近年來，致命的橋梁坍塌和事故、氣候變化的影響，及許多橋梁的維護狀況，使得全世界范圍內的橋梁工程從業(yè)者們，對通過數(shù)字化技術解決從預防性維護過渡到更主動的橋梁維護產生了興趣。系統(tǒng)地分析維護信息有助于成功的維護管理。檢查和維護需要有組織的、自動化的、開放的和透明的數(shù)字化流程。

世界范圍內的橋梁管理系統(tǒng)隨著技術的發(fā)展而發(fā)展，但迫切需要進行數(shù)字化升級，特別是需要借助BIM技術。現(xiàn)有的BIM模型必須通過從檢查和維護過程中獲得的資產來豐富。一個開放的BIM平臺應該是目標，為此，可以將目標定位在給現(xiàn)有結構提供BIM解決方案。

橋梁管理系統(tǒng)的演變

由于維護的復雜性、橋梁數(shù)量的上升、檢測標準的缺乏，以及數(shù)字化管理過程與目前現(xiàn)有的開放式BIM平臺的分離，使得橋梁管理成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務。

養(yǎng)護期長且復雜，大量的數(shù)據(jù)正在產生。不一致和沖突的歷史有望沿著時間軸顯示出來，這樣就可以避免錯誤在工作現(xiàn)場發(fā)生之前發(fā)生。

現(xiàn)有的橋梁管理系統(tǒng)（BMS）只能部分地促進數(shù)字分析程序的順利進行。檢測規(guī)范主要是針對人工檢查的。業(yè)主和基礎設施主管部門認識到需要基于信息化的解決方案來提高交通基礎設施的維護效率，降低成本，避免發(fā)生致命的風險。

BIM應該被理解為一個過程，通過共享三維橋梁模型（設計、建造和運營），包括整個生命周期中的所有信息，系統(tǒng)性的存儲從早期規(guī)劃到維護、拆除或翻新的所有資產。如果想從BIM中獲益，所有類型的缺陷及其隨時間變化的可視化、語義信息、傳感器位置和基于性能指標的維護計劃都必須成為BIM的一部分。為了實現(xiàn)這一要求，各方面的數(shù)字技術必須成為Open BIM的一部分。

第一個橋梁管理系統(tǒng)（BMS）出現(xiàn)在20世紀60年代的美國。這些系統(tǒng)最初是作為數(shù)字數(shù)據(jù)庫來存儲由人工管理的橋梁信息。從那時起，BMS經歷了與技術進步相關的發(fā)展。

如今，在世界范圍內已經建立了幾個BMS系統(tǒng)，它們采用不同但相似的方法來實現(xiàn)。2014年，國際橋梁維護與安全協(xié)會（IABMAS）的一份詳細報告，回顧了來自北美、歐洲、亞洲和澳大利亞等18個國家的25個BMS?？偟膩碚f，這些BMS被用來管理大約100萬個結構，其中大多數(shù)是橋梁結構。

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

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

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

第三個主要模塊是干預措施模塊。它包含了每個構件可用的維護和維修干預的類型。這包括要進行的維修、要分配的資源，以及維修干預的成本等細節(jié)。該模塊用于為BMS中的每座橋梁定義最佳的維護策略。

每個現(xiàn)有的BMS都通過在模塊中添加一個以上的模塊來進一步劃分這些組。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、狀況評估、結構評估、劣化預測、成本、優(yōu)化、改進、報告。

今天，BMS的演變再次受到技術發(fā)展的挑戰(zhàn)。由于數(shù)字化的顯著進步，一些技術的出現(xiàn)將推動新模塊的加入，甚至驅使人們重新思考橋梁管理的整個過程和BMS在其中的作用。

多樣的BMS案例

韓國的BMS

在韓國，橋梁管理系統(tǒng)(BMS)的設計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管理來自維護過程中的監(jiān)測數(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，以及公共機構擁有的橋梁狀況和安全評估所需的數(shù)據(jù)。提供數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)、修復和更換優(yōu)先決策系統(tǒng)(RRPDS)、維護和維修優(yōu)先決策系統(tǒng)(MRPDS)的數(shù)字化工作正在進行中，因為現(xiàn)有的BMS大多依賴于基于文件的數(shù)據(jù)。

雖然公共機構接收BIM交付成品的原始模型和IFC模型，但由于軟件和計算硬件的數(shù)字化過渡成本，新BMS需要一個獨立的系統(tǒng)。由于維護任務生成各種數(shù)據(jù)，包括圖像和NDE數(shù)據(jù)，關鍵是將現(xiàn)有數(shù)據(jù)轉移到新的BMS，并盡量減少該過程中的人工輸入。同時，也需要將現(xiàn)有的維護系統(tǒng)從基于文件的系統(tǒng)，轉變?yōu)樵试SDB-to-DB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)驅動系統(tǒng)。

目前，新的BMS系統(tǒng)以試點測試的形式與現(xiàn)有系統(tǒng)一起實施。一旦完成數(shù)據(jù)傳輸和任務流程，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構正準備在數(shù)字孿生模型的基礎上，通過增加分析模型，進一步開發(fā)該系統(tǒng)。

印度的BMS

印度的BMS

印度的BMS數(shù)字化從2017年開始全面實施，所有現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入都通過移動現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集應用程序，直接傳輸?shù)椒掌?。BMS在很大程度上滿足了過程的自動化。BMS內部的數(shù)字化也促使數(shù)據(jù)分析進一步自動化。

針對中小橋梁為基于BIM的BMS創(chuàng)建模型并添加維護信息

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)進行分析成為可能。根據(jù)位置、日均交通量為每座橋梁自動創(chuàng)建和分析惡化模型。這確保了每一座橋梁都有其獨特的橋梁退化模型自動生成。這一功能也確保了短期和長期預算的定期更新。

德國的BMS

德國正積極推進數(shù)字技術在橋梁結構狀態(tài)評估和維護方面的應用。道路管理部門和德國聯(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施預防性維護策略。

高清的數(shù)字孿生模型

最近，基于圖像的建模和狀態(tài)評估技術依托AISTEC項目取得了顯著進展，該項目旨在開發(fā)一個處理鏈，實現(xiàn)系統(tǒng)圖像生成、攝影測量3D重建和語義建模的自動化。基于人工智能的損傷檢測和結構可靠性評估的數(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，作為真實結構的數(shù)字孿生。與行業(yè)合作伙伴INFRALYTICA一起開發(fā)的INFRA//TWIN平臺，用于對這種數(shù)字孿生(HDDT)的基礎設施狀況進行管理。

INFRA//TWIN平臺

每個國家在基礎設施的所有權方面都有一個遞增的等級制度。

印度是由28個邦(省)、6個聯(lián)邦屬地及1個國家首都轄區(qū)組成。聯(lián)邦政府控制國家高速公路和位于國家高速公路上的所有結構。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構。此外，地區(qū)和市政當局控制著地區(qū)和市政道路以及這些道路上的結構。這種復雜的所有權結構使得無法在全國范圍內統(tǒng)一實施橋梁管理。

大部分的大宗貨物運輸是從邦或地區(qū)公路開始的，然后進入國家高速公路?？梢钥吹?，90%以上的運輸是在國道上進行的。因此，對聯(lián)邦當局來說，監(jiān)測疲勞及ADT、超重貨物運輸是至關重要的。

邦政府需要監(jiān)控ADT來規(guī)劃道路基礎設施的幾何設計增量。地區(qū)和市政當局更注重對環(huán)境的影響和對橋梁基礎設施的濫用。另外，并不是每個邦或市政當局都有統(tǒng)一的重點，每個邦和每個市政當局的重點都不一樣。每個當局內部的這種復雜和不同的關注點，使得印度很難在所有等級的道路上實施相同的橋梁管理。

韓國在20世紀70年代經濟快速發(fā)展時期，進行了密集的橋梁建設。現(xiàn)在，缺陷橋梁的數(shù)量不斷增加，維護成本迅速上升。由于韓國新的可持續(xù)基礎設施法要求對基礎設施的未來維護預算進行估計，因此性能評估正成為一項重要的技術要求。需要詳細評估的案例和難以通過正常檢查程序評估其損壞的案例越來越多。因此，現(xiàn)有的人工橋梁檢測需要新的數(shù)字技術和自動化的數(shù)據(jù)積累。數(shù)字化基礎設施被選為政府數(shù)字新政計劃中的重點行業(yè)創(chuàng)新，并正在推進中。除了基于數(shù)字模型的系統(tǒng)，還需要使用無人機（UAV）和機器人的數(shù)字檢測技術，基于人工智能的損傷檢測，以及網(wǎng)絡級維護數(shù)據(jù)積累和分析功能。在定義BIM模型的過程中，已經開始需要信息需求，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)管理技術來利用這些數(shù)據(jù)。

橋梁管理系統(tǒng)

與BIM的融合

在過去的幾十年里，數(shù)字化成為我們生活的一部分，并且最近變得越來越重要。站在趨勢和先進創(chuàng)新的前沿意味著接受一定的責任，但也創(chuàng)造了建立一些重要里程碑的機會：將工程專業(yè)知識與計算機技術聯(lián)系起來，可以降低成本和保護人類生命。

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

開發(fā)和加強有關現(xiàn)有橋梁和結構的經濟有效、環(huán)境友好和社會可協(xié)調的決策方法和工具，需要針對不同級別的數(shù)據(jù)可用性進行調整，因為這些數(shù)據(jù)可以從簡單的清單到綜合信息模型。BMS旨在促進數(shù)據(jù)的數(shù)字存儲和交換，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，因為它們大多數(shù)是基于某些公司開發(fā)的，沒有統(tǒng)一。其中一個主要的限制是它們與不同的BIM平臺相互分離。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，以開放的BIM標準為基礎，考慮符合現(xiàn)有標準的數(shù)據(jù)管理（如ISO19650）。

設計、制造和施工模型應適用于橋梁結構的運營和維護階段。運維階段還沒有整合到BIM全生命周期中，只有單一的信息以數(shù)字形式可以使用。團隊根據(jù)市場的反饋，提出現(xiàn)有BMS和Open BIM的連接結構。共分為5個主要類別:維護和修理信息、對象數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理、用戶界面、可視化。

在每個類別中又提供了幾個實際的案例，這些案例在被納入BIM模型的功能之前需要得到驗證和確認，并通過連接BMS和BIM來補充運維階段。

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

通過對橋梁管理數(shù)字化進程的現(xiàn)狀分析，使橋梁管理系統(tǒng)與BIM等技術兼容，是實現(xiàn)數(shù)字化的途徑，也是實現(xiàn)橋梁維護透明度、效率和經濟性方面的潛在利益，最重要的是，始終如一地確保橋梁安全。

在全世界范圍內，正在向BIM和數(shù)字孿生概念過渡，未來的工作也充滿希望和挑戰(zhàn)。但成功的關鍵仍然是政府和業(yè)主、橋梁檢測和維護的利益相關者、學術界及研究機構、技術供應商和企業(yè)家共同努力，確定實施戰(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

資料來源 / IABSE Congress Nanjing 2022