近年來，隨著‘交通強(qiáng)國’‘?dāng)?shù)字中國’‘平安百年品質(zhì)工程’‘公路數(shù)字化轉(zhuǎn)型及智慧公路’ 等國家戰(zhàn)略的部署實施，中國橋梁產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化、數(shù)字化、智能化發(fā)展路徑進(jìn)一步明晰。2023年9月，交通運輸部發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)公路數(shù)字轉(zhuǎn)型、加快智慧公路建設(shè)發(fā)展的意見》，明確提出發(fā)展目標(biāo)的首要任務(wù)之一是構(gòu)建公路設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)、運營全過程的“一套模型、一套數(shù)據(jù)”，即“建養(yǎng)一體化”。

“建養(yǎng)一體化”是重塑橋梁全產(chǎn)業(yè)鏈的重要技術(shù)手段。伴隨著時代進(jìn)步及管理理念的升級，從早期的“重建輕養(yǎng)”逐漸轉(zhuǎn)變至“建養(yǎng)并重”，最終實現(xiàn)“建、管、養(yǎng)、運”全面協(xié)調(diào)發(fā)展。“建養(yǎng)一體化”不僅局限于數(shù)字化和軟件系統(tǒng)層面的革新，更重要的是包含了“建養(yǎng)并重”的管理理念、長壽命設(shè)計理論等多個維度。本文主要在建養(yǎng)一體化框架下，探討橋梁建養(yǎng)全過程信息融合、數(shù)字化應(yīng)用、系統(tǒng)平臺等方面的發(fā)展方向。

一、現(xiàn)狀與不足

建養(yǎng)一體化信息治理、融合及數(shù)字化場景應(yīng)用構(gòu)成了橋梁智能建養(yǎng)一體化的基礎(chǔ)。然而，橋梁工程在設(shè)計、施工和運維數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級及全生命周期數(shù)據(jù)利用方面，仍面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。

1、在數(shù)字化設(shè)計方面

雖然BIM設(shè)計技術(shù)及軟件發(fā)展迅速，并依托重大橋梁工程實踐推動了設(shè)計數(shù)字化進(jìn)程，但基礎(chǔ)BIM軟件國產(chǎn)化不足，以及BIM設(shè)計中未能實現(xiàn)數(shù)字化交付，導(dǎo)致BIM設(shè)計的提質(zhì)增效作用有限。在設(shè)計理論及方法層面，已經(jīng)逐步完成了由容許應(yīng)力法到極限狀態(tài)法的轉(zhuǎn)變，基于性能的設(shè)計方法也開始得到應(yīng)用，可持續(xù)設(shè)計與全壽命設(shè)計理念已達(dá)成廣泛共識。然而，目前在人工智能飛速發(fā)展的時代，基于人工智能算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計、韌性設(shè)計及長壽命設(shè)計理論與方法仍需突破。

2、在工業(yè)化建造方面

針對預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，深化設(shè)計及加工制造一體化水平不斷提升，鋼板件單元已實現(xiàn)全自動制造。但是，受限于結(jié)構(gòu)特點，混凝土結(jié)構(gòu)/組合結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工業(yè)化制造及安裝一體化方面的考慮仍顯不足。

此外，智慧工地及智慧建造逐漸突破場景化應(yīng)用，橋梁智能建造技術(shù)及裝備研發(fā)不斷精進(jìn)。但受限于橋梁工程的傳統(tǒng)施工組織模式和建造場景的復(fù)雜，工業(yè)化智能建造的場景應(yīng)用不足，無人化和高質(zhì)量建造仍需突破。在施工協(xié)同管理方面，形成了基于業(yè)財檔一體化的施工BIM協(xié)同管理理念，并依托重大工程開展了實踐應(yīng)用，但基于工程物聯(lián)的在線質(zhì)保資料電子化檔案交付尚未成熟，交竣工模式仍主要依賴傳統(tǒng)方式。

3、在智能化管養(yǎng)方面

隨著橋梁監(jiān)測、檢測技術(shù)逐步精細(xì)化、智能化、集成化，健康監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。然而，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，監(jiān)檢測數(shù)據(jù)融合能力不足，難以支撐數(shù)據(jù)驅(qū)動的橋梁管養(yǎng)評估。橋梁評估決策技術(shù)發(fā)展迅速，針對大跨橋梁的評估綜合性逐漸提升。但基于AI算法的智能評估技術(shù)相對落后，在線數(shù)字孿生評估決策技術(shù)亟需突破。防護(hù)技術(shù)實現(xiàn)了“從被動到主動”的轉(zhuǎn)變 ，維修處置及性能提升手段日趨多樣。但是，維修加固及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)主要依賴工程實施，數(shù)字化水平不足，未有效融入管養(yǎng)數(shù)據(jù)鏈。

4、在建養(yǎng)一體化方面

盡管已有一些相關(guān)單位初步研發(fā)了基于BIM的建養(yǎng)一體化技術(shù)，探索了建養(yǎng)全過程信息共享和動態(tài)模擬，但大部分橋梁工程建養(yǎng)信息仍存在脫節(jié)，系統(tǒng)平臺建養(yǎng)一體化數(shù)據(jù)集成能力不足。此外，在數(shù)字底座和性能評估方面，雖然發(fā)布了工程信息模型應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，初步開展了數(shù)據(jù)驅(qū)動的養(yǎng)護(hù)評估，但建養(yǎng)一體化數(shù)據(jù)治理能力不足，缺乏能夠有效支撐精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的建養(yǎng)一體化數(shù)字底座。

二、初步實踐

針對上述種種不足，結(jié)合一些科研項目、咨詢項目和技術(shù)服務(wù)項目，筆者團(tuán)隊也開展了一系列的技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用實踐，旨在探索和解決建養(yǎng)一體化過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)一步完善和提升橋梁建養(yǎng)一體化信息融合和數(shù)字化應(yīng)用水平。

1、數(shù)字化設(shè)計

在科研層面，依托國家重點研發(fā)計劃在開展探索建立基于“數(shù)據(jù)/知識”雙驅(qū)動的多目標(biāo)優(yōu)化智能設(shè)計理論方法與算法，初步構(gòu)建了橋梁智能設(shè)計體系。從狹義上來說，數(shù)字化設(shè)計，目前工程實踐較多的就是BIM設(shè)計。過去幾年中，筆者團(tuán)隊有四五十個項目實踐，其中不同項目、不同建設(shè)管理單位對設(shè)計深度的要求各不相同。總的來說，數(shù)字化設(shè)計的核心問題，一是盡可能提升設(shè)計效率、質(zhì)量；二是從建養(yǎng)一體化角度考慮，建立自己的設(shè)計參數(shù)庫，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，把設(shè)計信息數(shù)據(jù)化，而不僅僅是最終呈現(xiàn)一個模型或者一套圖紙。

具體來說，在基礎(chǔ)設(shè)計方面，要實現(xiàn)勘察信息數(shù)據(jù)化，要建立自己的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺化管理。可視化只是呈現(xiàn)方式。基于此，團(tuán)隊基于多鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)地層坐標(biāo)擬合生成算法、復(fù)雜地質(zhì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成BIM地質(zhì)模型算法，初步實現(xiàn)了三維地質(zhì)模型的自動創(chuàng)建。同時，開展樁基自動化設(shè)計，開發(fā)墩位地質(zhì)層數(shù)據(jù)提取，結(jié)合樁基承載力計算，設(shè)計人員可通過交互操作，獲取即時計算的承載力。同時反饋樁長、樁徑信息，并同步創(chuàng)建BIM結(jié)構(gòu)模型輔助出圖，設(shè)計信息同步進(jìn)行數(shù)據(jù)化存儲。

此外，結(jié)合墩柱開展正向設(shè)計，特別針對跨海長距離引橋或者長距離高架橋的大規(guī)模墩柱設(shè)計。設(shè)計人員需要不斷設(shè)計參數(shù)調(diào)整和計算分析驗證，此部分工作量比較大，如何實現(xiàn)批量化的數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計及配筋，是設(shè)計過程面臨的一個痛點。

在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，中小跨橋梁的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)化。針對大跨橋梁，設(shè)計面臨的問題是方案頻繁變動,塔、梁和索錨固端結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其核心問題在于梳理清楚結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的幾何關(guān)系、邏輯關(guān)系。解決這些問題的核心在于清晰定義結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)及其幾何和邏輯關(guān)系，這對于后續(xù)的參數(shù)調(diào)整及模型變動和出圖效率至關(guān)重要。

例如，針對不同類型鋼箱梁，無論整體式或分體式鋼箱梁，主梁鋼殼、橫隔板、風(fēng)嘴、縱隔板和吊耳參數(shù)存在一定的關(guān)聯(lián)性，綜合考慮幾何相關(guān)性處理和經(jīng)驗性處理，建立參數(shù)化模型實現(xiàn)快速設(shè)計。針對索塔結(jié)構(gòu)（以獅子洋鋼混組合索塔結(jié)構(gòu)為例），超過60個節(jié)段，其參數(shù)類似、截面連續(xù)變化，二維設(shè)計出圖效率低，基于參數(shù)化、模塊化思路開發(fā)正向設(shè)計模塊，實現(xiàn)了初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和修編階段的快速出圖，累計生成了超過一萬張一步到位的圖紙。對于中小跨橋梁，主要采用標(biāo)準(zhǔn)化、批量化自動設(shè)計方法，例如，基于箱梁通用圖，根據(jù)設(shè)計中線和樁號參數(shù)，自動布跨。

研發(fā)思路強(qiáng)調(diào)插件化開發(fā)，以提升設(shè)計的效率和精確性，重要的是能夠從數(shù)據(jù)出發(fā)，保留關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)至數(shù)據(jù)庫，以便向下一階段傳遞。此外，團(tuán)隊也在探討完全的程序化設(shè)計和代碼生成模式，這一模式將提供更高的設(shè)計自由度和數(shù)字化水平，但它要求大量前期的數(shù)據(jù)和程序模塊積累。這些設(shè)計方法以設(shè)計數(shù)據(jù)和參數(shù)關(guān)系為出發(fā)點，不僅僅是從二維到三維的轉(zhuǎn)變，而是更重視關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)及其邏輯關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)化，通過平臺數(shù)據(jù)庫支持，實現(xiàn)數(shù)模分離和數(shù)字化交付。

2、工業(yè)化建造

在預(yù)制結(jié)構(gòu)工業(yè)化制造領(lǐng)域，特別是鋼結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)方面，深化設(shè)計與加工制造的一體化已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)，特別是中小跨橋梁的預(yù)制梁，現(xiàn)在依托流水化生產(chǎn)線打造智慧梁廠，其中流水化生產(chǎn)線需要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化去支撐。所以，面向工業(yè)化智能建造需求，要以工業(yè)化生產(chǎn)反饋標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

標(biāo)準(zhǔn)化涉及跨徑、梁類型、構(gòu)造以及鋼筋布置。以預(yù)制小箱梁鋼筋為例，鋼筋工業(yè)化建造的一個方向是部品安裝，鋼筋骨架的工業(yè)化快速成型采用“鋼筋骨架拆解-鋼筋部品制作-鋼筋骨架組裝”，這要求在設(shè)計階段就考慮適合工廠化預(yù)制的部件拆分方案。到底是鋼筋籠方案，還是三網(wǎng)片方案或者四網(wǎng)片方案？基于這些項目實踐，我們開展了預(yù)制節(jié)段梁、小箱梁的鋼筋深化設(shè)計。

在智慧梁廠方面，圍繞T梁、預(yù)制小箱梁、節(jié)段拼裝箱梁的預(yù)制工藝，開發(fā)了梁廠系統(tǒng)，實現(xiàn)了預(yù)制工序及質(zhì)量參數(shù)的全過程管控，采集到的物聯(lián)數(shù)據(jù)為質(zhì)保資料填報提供了底層支撐。在工業(yè)化生產(chǎn)方面，特別是一些智慧工裝設(shè)備，可以直接采集到實時澆筑振搗、蒸養(yǎng)張拉過程的控制參數(shù)，跟蹤制梁過程的質(zhì)量指標(biāo)。同時，我們也在嘗試通過梁廠中樞平臺來控制關(guān)鍵工裝設(shè)備運行，比如振搗順序、頻率、時間以及運料、下料合理速度等，避免這些關(guān)鍵參數(shù)作業(yè)班組主觀出錯導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量缺陷。

在智慧工地建設(shè)方面，重點是實現(xiàn)材料溯源及質(zhì)量追溯，結(jié)合地磅、實驗室及拌和站等，實現(xiàn)物料質(zhì)量追溯，為運營期交付提供支持。在BIM協(xié)同管理方面，一些項目已經(jīng)實現(xiàn)業(yè)財檔一體化管理，進(jìn)度、質(zhì)量、計量及檔案協(xié)同管理。對接不同的質(zhì)量管理系統(tǒng)，獲取電子化質(zhì)保資料，將其作為建設(shè)期關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳遞給運營期。

在安全監(jiān)控方面，主要是結(jié)構(gòu)監(jiān)控信息方面，追蹤建設(shè)期結(jié)構(gòu)實際性能演變，獲取運營期的結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)狀態(tài)信息。筆者團(tuán)隊依托集團(tuán)級橋梁施工安全監(jiān)控平臺建設(shè)，以分部分項施工過程為主線建立施工流程庫、風(fēng)險庫，研究風(fēng)險到事故的轉(zhuǎn)化條件建立監(jiān)測指標(biāo)庫，可以對接現(xiàn)場多源渠道的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，重點是聚焦關(guān)鍵安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。在施工安全評估方面，從總體風(fēng)險評估、安全技術(shù)管理、專項評估等方面建立橋梁施工安全動態(tài)評估技術(shù)體系。系統(tǒng)面向集團(tuán)及二三級公司、項目部不同層級，滿足橋梁基本信息管理、關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集、安全評估及預(yù)警等需求。目前筆者單位正在進(jìn)行培訓(xùn)試點工作。

3、智能化管養(yǎng) 

在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，依托一些大橋的數(shù)字養(yǎng)護(hù)科研項目，逐步從構(gòu)件參數(shù)、損傷參數(shù)、作用及響應(yīng)參數(shù)等方面構(gòu)建了面向數(shù)字管養(yǎng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，主要包括編碼體系和性能參數(shù)體系。在數(shù)據(jù)傳遞方面，以BIM模型為載體，編碼為紐帶，初步建立了業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流及模型的縱向傳遞流程和方法。在數(shù)據(jù)承載方面，針對病害可視化管理，建立了BIM+VR病害融合可視化流程，開發(fā)了病害大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，依托可視化模型動態(tài)展現(xiàn)病害時空信息，并實現(xiàn)病害的長期演化分析。

在災(zāi)害精細(xì)化防控方面，研發(fā)了橋梁風(fēng)致災(zāi)害監(jiān)測及評估預(yù)警技術(shù)，構(gòu)建了監(jiān)測-模擬-評價-預(yù)警一體化災(zāi)害預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)特種災(zāi)害的精細(xì)化防控。在專項在線評估方面，正在逐步搭建各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能在線專項評估模塊，突破傳統(tǒng)離線評估的時效性低、大數(shù)據(jù)分析能力不足等問題，支撐數(shù)字大橋的在線評估決策。

4、建養(yǎng)一體化

基于數(shù)字化設(shè)計、工業(yè)化建造、智能化養(yǎng)護(hù)的科研成果和工程實踐，初步實現(xiàn)了工程建養(yǎng)全生命周期的信息集成，初步開發(fā)了橋梁建養(yǎng)一體化平臺，探索工程全生命周期信息融合及場景化應(yīng)用。一方面是具體設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)的階段性應(yīng)用；另一方面是跨階段的數(shù)據(jù)應(yīng)用，比如基于建養(yǎng)一體化拉吊索長期性能數(shù)據(jù)的養(yǎng)護(hù)評估。

三、發(fā)展與展望

在橋梁建養(yǎng)一體化以及數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，通過技術(shù)研發(fā)和實踐探索，筆者總結(jié)了以下觀點。

1、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)字底座的構(gòu)建：為實現(xiàn)橋梁建養(yǎng)一體化，需構(gòu)建數(shù)字底座，提升數(shù)據(jù)治理及共享服務(wù)能力。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化就難以存儲和深入處理；而數(shù)字底座是統(tǒng)籌多源數(shù)據(jù)、挖掘數(shù)據(jù)價值的中樞平臺。橋梁工程涉及眾多參與方，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字底座的缺失導(dǎo)致信息無法貫通，影響數(shù)據(jù)的有效利用。

2、設(shè)計階段的反饋與全生命周期技術(shù)體系：建立基于全生命周期理念的全過程數(shù)字化、智能化設(shè)計技術(shù)體系，將建養(yǎng)一體化反饋至設(shè)計初期。設(shè)計不僅是工程的靈魂，更是實現(xiàn)建養(yǎng)一體化、提升工程質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。

3、數(shù)字橋梁技術(shù)體系的構(gòu)建：推進(jìn)數(shù)字橋梁技術(shù)體系的發(fā)展，突破綜合感知、孿生診斷及反饋控制的技術(shù)瓶頸，充分體現(xiàn)建養(yǎng)一體化信息融合的價值。這一技術(shù)體系旨在實現(xiàn)橋梁的實時監(jiān)測、評估與智能維護(hù)，提高安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4、場景化應(yīng)用的落地：將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于具體的業(yè)務(wù)場景，以需求導(dǎo)向和目標(biāo)導(dǎo)向為基礎(chǔ)，實現(xiàn)橋梁關(guān)鍵構(gòu)件性能的全面評估。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法模型集成，實現(xiàn)剩余壽命評估或反饋控制干預(yù)，支撐橋梁的智能化養(yǎng)護(hù)，確保其長期安全運營。