源于BIM的桥梁管理系统

近年来，致命的桥梁坍塌和事故、气候变化的影响，及许多桥梁的维护状况，使得全世界范围内的桥梁工程从业者们，对通过数字化技术解决从预防性维护过渡到更主动的桥梁维护产生了兴趣。系统地分析维护信息有助于成功的维护管理。检查和维护需要有组织的、自动化的、开放的和透明的数字化流程。

世界范围内的桥梁管理系统随着技术的发展而发展，但迫切需要进行数字化升级，特别是需要借助BIM技术。现有的BIM模型必须通过从检查和维护过程中获得的资产来丰富。一个开放的BIM平台应该是目标，为此，可以将目标定位在给现有结构提供BIM解决方案。

桥梁管理系统的演变

由于维护的复杂性、桥梁数量的上升、检测标准的缺乏，以及数字化管理过程与目前现有的开放式BIM平台的分离，使得桥梁管理成为一项具有挑战性的任务。

养护期长且复杂，大量的数据正在产生。不一致和冲突的历史有望沿着时间轴显示出来，这样就可以避免错误在工作现场发生之前发生。

现有的桥梁管理系统（BMS）只能部分地促进数字分析程序的顺利进行。检测规范主要是针对人工检查的。业主和基础设施主管部门认识到需要基于信息化的解决方案来提高交通基础设施的维护效率，降低成本，避免发生致命的风险。

BIM应该被理解为一个过程，通过共享三维桥梁模型（设计、建造和运营），包括整个生命周期中的所有信息，系统性的存储从早期规划到维护、拆除或翻新的所有资产。如果想从BIM中获益，所有类型的缺陷及其随时间变化的可视化、语义信息、传感器位置和基于性能指标的维护计划都必须成为BIM的一部分。为了实现这一要求，各方面的数字技术必须成为Open BIM的一部分。

第一个桥梁管理系统（BMS）出现在20世纪60年代的美国。这些系统最初是作为数字数据库来存储由人工管理的桥梁信息。从那时起，BMS经历了与技术进步相关的发展。

如今，在世界范围内已经建立了几个BMS系统，它们采用不同但相似的方法来实现。2014年，国际桥梁维护与安全协会（IABMAS）的一份详细报告，回顾了来自北美、欧洲、亚洲和澳大利亚等18个国家的25个BMS。总的来说，这些BMS被用来管理大约100万个结构，其中大多数是桥梁结构。

在最初的BMS数据库中，所有的模块都有一个模块化的架构。每个模块的类型、名称和功能，在每个BMS中都是不同的。不过，这些模块可以归纳为三大类：清单、检查、干预。

清单模块来自初始数据库，包含每座桥梁的一般信息（如位置、桥梁类型、结构类型、建造年份、跨度、总长度、桥面宽度、横截面、构件列表、构件类型、构件材料、主要构件的几何特性等)。

检查模块则包含了从每座桥梁生命周期中所进行的不同检查和测试中获得的信息。这些信息后来被用于评估桥梁的状况。桥梁的状况通常由一个适用于所有桥梁构件和整个桥梁系统的状态指数来表征。不同的BMS使用不同的尺度和指数，但整个概念却是相似的。

第三个主要模块是干预措施模块。它包含了每个构件可用的维护和维修干预的类型。这包括要进行的维修、要分配的资源，以及维修干预的成本等细节。该模块用于为BMS中的每座桥梁定义最佳的维护策略。

每个现有的BMS都通过在模块中添加一个以上的模块来进一步划分这些组。在现有的BMS中，可以找到的其他模块例子包括历史数据分析、状况评估、结构评估、劣化预测、成本、优化、改进、报告。

今天，BMS的演变再次受到技术发展的挑战。由于数字化的显著进步，一些技术的出现将推动新模块的加入，甚至驱使人们重新思考桥梁管理的整个过程和BMS在其中的作用。

多样的BMS案例

韩国的BMS

在韩国，桥梁管理系统(BMS)的设计包含了缆索承重桥梁和普通桥梁中的不同功能。用于缆索承重桥梁的BMS管理来自维护过程中的监测数据和检查数据。普通桥梁的BMS积累了检查数据、维修记录，以及公共机构拥有的桥梁状况和安全评估所需的数据。提供数据库系统(DBS)、修复和更换优先决策系统(RRPDS)、维护和维修优先决策系统(MRPDS)的数字化工作正在进行中，因为现有的BMS大多依赖于基于文件的数据。

虽然公共机构接收BIM交付成品的原始模型和IFC模型，但由于软件和计算硬件的数字化过渡成本，新BMS需要一个独立的系统。由于维护任务生成各种数据，包括图像和NDE数据，关键是将现有数据转移到新的BMS，并尽量减少该过程中的人工输入。同时，也需要将现有的维护系统从基于文件的系统，转变为允许DB-to-DB传输的数据驱动系统。

目前，新的BMS系统以试点测试的形式与现有系统一起实施。一旦完成数据传输和任务流程，将用新系统替换现有系统。主要监控缆索承重桥梁的公共机构正准备在数字孪生模型的基础上，通过增加分析模型，进一步开发该系统。

印度的BMS

印度的BMS

印度的BMS数字化从2017年开始全面实施，所有现场的数据输入都通过移动现场数据收集应用程序，直接传输到服务器。BMS在很大程度上满足了过程的自动化。BMS内部的数字化也促使数据分析进一步自动化。

针对中小桥梁为基于BIM的BMS创建模型并添加维护信息

一种有损坏记录的缆索支承桥梁的新型BMS系统

由于数字化，使用各种参数进行分析成为可能。根据位置、日均交通量为每座桥梁自动创建和分析恶化模型。这确保了每一座桥梁都有其独特的桥梁退化模型自动生成。这一功能也确保了短期和长期预算的定期更新。

德国的BMS

德国正积极推进数字技术在桥梁结构状态评估和维护方面的应用。道路管理部门和德国联邦铁路公司正在为铁路桥推出使用基于连续传感器的SHM系统和基于图像自动生成数字状态数据的策略，以便在数字生命周期管理背景下实施预防性维护策略。

高清的数字孪生模型

最近，基于图像的建模和状态评估技术依托AISTEC项目取得了显著进展，该项目旨在开发一个处理链，实现系统图像生成、摄影测量3D重建和语义建模的自动化。基于人工智能的损伤检测和结构可靠性评估的数值模拟，并将所有状态信息引用到高分辨率的数字模型，作为真实结构的数字孪生。与行业合作伙伴INFRALYTICA一起开发的INFRA//TWIN平台，用于对这种数字孪生(HDDT)的基础设施状况进行管理。

INFRA//TWIN平台

每个国家在基础设施的所有权方面都有一个递增的等级制度。

印度是由28个邦(省)、6个联邦属地及1个国家首都辖区组成。联邦政府控制国家高速公路和位于国家高速公路上的所有结构。邦政府控制着所有的邦或地区公路和位于这些公路上的结构。此外，地区和市政当局控制着地区和市政道路以及这些道路上的结构。这种复杂的所有权结构使得无法在全国范围内统一实施桥梁管理。

大部分的大宗货物运输是从邦或地区公路开始的，然后进入国家高速公路。可以看到，90%以上的运输是在国道上进行的。因此，对联邦当局来说，监测疲劳及ADT、超重货物运输是至关重要的。

邦政府需要监控ADT来规划道路基础设施的几何设计增量。地区和市政当局更注重对环境的影响和对桥梁基础设施的滥用。另外，并不是每个邦或市政当局都有统一的重点，每个邦和每个市政当局的重点都不一样。每个当局内部的这种复杂和不同的关注点，使得印度很难在所有等级的道路上实施相同的桥梁管理。

韩国在20世纪70年代经济快速发展时期，进行了密集的桥梁建设。现在，缺陷桥梁的数量不断增加，维护成本迅速上升。由于韩国新的可持续基础设施法要求对基础设施的未来维护预算进行估计，因此性能评估正成为一项重要的技术要求。需要详细评估的案例和难以通过正常检查程序评估其损坏的案例越来越多。因此，现有的人工桥梁检测需要新的数字技术和自动化的数据积累。数字化基础设施被选为政府数字新政计划中的重点行业创新，并正在推进中。除了基于数字模型的系统，还需要使用无人机（UAV）和机器人的数字检测技术，基于人工智能的损伤检测，以及网络级维护数据积累和分析功能。在定义BIM模型的过程中，已经开始需要信息需求，以支持新的BMS。由于基于文件的信息系统中存在约40年的大量数据，因此正在开发数据管理技术来利用这些数据。

桥梁管理系统

与BIM的融合

在过去的几十年里，数字化成为我们生活的一部分，并且最近变得越来越重要。站在趋势和先进创新的前沿意味着接受一定的责任，但也创造了建立一些重要里程碑的机会：将工程专业知识与计算机技术联系起来，可以降低成本和保护人类生命。

目前,运营和维护期在桥梁使用寿命中占比最大。预防性维护决策可以将基础设施的维护成本降低65%。维护决策是基于检查数据的。有充分理由要求在桥梁的整个生命周期中实施BIM,减少成本、错误并节省宝贵的时间和金钱。BIM可以在改善运营和维护(O&M)阶段发挥重要作用,特别是在检测数据的系统化方面。在桥梁生命周期的所有阶段,时间和四维空间都至关重要。如果希望成功地将BMS与BIM连接起来,可变属性的时间依赖性将使利益相关者、桥梁所有者和工程师能够跟踪桥梁的行为及其趋势,比较损伤程度，并在致命的恶化发生之前采取必要行动。

开发和加强有关现有桥梁和结构的经济有效、环境友好和社会可协调的决策方法和工具，需要针对不同级别的数据可用性进行调整，因为这些数据可以从简单的清单到综合信息模型。BMS旨在促进数据的数字存储和交换，以及劣化、优化分析模型及其与现有BIM解决方案的互操作性。

尽管如此，桥梁管理系统仍然是一座孤岛，因为它们大多数是基于某些公司开发的，没有统一。其中一个主要的限制是它们与不同的BIM平台相互分离。因此，需要将现有的桥梁管理系统与BIM解决方案连接起来，以开放的BIM标准为基础，考虑符合现有标准的数据管理（如ISO19650）。

设计、制造和施工模型应适用于桥梁结构的运营和维护阶段。运维阶段还没有整合到BIM全生命周期中，只有单一的信息以数字形式可以使用。团队根据市场的反馈，提出现有BMS和Open BIM的连接结构。共分为5个主要类别:维护和修理信息、对象数据、数据管理、用户界面、可视化。

在每个类别中又提供了几个实际的案例，这些案例在被纳入BIM模型的功能之前需要得到验证和确认，并通过连接BMS和BIM来补充运维阶段。

下一步的愿景是在生命周期内及以后不同软件技术之间，建立3D 软件和硬件独立的数据交换，同时也考虑监测、传感器设备和耗损。任何特定的交换文件格式都不会被优先考虑，目前的可交换格式可能被无条件地使用。Open BIM技术的互操作性，从技术、语义和组织的角度来看，都是目前主要的技术方向。

通过对桥梁管理数字化进程的现状分析，使桥梁管理系统与BIM等技术兼容，是实现数字化的途径，也是实现桥梁维护透明度、效率和经济性方面的潜在利益，最重要的是，始终如一地确保桥梁安全。

在全世界范围内，正在向BIM和数字孪生概念过渡，未来的工作也充满希望和挑战。但成功的关键仍然是政府和业主、桥梁检测和维护的利益相关者、学术界及研究机构、技术供应商和企业家共同努力，确定实施战略和路线图，并大胆执行。

本文刊载 / 《BIM视界》杂志 2023年 第1期 总第24期

作者 / Vanja Samec 等

资料来源 / IABSE Congress Nanjing 2022