面向运维的铁路桥梁BIM模型及全生命周期信息关联研究

潘永杰， 刘晓光， 蔡德钩， 赵欣欣

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

0 引言

运维管理水平直接关系到桥梁结构的服役寿命和运营成本，既有运维模式有力保障了铁路线路的运营安全。在全路逐步迈进信息化、智能化发展的背景下，桥梁运维管理也面临一些适应性调整问题。当前，运维阶段所需基础信息主要来自纸质竣工资料，在设备属性查阅、台账统计输出、检测计划和维修方案制定时，短时间内很难从海量的二维图纸和文档中获取全面的信息，造成“数据够用但不可用”。为了满足运维管理信息化发展需求，只能通过人工方式从庞杂的移交资料中对所需信息进行提取、重组和结构化，且信息的真实性、有效性和完整性需要多方核实，导致大量低效率、重复性工作；另外，数据资产不会因竣工交付终止增长，运维将带来更大的增量数据。为了有效掌控铁路桥梁结构服役状态，需要对不同阶段的数据进行集成关联和融合分析。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是实现工程项目全生命周期管理的核心技术，为从根本上解决项目规划、设计、施工、运维等各阶段的信息断层提供了支撑［1］。在桥梁工程的设计和施工阶段，BIM 应用多集中于标准制定及基于模型或平台的实践［2］；在运维阶段，主要侧重于BIM 管理系统架构研究［3］和典型应用场景探讨［4-5］，对运维BIM 模型本身及全生命周期信息关联研究相对较少。因此，有必要以需求为导向，开展铁路桥梁运维BIM 技术应用研究，通过分析基于BIM 的多维度应用需求，探索铁路桥梁运维BIM 模型构建及全生命周期信息关联实施路径，为铁路桥梁运维管理的信息化、智能化提供有力支撑。

1 应用需求分析

在铁路桥梁工程项目中，设计、施工及运维等不同阶段的组织和管理模式相对独立，因工作目标、工作重点及流程环节不同，关注对象和责任主体的差别较大。

（1）设计阶段：关注结构体系，侧重于结构的强度、刚度、稳定性、疲劳、耐久性等，成果体现在桥梁实体的图形化表达，主体为设计单位。

（2）施工阶段：关注施工质量、安全、进度、成本、工期、工艺工法等，成果体现在通过施工控制确保成桥状态符合设计及规范要求，主体为施工单位。

（3）运维阶段：关注竣工后设施对象病害的精准定位和准确描述、检养规范操作、物料统计分析、设备服役状态等，成果体现在通过全方位设备管理保障桥梁的安全运营，主体为运维单位。

BIM是面向对象的信息模型，项目不同阶段应建立和维护各自的BIM 模型，以满足对象组织形式和技术特征的差异化需求。以钢桁梁正交异性桥面板为例，设计考虑结构受力及制造加工，存在跨节间的桥面板单元，即1个节间的桥面板单元数量不是整数；大节段（一般为2 个节间）施工架设中，施工单元为包括上下弦杆、腹杆、桥面板单元等的整体节段。运维人员更习惯从空间角度对桥面板单元进行描述辨识，即横桥向按照线别进行划分，顺桥向按照节间进行单独定义。

由此可见，同一种构件对象在不同阶段，有不同组合、拆分需求，应从不同维度综合考虑铁路桥梁运维的BIM 应用需求，以确定运维模型单元和对应的模型精度。

1.1 标准维度

（1）分类标准：充分考虑运维阶段的工作流程和管理要求，对《铁路工程信息模型分类与编码标准》［6］中的构件表、工项表、角色表、组织表、产品表等进行补充、修订和统一，实现桥梁工程分类与编码的标准化、规范化，从而满足铁路桥梁在不同阶段、不同层次的模型应用需求。

（2）交付标准：结合数字化档案的发展趋势和运维管理需求，建立施工向运维交付的统一流程，规范交付内容、数据和形式要求等，确保基于BIM 模型交付的完整性、合规性和有效性，实现施工到运维数据的互通。

（3）应用标准：引导、规范BIM 技术在日常巡检、养护维修、监测预警、应急预案、资产管理和多源数据集成等方面的应用，建立桥梁运维BIM 技术应用的标准化流程。

1.2 数据维度

（1）基础类数据：桥梁运维必需的初始资料是开展后期管理工作的基础，如桥梁基本信息、设计或竣工交付图纸、设备台账、养修标准以及相关的文档、照片、音视频等技术资料。该部分属于静态数据，具有形式多样、内容相对稳定的特点。

（2）增量类数据：桥梁运维管理中生产计划、检测监测和养护维修等产生的过程数据，如桥梁的检查、保养、维修、病害发展、健康监测等。该部分属于动态数据，具有时序性、实时性和发展连续性的特点。

（3）决策类数据：对基础类数据和运维增量类数据进行诸如统计和数据挖掘等分析处理，获取如桥梁状态评定、趋势预测、工效统计和成本分析等结果数据。这些数据直接服务于桥梁运维管理，具有融合度高、价值大的特点。

1.3 业务维度

（1）资产管理：进行铁路桥梁资产的可视化管理，通过BIM 技术对运维模型单元的三维空间位置和从属关系进行可视化表达；对设备设施运行状态进行一体化综合展示，方便管理者直观全面地掌握桥梁整体状况。

（2）运维应用：BIM技术与运维业务深度融合，建立基于BIM 的计划制定、检查执行、养修管理和作业验收等的闭环处理机制，考虑工电供一体化维修、突发事件处理应急预案等不同应用场景，提升运维管理水平，促进管养模式升级。

（3）多源数据融合分析：BIM 技术融合设计、施工、人工检查、移动检测、固定监测等全生命周期内的关键信息，通过大数据分析及专家支持系统，提前预知桥梁状态，为桥梁结构的故障预测与健康管理提供基础。

2 模型精度研究

2.1 运维模型单元

不同的桥梁结构形式，其包含构件种类差别也较大。当桥梁某处杆件、零件发生病害时，病害信息应准确定位、单独关联到相应模型单元。因此，桥梁运维对象需按照结构类型，结合现行维修规则［7-8］和描述习惯进行分类，以满足信息关联、交付和管理的精细化要求。

以广泛应用的高速铁路简支梁桥为例，其运维模型单元划分示意见图1。

图1 简支梁桥运维模型单元划分示意图

如图1 所示，该划分不仅方便设备台账统计输出，也与桥隧建筑物修理规则相适应，为不同病害类型、劣化程度的准确关联和桥梁状态评定提供了条件。

2.2 运维BIM模型精度

模型精度包括几何精度和信息深度，随着建设过程的推进，原则上模型单元几何精度和信息深度应向高几何精度、高信息深度递进，全生命周期信息最终集成至运维BIM模型，该模型精度最高。

桥梁运维管理本身粒度较细，现场运维需求是完全的所见即所得，即实际桥梁结构的任一构件或零件（如螺栓、检查门、照明设施）都宜体现在模型上，模型整体几何精度越高越好。但是，过高的几何精度对软硬件配置要求高，部分构件采用基本模型甚至直接忽略也能满足实际运维需求［9］。因此，桥梁结构不同运维BIM 模型单元的几何精度可设置不同等级，结合现场需求，确定最佳平衡点，允许低几何精度和高信息深度的存在。

2.3 信息分类

桥梁运维BIM 模型信息深度等级高、内涵丰富，根据业务需求存在多种分类方式。结合桥梁设备设施运维管理特点，按照数据格式、阶段属性及信息稳定程度，对运维BIM模型信息进行分类划分（见图2）。

图2 铁路桥梁运维BIM模型信息分类

如图2所示，运维BIM模型信息可分为结构化数据和非结构化数据。在结构化数据中，按照桥梁结构生命期时间维度的不同进行信息分组，参考铁路BIM 联盟《铁路工程信息交换模板编制指南（试行）》：设计阶段划分为身份描述、定位信息、几何信息和技术信息4 组，施工阶段划分生产信息和验收信息2 组，运维阶段划分为资产信息、检测信息、监测信息、养修信息和状态评估5组［10］。其中，设计、施工阶段的信息，以及运维阶段的资产信息较稳定，为静态信息，属基础类数据范畴；而运维阶段的检测、监测、养修信息及状态评估等内容随运维过程不断更新，为动态信息，属增量类和决策类数据范畴。

3 全生命周期信息关联实施路径

3.1 路径选择

运维阶段是桥梁全生命周期中的绝对主体，也是设计、施工信息的最终流向和发挥价值之处。运维BIM模型不仅继承来自设计、施工过程的关键数据，还要关联融合服役期中的各种信息，进而为运维阶段提供高效、便捷服务。基于BIM 的全生命周期信息关联有2种途径：

（1）从设计源头出发。基于IFC存储标准，通过统一的存储格式实现多方信息共享，将铁路工程不同阶段信息交换内容嵌入底层标准，确保全生命周期不同阶段信息的添加，最终实现全过程信息的关联。铁路BIM 联盟牵头编制国际铁路IFC 标准，轨道、通信、信号等第1 阶段成果已通过建筑智慧国际联盟（buildingSMART，bSI）标准委员会审核，正式成为候选标准，但距离发布还有协调、初步鉴定等环节，暂不能成为当前解决铁路桥梁运维信息管理的最佳手段。

（2）以运维需求为导向。以竣工交付图纸或竣工验收模型为基础，依据现场需求及维修规则定义运维对象，创建面向运维应用的BIM 三维模型，主动关联设计、施工阶段信息，形成运维阶段的BIM 基础模型，基于此基础模型进行管养信息的数字化采集、动态添加和实时更新，即“运维BIM 模型=运维基础模型+运维动态信息（增量类&决策类数据）”。一方面，该途径有利于BIM 技术在桥梁运维管理人员中普及，引导深层次功能应用，促进管养模式升级，特别针对既有运营桥梁具有重大的BIM 技术推广意义；另一方面，BIM技术在运维阶段的应用尝试，将进一步引导桥梁设计、施工BIM 技术应用的深化完善，有利于设计、施工关键信息的有效传递，为桥梁数据资产的全生命周期管理提供支撑。

考虑基于BIM 的全生命周期信息直接传递仍存在一定难度，因此选择第2种途径进行桥梁全生命周期信息关联探索和研究。

3.2 基础模型创建

3.2.1 竣工验收模型与运维基础模型

《铁路工程信息模型交付精度标准》将竣工和运维阶段的模型精度定义为LOD5.0，但对两者的关系未明确说明［11］；《建筑信息模型施工应用标准》规定：施工模型可包括深化设计模型、施工过程模型和竣工验收模型［12］。由此可知，竣工验收模型是施工阶段的最终交付物。

目前，铁路施工质量验收按照检验批、分项、分部和单位工程进行逐级检验。若竣工验收模型是在桥梁施工模型（不包括施工辅助措施）基础上直接添加验收数据，施工BIM工作量较小，后期应根据运维需求对竣工验收模型进行重新组织；若在运维提前介入过程中充分考虑桥梁运维管理内容和应用场景，实现竣工验收模型和运维基础模型的统一，此时“运维BIM 模型=竣工验收模型+运维动态信息（增量类&决策类数据）”，其施工BIM工作量较大、协同配合深度需加强。因此，单以模型单元及其几何精度而言，竣工验收模型与运维基础模型是否相同，取决于具体的管理模式和实施方式。

3.2.2 模型创建

运维基础模型创建有2种方法：

（1）基于模型继承和模型可用的重构。对竣工验收模型单元进行拆分或组合以满足几何精度要求，对竣工验收中的相关数据、文档、影像等信息进行映射处理和模型关联，实现设计、施工关键信息的有效继承以满足基础信息深度要求。基于竣工验收的运维基础模型构建流程见图3。

图3 基于竣工验收的运维基础模型构建流程

（2）重新翻模。从满足桥梁设施的资产管理和养护维修等要求出发，基于竣工交付图纸重建运维基础模型，通过定义数据接口集成设计和施工信息，并以此为基础开展桥梁运维管理，实现全生命周期基于数字孪生的物理与信息系统融合。面向使用需求的运维基础模型构建及应用流程见图4。

图4 面向使用需求的运维基础模型构建及应用流程

上述2种方法最终都能形成满足运维需求的BIM模型，采用第2种方法探索全生命周期信息的关联。

3.3 信息集成关联研究

铁路运维阶段协同管理的核心是信息集成。结合交付精度标准，针对运维构件，基于模型信息适用的原则，分别建立标准化的设计、施工和运维信息模板，选用关系型数据库和分布式文档存储系统进行数据存储，基于构件ID 编号和IFD 编码实现模型与数据库信息的关联。运维BIM 模型全生命周期信息集成关联技术路线见图5。

图5 运维BIM模型全生命周期信息集成关联技术路线

（1）设计信息来源于协同设计平台、数字化交付系统等。以球型支座设计为例，其设计阶段技术信息示例见表1。

表1 球型支座设计属性——技术信息示例

除了结构化设计信息外，还可在设计属性中增加图纸编号，建立与图纸文件的关联关系，方便图模的对应查看。

（2）施工信息来源于多个方面，如铁路工程管理平台、施工BIM 管理系统、二维码管理系统及施工单位提供的施工台账和文本文档等。以高强螺栓连接施工为例，其施工阶段生产信息示例见表2。

表2 高强螺栓连接施工属性——生产信息示例

针对施工与运维BIM 模型对象划分的不同，可通过一对多或多对一的映射方式实现数据传递。

（3）运维信息来源较广，与一线人员密切相关的主要涉及2 方面：一是智能检养子系统，集成巡检计划、人工检查及养护维修数据、物料消耗、状况评分等；二是健康监测系统，桥梁结构响应的实时展示、趋势分析和综合研判，对异常事件的及时报警，最终实现铁路桥梁基于BIM 的全生命周期信息综合展示。智能检养子系统病害信息可视化采集界面见图6，全生命周期信息综合展示界面见图7。

图6 病害信息可视化采集界面

图7 全生命周期信息综合展示界面

受限于不同系统的数据协同性和设计、施工水平数字化程度，设计、施工大部分信息暂以人工梳理为主，通过开发导入工具实现属性模板信息的审核和入库。随着数据统一标准的落地完善及信息化技术广泛应用，现有模式有望得到根本性改变，并有力提升铁路桥梁全生命周期信息的流转效率和共享深度。

4 问题讨论

4.1 解决模型信息深度矛盾

由于运维BIM 模型几何精度等级高，导致建模工作量大，对轻量化技术和硬件网络资源要求高，实际情况是仅极少部分构件或零件发生缺欠（多数为附属设施），后期应用与前期投入不协调。因此，可充分考虑基本模型与参考模型的应用范围［9］，标准简支梁运维BIM 模型采用简化基本模型，几何精度等级为G1.0或G2.0，特殊结构桥梁可建立高几何精度精细化模型。同时，考虑“GIS+BIM”技术融合，线状工程的统计信息可基于GIS进行宏观展示，特殊结构桥梁进入BIM系统进行微观处理。

运维BIM 模型信息深度应达到最高级的N4.0，不仅包括资产和维护信息，也涵盖生产和安装信息。桥梁结构的竣工交付意味着施工过程各项指标都符合验收标准要求，施工过程留存的安全、质量、进度等大部分信息无须传递到运维阶段。当构件或零件出现重大问题时，才需要追溯施工过程关键信息，挖掘运维病害发生时设计、施工阶段的致因环节，进而为避免类似问题的发生提供全生命周期的互反馈。因此，应研究确定运维期所需施工过程数据的种类和格式，以便有针对性地交付关联。

4.2 完善BIM实施标准

由于铁路桥梁在设计、施工、运维阶段聚焦的重点不同，不同阶段要形成完整的信息链条，除了在技术标准方面进行突破，还应规范实施标准。要大力推进BIM 技术在不同阶段的应用，提升管理人员的信息化应用水平和BIM 交付意识，制定并完善不同阶段的交付标准和行为标准等，通过实际项目的落地验证逐步固化BIM技术应用的标准化管理模式。

4.3 保证模型持续可用

设计、施工和运维阶段之间信息孤岛的存在降低了BIM 技术的应用价值，为实现资源的有效共享和协同，可从全生命周期管理的角度出发，充分考虑上下游使用需求，依托数字化交付探索BIM 模型的持续可用性，一方面基于铁路EPC 项目，形成新管理模式下BIM应用的统一交付，另一方面各阶段工作可适当前后延伸、相互交叉、互为所用，提高BIM模型利用率。

4.4 建立全生命周期数据管控体系

铁路工程信息化的快速推进带动整个行业数据迅猛增长，数据的良好质量和有效管理为整个行业带来巨大的潜在价值。但是，不同系统采集数据格式不统一、内容不准确或真实性差，带给使用者和决策者诸多困扰，动摇了数据融合和大数据分析的基础。因此，应建立全生命周期的数据质量管控体系，涉及数据种类的齐全性、准确性和可用性，通过建立数据定义、收集、交互、核查和维护过程的体系化、制度化和流程化，明确数据生产输出方的相关权责，确保数据的完整性和准确性，最终实现“数据够用且好用”。

5 结论

（1）铁路桥梁运维BIM 应用需求涉及标准维度的分类标准、交付标准和应用标准；数据维度的基础类数据、增量类数据和决策类数据；业务维度的资产管理、基于BIM 的运维应用和基于BIM 的多源数据融合分析。

（2）铁路桥梁运维模型单元可按照结构类型，结合现行维修规则和描述习惯进行分类划分。不同运维BIM模型单元的几何精度可设置不同等级，允许低几何精度和高信息深度共存。运维BIM 模型信息可按照数据格式分为结构化数据和非结构化数据；按照阶段属性分为设计、施工和运维3 部分共计11 组信息；按照信息稳定程度分为静态和动态信息。

（3）给出基于BIM的全生命周期信息关联的2种途径，提出现阶段采取“运维BIM 模型=运维基础模型+运维动态信息（增量类&决策类数据）”途径的可行性。分析竣工验收模型与运维基础模型的区别，并给出运维基础模型构建的2种方法：基于模型继承、模型可用的重构以及重新翻模。

（4）基于重新翻模，给出运维BIM 模型全生命周期信息集成关联方法：通过建立标准化的设计、施工和运维信息模板，选用关系型数据库和分布式文档存储系统进行数据存储，基于构件ID 编号和IFD 编码实现模型与数据库信息的关联。限于目前数字化程度，设计和施工属性模板信息，可采用人工梳理、批量导入方式实现基础类数据的集成。

（5）分析讨论运维模型信息深度矛盾性、BIM实施标准完善的紧迫性、BIM模型持续可用和全生命周期数据管控体系建立的必要性，并提出相关思路建议。