计算、无人机倾斜摄影等新兴信息技术构建基于BIM的全生命期信息管理平台，面向设计、施工和运维管养参与方提供协同管理，实现数据共享和业务功能集成，有利于提升整体管控能力和标准化管理水平，为桥梁全生命期信息化相关研究提供参考3#2工程概况
长江公路大桥段跨越长江的控制性工程，大桥采用双向8车道高速公路标准建设，设计时速100km#大桥全长7548m，包括18座桥梁，其中主桥为主跨938m的双塔双索面斜拉桥（见图1）,为目前世界最大跨度的双塔双索面混合梁斜拉桥，桥面宽48m；全线桥梁结构形式多样，还有上跨公路和铁路情况，其中南北岸引桥为预应力混凝土预制小箱梁桥，南北岸跨堤孔桥、跨铁路桥、北汉主河道桥为预应力混凝土变截面连续箱梁桥，天兴洲滩桥和南北岸滩桥为预应力混凝土现浇箱梁桥，还有1座跨公路的钢箱结合梁桥#桥梁下游1km处为武钢外贸港码头，区域船舶众多，建设管理难度极具挑战桥址处大重型车辆通行密集，根据《武汉市四环线青山长江公路大桥重载交通特性专题研究报告》中的研究结论，该桥建成通车后预计车流量达3.3万辆/d,20t以上的重载车辆占33.2%，安全隐患风险高，桥梁运营养护管理难度大5#
3基于BIM的桥梁全生命期管理平台
31平台建设路
武汉青山长江公路大桥采用“数据共享+业务
收稿日期：2019—12—05
基金项目：桥梁结构健康与安全国家重点实验室开放课题资助项目（BHSKL18—03—KF）
作者简介：吴巨峰（1983—）,男，高级工程师,2006年毕业于石河子大学农业机械及其自动化专业，工学学士，2009年毕业于武汉理工大学机械电子工程专业，工学硕士（E-mail：&&51&750@）#
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世界桥梁 2020,48(4)
图1武汉青：长江公路大桥主桥
集成+ BIM 李生”的总 建思路，在大桥建设初
期就搭建面向设计、施工、运维管养各参 的管理
平台#
(1)数据共享。

通过梳理全线桥梁各阶段的应
用数据，形成统一编码和信息化应用标准，满足施工(2) 业务集成。

采用可复用子系统框架，实现
桥梁全生命期各类业务功能的自由组合和集成，在 同一平台内，通过功能 和数据
，面向不
同 供个性化的功能#
(3) BIM 李生#
三维GIS 、无人机倾斜摄
影模型、BIM 模型，实现桥梁结构$
、三维
形等各类异构模型的 ' BIM 信息承载
传递优势和数模分离技术，从全局设计数据组织和
数据 。

3.2平台总体架
平台包
端的WEB 应用系统(简称WEB
端)、智慧沙盘和移动智能终端APP 3个部分，总体
阶段及运维管养阶段的应用#
架构如图2所示。

设计阶段
「
1「
施工期
模型编码1「
n
参数化BIM 模型建立项目协同管理
桥梁结构分析
三维实景模型建立
］［信息协同］
1 !施工进度可视化
质量安全协调管理|信息协同
-I 人员物资机械综合管理
________丄二二十
运维管养阶段
L 」
基于BIM 的桥梁全生命期信息管理平台(WEB 端+智慧沙盘+移动智能终端APP)
BIM 数字挛生模型
数据共享中心
1设计参数1施工检测1数据1施工过程1数据竣工资料
监测数据
巡检管养
1数据报警数据评定信息J J
___J
I 集成 r BIM 模型集合
设计整合环境整合景观整合现场整合
桥梁BIM 模型
图2
平台的基础是BIM 数 生模型，包括数据共享中心和BIM 模型集合。

BIM 模型集合了桥梁主
结构BIM 模型和 、景观、场地模型，借助
轻量化工具实现数模分离，模型以标 编 i
数据共享中心各类数据进行
动，解决桥梁
全生命期各阶段信息转移
和难以共享的问题#
平台对设计、建设和运维管养阶段的应用功能、界 面、数据结构进行统筹设计，在一个平台内实现不同 阶段的功能，提供WEB 端、智慧沙盘和移动智能终
端APP 3种可视化 式。

设计阶段模型可以
在施工阶段进行细化，在运维管养阶段根据养护技
术标准进行结
和编
；设计阶段模型与
结构计算分析软
，计算结果可以为施工 ：
和运维管养阶段的阈值分析提供 ；施工监控数
据可以实现 维管养阶段的 数据对比，为运基于BIM 的桥梁全生命期信息化管理平台总体架构
维管养阶段监测系统提供桥梁基准状态数据；设计
与施工过程数据以BIM 承 式实现桥梁竣工的
子化交付,作为运维管养阶段的
，可以为巡检养 供
参考，实施更加
高效的养护
维修#
4 BIM 管理平台应用研究4.1设计阶段
4. 1. 1 模型建立
设计阶段方案决策
考虑桥梁设计方案能
形成高度的匹配关系「7,。

通过无人机倾
影
长江公路大桥全线桥梁 数
据，对全线桥梁 进行 ，然后应用软件对
片进行处理#经过计算机的自动计算分析，建立 三维 模型，将模型
理软件进行 ：
，
基于BIM的桥梁全生命期管理技术及应用研究吴巨峰，祁江波，方黎君，左小明，赵训刚77
完成场地三维实景模型的创建，并进行轻量化导出，在BIM管理平台中通过现与设计阶段BIM 模型，还案真，为方案决策提供直观可视化决策平台(见图3)。

同时，三维模型还可辅助进行施工阶段场地规划、施工域的布、机械设备进路线规
图3三维实景模型与桥梁主体结构BIM模型融合4.1.2参数化BIM模型建立
结长江公路大桥全线各种结构形式的桥梁设计标准，针对桥梁设计方案Rhino和Grasshopper软件建立关键建模参数，驱动生成桥梁结面，快速完成所有桥梁BIM模型创建，并在BIM管理平台动参数设置功能，实现设计案模型建立的可视化参数驱动⑻#长江公路大桥只用了2周时间完成全线18座桥梁的参数化建模，比常规建模方式效高了1倍#同时,结合平台三维模型，可快速浏览查看设计案的情况，进行方案的比选，针对方案不合理可进行现，提高方案决策的效率，节约成了后续阶段建立模型。

另外，通过结面参数化建模逻辑的创建也为同类型桥梁BIM进行补充#
4.1.3桥梁结构分析
在长江公路大桥设计阶段，将带有信息的主桥BIM模型导入结构分析软件中，关联模型中的荷载、材料的弹性模量、型号度等信息，再根据软件中的规和公式，按照最现实的情况完成主桥结构的力学性能仿真分析「9,;扌BIM管理平台与结构分析软件的，将分析结果上传数据共享中心，完成平台对设计方案可视化验证；同时施工和运维管养阶段可以数据共享中心的分析结果数据，在BIM模型上应力、变形、塔偏等的理论计算值，为其超
警提供数据#
4.2施工阶段
4.2.1施工阶段模型编码
桥梁施工阶段BIM模型可在设计阶段模型的基础上进行深化#建立武汉青山长江公路大桥全线桥梁精度LOD300的BIM模型'动编码工具对全线桥梁共计37149个完成快速、有序的EBS编码，确编码的惟一性，将之作为承载桥梁相关信息的身份标识;建立BIM模型息化理平台的联系，完成对所有信息的统一管理#
4.2.2项目信息协同管理
长江公路大桥施工阶段项目信息协同管理包括以下5个方面的内容，同时可以将？信息继承维管养阶段#
(1)利用移动智能终端APP可实时调阅图纸，和现场工程实况进行对比，实现施工无纸化。

(2)设计人员及时更新变更图纸，并与BIM模型挂接，实时提醒项目施工人看，实现变更信息可视化管理。

(3)在BIM管理平台中对重点关注的工点及工程部位可快速定位，点击即可查看模型「形状、材料等属性信息#
(4)通过BIM管理平台模拟功能，可对项目整体情况进行，真现。

(5)针对重难点施工技术方案及施工工艺，BIM管理平台中可对其进行三维可视化推演、展示，并配套相关文字、图片、视频等，实现三维可视化底「7,。

4.2.3施工进度可化理
以工序卡控和检验批填报生成实际施工进度，实时反馈计划进度差异，并与BIM模型关联，用不同颜色区分各施工状态，实现对施工整体进度的可视化把控(见图4)。

同时，选中关联的构件模型，可查询构件的属性信息、施工起止时间及完成状态;对施工计划时间段内的各项工程数量及任务进行统计，形成产值报表，实现对工程量的可视化预估，自动生成劳动力、机械设备、物等资源计r 单,便于统筹优化，合理源，实现精细化管理。

4.2.4质量安全协调管理
质量安全管理以工序管理为核心，工序与安全图4主桥施工进度
可视化管理
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隐患和质量检查库关联，武汉青山长江公路大桥各施工标段在平台内按照不同桥型、不同施工完成1680个施工工序的。

根据的实际施工工序和施工进度，工序时推送给监理，完成施工过程质量的流程审批，并在BIM管理平台的WEB端或者移动智能终端APP发起相应质量安全问题处理流程。

问题一起，各施工标段安全项目经理息，BIM模型会在具体工程以警示灯的方式题完成，实现模型可视化的质量安全闭理+10］，为桥梁施工安全管理提供。

4.2.5人员物理
(1)人理。

按建部劳务实名制要求，在BIM管理平台内对长江公路大桥各施工标段所有劳务人现实名理，包务公司、劳务队、班组、特人员、安全教育情况、人章等信息。

每人单独的二维码，利用施工现场设备自动实现人员考勤、安全教育等动态可视化管理。

(2)物资管理。

在平台内生成武汉青山长江公路大桥总控台账模板，其中带有每个的EBS编将工程量和物资信息填入模板并导入BIM管理平台，实现物理与BIM模型的。

施工计划时生成物资的进场计划，配套移动智能终端APP 和施工现动化设备实现物和交换过程中的信息存，对物资进场、出库、检验、半成品加工安装等全过程实现信息化管理，达到对物'动全面把控的目的，并在BIM模型中对每个构件物设计用量、实际工程用量等进行三维可视化对比分析。

(3)机械管理。

对各施工标段现场共计168台机械设备进行惟一编码，并生成二维设备上，通过移动智能终端APP进行设备信息录结合施工现能识别，可对设备进退场、维养信息实行管理，对设备安全进行指导，辆维养。

同时，通过在设备上搭载斗定位设备，可对设备出行、载货进行。

4.2.6施工监控
长江公路大桥主桥施工监控过程中应用平台实现三维可视化管理，集成施工各类数据，包指令、息、监测数据、所属施工阶段;并与理论计算值进行对比，在BIM模型中给出偏差超，在WEB端和移动智能终端APP对超限情况进行，形成数据偏差超限处置闭环管理。

43维养阶段
4.3.1关键信息集成
长江公路大桥利用平台集成了设计阶段中各的设计参数、图纸等属性信息;在施工过程中，BIM模型中集成了施工工序、质量安全题、物料追踪等过程信息以及施工数据、结构计算分析数据、设计理论值，这些数据作为桥梁期的指纹数据，上期数据「反桥梁结构全生命期不同阶段的状态，为期管养决策提供科学数据。

运维管养阶段的BIM 模型面2个阶段传递下来的真工模型，健数据、巡检养护维修等信息都可以通过BIM 模型进行集成，实现桥梁的数字化管养+1门。

BIM模型化属性形成了长江公路大桥的数
化目录，所有构件均可单击或者维码，以图形化方式清晰全生命期各阶段关键信息，大大降低了的工作量，了信息的准确性和及时性。

432
长江公路大桥主桥安了包
荷载、地震船撞、应力、索力等14类共计341个传感器，对主桥进行了全面的健康监测，各监测点在平台内与BIM模型构件绑定，可以在模型中查看监测点及其监测数据(见图5、图6),也可以通过监测点快速定位构件模型，查看对应的相关信息，实现监测点与模型双向驱动的三维可视化管理。

健康监测数据以BIM模型为载体，实现与设计、施工过程中数据的联动对比分析，快速定位异常数据和阈值报警点，通过在BIM模型，可以查看设计参数、理论计算值和施工过程的监控值，并查看施工过程相关参数，施行快速故和安全隐判。

433养
巡检管养和桥梁健康监测相互补充和完善，两
图5健康监测
实时数据查看
基于BIM的桥梁全生命期管理技术及应用研究吴巨峰，祁江波,方黎君，左小明，赵训刚79
图6健康监测数据分析
者相辅相成，能够全面提高桥梁结构管养的全面性、性和精确度。

在长江公路大桥日常巡养护过程中，作业人移动智能终端APP完成，包括病害的照片、、位置等信息，并通过构件选择能终端定位相结合的方式,确定位病养护维在，自动与BIM 模型进行关联，信息上传至BIM管理平台，在BIM模型上对病害进行标记、追踪(!7)；在BIM模型上可以针对具体病看在t构件的设计、施工以及历史病害情况，辅助提供更加科学有针对性的施；色联动，在BIM模型上三维展当的病害，并通过不同颜色对状态进行区分，实现对桥梁病害的四维可视化表达，实现病生、处置、验的三维可视化闭理。

图7巡检管养信息可视化
5结语
针对桥梁设计、施工和运维管养不同阶段信息转移和难以共享的问题，以长江公路大桥为，利用BIM技术搭建了桥梁全生命期管理平台，实现了设计、施工和运维管养各阶段数据共享和业务模块集成，以提高协同管理效率为目标，为各阶段提供了的功能模块，应用效果显著。

平台以BIM化、信息化和数模分离等为，构建数据共享中心，实现各阶段数据的动，解决了桥梁工程设计、施工和运维管养不同阶段信息转移遗漏和难以共享的问题。

利用BIM三维可视化和高效协同等优势，建立数据采集与整合平台，拓展了桥梁施工阶段和维养阶段能息技术应用的深度和广度，提升了桥梁设计、施工、运维管养息管理和平。

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80世界桥梁2020,48(4) Studyo BIM-BasedBridgeLi e-Cycle Management
Technique and Application
WU Ju-f e ng1%,QI Jiang-bo3,FANG Li-jun^,ZUOXiao-ming^,ZHAO Xun-gang1!2
(1.State Key Laboratory for Health and Safety of Bridge Structures,Wuhan430034,China； 2.China Railway
Bridge Science Research Institute,Ltd..Wuhan430034,China； 3.Wuhan Qingshan Changjiang River BridgeConstructionCo.Ltd.Wuhan430345%China；4.DepartmentofTransportationof
HubeiProvince%Wuhan430205%China)
Abstract：How to deal with information loss during data transmission and realize data sharing aMesti l issuesthatshouldbeconsideMedindi f eMentstagesofbMidgedesign%constMuctionandopeMa-tion.FoMtheQingshanChangjiangRiveMHighwayBMidgein Wuhan%aBIM-basedlife-cycleinfoM-mationmanagementplatfoMmhasbeenbuiltup%whichmakescompMehensiveutilizationofavaMiety of emerging technologies,including internet of things,big data,cloud computing and UAV ob-liquephoQography.TheplaQformconsisQsofQhreevisualinQeracQionmodes%fromQhe WEBapplica­tion system on PC,through smart sandbox to APP on smart mobile terminology.In the design sQage%aparameQerizedBIM modelingofQhebridgesonQhewholeroadalignmenQwasconducQed% andQhe3Drealscene modelofQhesurroundingsaQQhebridgesiQe wasbuilQ%QoinQegraQebridge sQrucQure analysis resulQs onQheBIM plaQform.InQhe consQruc ion sQage%an array of informaQion abouQQheprojecQ%consQrucionQimeline%qualiQyandsafeQy%personnel%resources%machinery%as we l asconsQrucQionmoniQoringandconQrolwasseria l yconnecQedviaaunifiedcomponenQcode%so QhaQQheco l aboraive managemenQofa l parQies wasrealized.InQheoperaQionand mainQenance sQage%key informa ion drawn from bridge design and consQrucQion sQagesQogeQher wi hQhe infor­mation of operation and maintenance are all taken into the BIM model,which will permit3D visual managemenQofQhesQrucQuralhealQh moniQoringandon-siQeinspecQionandmainQenance.
Key words：bridge engineering；BIM technology；life cycle；management platform；design；
construction；operation and maintenance
（编辑:刘海燕）。