面向智能化管养的桥梁信息编码体系

马继骏， 褚 豪， 白 勇， 郭向海， 卢 山， 孔令涛

(1. 河南省交通通信中心， 河南 郑州 450046； 2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074； 3. 洛阳市公路事业发展中心， 河南 洛阳 471002)

截止2018年底，全国公路桥梁达85.15万座，其中特大桥梁5053座，大桥98869座[1]，加上市政、铁路和水利等各归口桥梁，其数量庞大且增长迅猛。数量众多的桥梁为其管理与养护带来了巨大的挑战，不仅需要弄清从规划、施工到建成后的各类信息，而且要实现从不同阶段、不同口径和不同人员处采集呈现信息的统一性。

在由建设高峰逐渐转向养护为主，和提倡智能化管养的大背景下，基于建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)的桥梁智能化建养被重视起来。虽然基于BIM技术的桥梁建养一体化系统可以实现桥梁全生命期内的协同工作，达到桥梁设计、施工与养护的信息共享与协同，从而打破各领域之间的信息壁垒，提高信息利用率。然而，由于BIM技术的兴起带来了桥梁建设领域的一次新的革命，基于BIM的大数据平台的概念被越来越多地提出，以BIM三维模型为信息载体，实现各领域信息交互，并对各类信息进行统一全面的集中存储、分析以及管理，使得桥梁管养更加数字化，智能化，为当前桥梁管养效率低下，人工时间成本高的问题提出了一个行之有效的解决方案。

目前，传统的管理模式存在着人工成本高、效率低下、协同性差等缺陷。在此背景下，桥梁相关构件信息、施工信息、结构信息等的信息量也迎来了爆发式的增长，传统的人工统计管理方式已不足以对这些信息进行高效、快捷的管理，如何建立一个统一完备的桥梁信息管理体系，实现桥梁信息的统一管理成为当今我国桥梁发展急需解决的问题。

基于桥梁管养的现状，国内外正全力致力于桥梁信息化系统的研究。美国对于桥梁管理系统的研究相对较为成熟。以POINTS系统为例，该系统由美国联邦公路管理局开发，是一个网络化的桥梁管理系统，目前已被广泛使用，是一个较为成熟的桥梁信息管理系统。而国内对桥梁信息化的研究则正处于快速发展阶段，一些大规模桥梁在建设过程中都需研发桥梁智能化管养系统辅助管理，广东省等部分省市也相继推出了省内的公路桥梁管养系统。总体上看，国内基于BIM的桥梁信息化管理的研究仍处于起步阶段，虽然有部分建设工程开发、运用了信息化管理系统，但是由于各自的系统并不兼容，管理系统无法顺利推广，当前情况下，大范围推广使用桥梁管养系统并不现实。而问题的关键之一在于缺少标准化的桥梁信息管理体系，以至于桥梁信息化系统的数据互不兼容，难以实现信息共享，阻碍了桥梁信息化管理系统在更大范围内的推广。

本研究的主要目的在于通过建立一个标准化的桥梁信息编码体系，为桥梁信息化管理系统的开发和推广铺平道路。标准化的桥梁信息编码体系主要从两个方面构建：一是建立桥梁编号系统，结合GB 11708—1989《公路桥梁命名编号和编码规则》标准规范，依照唯一性、可扩延性、简明性以及规范性的要求实现桥梁的统一编码，以实现对基数庞大的现存桥梁的整体编号，便于今后桥梁信息的存储、录入以及检索，为今后推广桥梁大数据管理养护平台打下基础；二是基于工程分解结构(EBS，Engineering Breakdown Structure)实现桥梁构件基于系统结构的分解、编码，使得桥梁信息得以有序规范地录入存取，便于桥梁信息的提取与检索，实现桥梁信息的智能化管理。

1 概 述

梁铮、曹明兰等[2]总结并分析了包括美国、法国、丹麦、挪威以及英国等国家在桥梁管养系统方面的研究成果。以美国为例，1989年FHWA推出的POINTS系统取得了极大的成功，其主要优势在于：一是先进的数据管理模式，POINTS系统相当关注系统数据的兼容性，以及数据的存储、录入、检索以及提取速度，并设立了完备的构件数据库；二是高效的分析算法，能够根据已有的桥梁信息提供最优化策略，极大地提高了桥梁管养效率。除美国和一些欧洲地区国家之外，日本，南非等国家也已经建立了较为成熟的桥梁管养系统。相比之下，国内对于桥梁管养系统的研究起步较晚。我国交通部于九十年代推出的公路桥梁管理系统(CBMS)[3]， 目前已广泛应用于国内各省市的公路管理，该系统包括信息采集录入、数据库系统、决策分析以及养护管理等功能模块。经过二十多年的发展，CBMS系统各功能已基本完善，但仍存在一些问题。如对于桥梁技术状况评定的分析算法仍存在问题，以及对于规模较大、构件复杂多样的桥梁结构的构建编号较为复杂，整个构件编号体系仍存在较大的问题。上述问题阻碍了该系统的方便应用。

针对不同系统之间的数据交互问题，Wu和Hsieh[4]研究了关于系统之间数据接口的设计，有效解决了系统间信息交互的问题。Okasha和Frangopol[5]提出了一个公路桥梁全寿命期大数据管养平台的概念，集中讨论了系统的结构健康监测信息更新、养护功能分析预警等功能的实现。

在信息编码方面，目前的结构分析标准主要有EBS编码及WBS(Work Breakdown Structure)编码。EBS编码主要依据工程本身的结构功能对结构进行分解分级，然后逐一编码，是基于工程本身的编码标准。而WBS编码是基于项目进度对项目过程进行分解，是针对项目过程的编码标准。余健俊等[6]研究了有关EBS编码与WBS编码体系的对比分析，并提出了基于EBS编码的应用方法。罗艳芳等[7]针对目前广泛推广的工程分解体系，研究了工程分解结构各个框架，进一步完善了EBS结构分解方法。金辉[8]总结归纳了桥梁建设过程中的设计信息以及施工管理信息，研究了将这些信息统一归类编码的方法，整理了大量的桥梁信息，为桥梁管理平台的建立打下基础。刘振邦[9]研究了基于BIM平台的EBS自动编码方法，解决了当前对于复杂结构人工编码效率低下、成本高的问题。但国内在信息编码的应用方面尚存在着很多不足，在行业内缺乏统一的编码标准，没有完善的编码体系以支持系统性的编码工作等都给国内编码标准的发展带来一定的阻力。

上述研究推动了桥梁信息化发展，但总结我国桥梁管养大数据平台的研究，可以发现研究成果碎片化，无法统一，缺乏一致性的桥梁病害信息编码体系，导致桥梁信息化管养系统一方面不便于推广应用，另一方面系统之间交互性差。因此，构建切实可行的桥梁信息编码体系，建立桥梁信息编码的标准，以克服各系统之间的信息交互障碍，推动桥梁大数据管养平台的发展与推广，迫在眉睫。本文聚焦于建立一套完整的桥梁信息编码体系，并实现以下功能：

(1)建立桥梁名称编码体系。目前我国国内桥梁数量众多，要想建立桥梁统一管养平台实现桥梁智能化管养，必须建立一套方便高效的桥梁编号规则，便于桥梁整体信息的录入与检索，是建立桥梁大数据平台的基础；

(2)基于EBS编码标准对桥梁实现结构分解，实现桥梁构件的逐级编码，确保桥梁构件信息完整无误的采集录入。

2 桥梁名称编码体系

基于GB/T 11708—1989《公路桥梁命名编号和编码规则》[10]以及GB/T 51269—2017《建筑信息模型分类和编码标准》[11]的规定，本着简明、可扩展和唯一原则，实现桥梁编码规范化，研究实用简明的桥梁编码标准。

桥梁名称编码主要包括桥梁所在地行政编码、桥梁所在道路编号以及桥梁代码三个部分，具体构成如表1所示。所在地行政编码由两位省级行政编码加四位地方行政编码组成，共六位。桥梁所处路线编码可参考各省市的交通道路编号，由一个字母(G/S/X/Y/Z/Q)加三位数字组成。

表1 桥梁名称编码组成

公路路线编码及行政编码均可参照各地已有的路线编码及行政区划码，可直接参照现有编码体系。桥梁代码的编码规则主要参照规范《公路桥梁命名编号和编码规则》中的要求，并做出相应调整改进，具体要求如下：

(1)桥梁代码主要由一个字母加五位数字组成，其中，首位字母主要包括L/T/J/Q，其各自的意义参见表2，五位数字前三位为桥梁顺序码，后两位为扩充码；

(2)三位桥梁顺序码从000开始编号，按路线里程增长方向顺序编号的规则，对同一路线上的桥梁顺序编号；

(3)两位桥梁扩充码一般为00，当新建桥梁出现在两座已建桥梁之间时，则扩充码按01开始编号，编号规则依然按里程增长方向顺序编号；

(4)如果新建桥梁并未按里程增长方向建成，则可适当调整扩充码使之按里程增长方向顺序编号，前三位桥梁顺序码应保持不变。

表2 桥梁代码首位字母含义

通过对桥梁编码的制定，确保每一座桥梁能唯一对应一条桥梁编码，并保证了编码体系良好的扩展性。这就使得数量巨大的桥梁得以有序准确的编码，便于桥梁信息快捷的录入、存储及检索，为桥梁大数据平台的建立奠定基础。

3 基于EBS的桥梁构件编码

3.1 EBS编码

任何一个工程项目都可以分解为各个功能模块，每一个功能模块作为工程子项目，又可以分解为更为细微的构件或要素，工程项目得以正常有效的发挥其功能，正是这一系列子项目各自实现各自功能的结果，一般工程系统的分解结构可参考图1。任何一座桥梁都可大致分为上部结构体系、下部结构体系、附属设施及引道工程等各个子系统，各子系统的功能组合保证了桥梁功能的正常运行。

图1 工程项目结构分解

EBS结构分解的概念正是基于工程项目的结构分解，一般结构分解的原则为：(1)将工程项目中功能较为独立的子系统分解出来；(2)依照工程项目本身的框架分解出一系列子系统；(3)依照工程项目外观特征进行空间结构分解。对于分解出来的子系统以及构件要素，EBS编码采用分级编码的方式，将各个功能不同的子系统顺序编码，同时将属于该系统的子类在下一级顺序编码，如此层层编码，确保各级子类无重复，同时下一级子类属于上一级，其具体的结构见表3。

表3 EBS编码结构

每一层EBS编码一般包含两位数字，将同一层的子结构按顺序编号，而EBS编码的层数一般视桥梁结构的复杂程度而定，一般以4层或5层为宜。

3.2 桥梁结构分解及编码

工程项目一般信息量较大，包含多个专业不同方向的工程信息。在进行桥梁工程结构分解时，应结合相关的信息分类编码标准进行。通过参考《铁路工程实体结构分解指南》[12]及相关国家编码标准，将桥梁工程分解为四个层次：第一层按桥梁结构形式将其分为梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥及组合体系桥五大类；第二层将桥梁结构具体细分为上部结构、下部结构、桥面系以及附属设施等；第三层及第四层则对桥梁构件进一步细分，桥梁结构分解结果如图2所示。

图2 桥梁结构分解示意

对于桥梁结构的EBS编码，可以参考EBS编码结构，采用“父码+子码”的形式将构件层层细分，按顺序从01～99逐一编码。下一层构件对应的EBS码将继承父类的EBS码，同时加上其在本层的代码，如此就保证了桥梁各构件编码的唯一性与确定性。此外，值得注意的是，由于第一层仅包含梁式桥(L)、拱式桥(G)、斜拉桥(XL)、悬索桥(XS)及组合体系桥(Z)五个子类，故桥梁EBS码的第一层采用字母分别代指五个子类。具体的编码结构可参考表4。

表4 桥梁EBS码一般结构

通过对桥梁结构的逐层分解编码，使实现桥梁构建信息的统一管理成为可能。由于EBS编码结构的灵活与严谨，使得不论桥梁规模大小，构件复杂程度如何，都能通过统一、简明的编码格式唯一确定桥梁构件EBS码。以梁式桥为例，分解结果及EBS码见表5。

表5 梁式桥EBS编码

最后，针对具体桥梁构件的编码顺序问题，给出桥梁构件编码规则如下：

(1)以里程增长方向为正东方向，建立坐标系，桥梁墩台、梁、支座及承台基础等按由西向东、由南向北的顺序依次编号；

(2)桥梁构件码一般占桥梁构件EBS编码最后两位，这意味着构件码可以编辑从01～99共99个同类型构件。对于规模较大的桥梁，可视情况采用四位数进行编码，这意味着构件EBS编码可编辑从0001～9999共计9999个同类型构件。

4 工程实例

某桥桥跨布置为4×20+4×30+4×20 m，桥面宽度9.5 m。桥梁横断面为：机动车道宽度2×3.5 m；栏杆及人行道宽度 2×1.25 m。桥梁路拱横坡 2%。设计荷载为Ⅱ级公路。

该桥三维模型如图3所示，全桥共15片30 m跨径小箱梁，56片20 m空心板梁；支座分四种类型，分别为四氟滑板式矩形支座(56套)、4氟滑板式圆形支座(6套)、矩形板式橡胶支座(168套)以及圆形板式橡胶支座(12套)；全桥桥台2个，实体墩6个，桩柱式桥墩12个，承台6个，桩基础48根。基于此建立该桥构件EBS编码表(表6)，将各构件的EBS编码作为构件属性值输入到Revit模型的构件族库中，通过各构件的EBS码区分各个构件，作为各构件信息录入，检索及存储的标识。

图3 某大桥三维模型

表6 东荆河大桥构件EBS编码

注：具体构件的构件号、具体编码顺序参考第三节内容，以里程增长方向为正东方向，依照由西向东，由南向北的顺序依序编码

5 结 语

通过提出桥梁名称编码体系以及基于EBS桥梁构件编码两个方面的内容，建立了一套高效快捷的桥梁编码标准。基于这一标准，通过在录入桥梁构件信息的过程中赋予并存储桥梁构件的具体EBS编码，使得桥梁构件能够被构件编码唯一标识。在后续桥梁大数据平台检索并提取构件信息时，只需检索构件的EBS标识码即可获得完整的构件信息，这将大幅提高信息存储及提取效率，提高信息利用率，大大增强了桥梁管养平台的智能化及信息化，为后续桥梁智能化管养平台的发展打下坚实基础。