基于數(shù)字孿生模型的公路橋梁設(shè)計(jì)施工一體化系統(tǒng)

摘要：針對(duì)公路特大橋梁設(shè)計(jì)與施工之間無法有效建立精細(xì)化管理等問題，文章基于傳統(tǒng)數(shù)字孿生模型深化橋梁設(shè)計(jì)施工一體化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過制定一體化編碼結(jié)構(gòu)，將自動(dòng)化數(shù)字編碼與大數(shù)據(jù)融合算法模型相掛接，并與項(xiàng)目管理業(yè)務(wù)過程融合，提高了橋梁施工的數(shù)字化管理水平，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)橋梁數(shù)字化資產(chǎn)管理和養(yǎng)護(hù)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于可視化設(shè)計(jì)成果快速交底以及施工進(jìn)度管理等具有重要意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；公路橋梁；BIM；設(shè)計(jì)施工一體化

U495A290923

0 引言

隨著“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)以及“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃的實(shí)施推進(jìn)，大批新建高速公路相繼開工建設(shè)。跨越江河湖和海峽的大型橋梁作為高速公路的關(guān)鍵性控制工程，是保證公路全線通車和正常使用的關(guān)鍵［1］。BIM技術(shù)［2］作為工程領(lǐng)域智能化的發(fā)展趨勢(shì)，能夠針對(duì)不同橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)化管理，建立特征化數(shù)字仿真模型，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目前期工程預(yù)排以及施工進(jìn)度跟蹤與監(jiān)測(cè)。然而現(xiàn)階段BIM發(fā)展的底層算法技術(shù)尚缺乏體系，基于不同橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的系統(tǒng)研發(fā)之滯后，未能根據(jù)材料屬性和安全耐久性要求滲透實(shí)際施工過程中［3］。特別是對(duì)于公路特大橋梁設(shè)計(jì)與施工之間的數(shù)據(jù)流通工作缺乏效率，二維圖紙向三維信息多維建模存在困難［4］：（1）公路特大橋梁從傳統(tǒng)線條繪制的二維設(shè)計(jì)方式向構(gòu)件布置的三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變受阻；（2）BIM信息系統(tǒng)獲取的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)混亂，未能根據(jù)相關(guān)多元數(shù)據(jù)分析施工過程存在的不確定性問題。

因此，提高公路建設(shè)項(xiàng)目特大橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化管理，采用三維數(shù)字化集成幾何表達(dá)與信息模型協(xié)同設(shè)計(jì)，成為公路特大橋梁數(shù)字化施工領(lǐng)域的又一關(guān)鍵性問題。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)算力的發(fā)展進(jìn)步，數(shù)字孿生技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用受到各個(gè)組織的廣泛關(guān)注［5］。通過與工程數(shù)字化技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)流程的再造和施工管理過程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)橋梁全生命周期建設(shè)的數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化［6］。因此，研究基于數(shù)字孿生的公路橋梁設(shè)計(jì)施工一體化管理應(yīng)用，具有重要的工程意義。

1 基于數(shù)字孿生模型的設(shè)計(jì)施工系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)施工一體化管理平臺(tái)的應(yīng)用中，數(shù)字孿生技術(shù)以橋梁物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過海量分布在類似橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)中的傳感器獲取各類數(shù)據(jù)，例如施工流程、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、進(jìn)度情況等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)集成于高還原度的虛擬橋梁模型中，分析、優(yōu)化相應(yīng)設(shè)計(jì)以及施工管理，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)可以形成智能決策；此外，結(jié)合智能決策結(jié)果以及人工經(jīng)驗(yàn)，通過操作數(shù)字孿生模型下達(dá)指令來更新設(shè)計(jì)圖紙和施工流程，達(dá)到以虛控實(shí)的效果。系統(tǒng)自上而下的整體架構(gòu)為信息感知編碼層、多源數(shù)據(jù)傳輸融合層、數(shù)據(jù)虛實(shí)交互層、智能決策層。

1.1 模型一體化編碼結(jié)構(gòu)

由于特大橋梁設(shè)計(jì)與施工之間的信息數(shù)據(jù)缺乏有效連接，而且現(xiàn)有三維模型的拆分工作以及系統(tǒng)底層算法編碼工作量大，代碼出錯(cuò)無法及時(shí)維護(hù)。為此，基于數(shù)字孿生系統(tǒng)的原有框架，考慮特大橋梁設(shè)計(jì)周期內(nèi)的建設(shè)管理、成本計(jì)算工作以及施工過程中的大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)反饋、各工程段檔案管理等要素，通過架構(gòu)短短為公路信息模型分類編碼，結(jié)合三維數(shù)字化軟件實(shí)現(xiàn)公路橋梁的設(shè)計(jì)施工一體化管理系統(tǒng)建立。

模型表示編碼的整體思路為：首先將各橋梁工程項(xiàng)目的建設(shè)與運(yùn)營數(shù)據(jù)匯總收集至大數(shù)據(jù)平臺(tái)，然后通過關(guān)聯(lián)表示編碼進(jìn)行公路工程信息分解，最后根據(jù)空間部位、專業(yè)要素、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及檔案版本實(shí)現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)。其中項(xiàng)目編號(hào)采用企業(yè)級(jí)項(xiàng)目碼，由項(xiàng)目建設(shè)單位在規(guī)范基礎(chǔ)上自行擬定；工點(diǎn)編號(hào)參照專業(yè)+單位工程號(hào)劃分；構(gòu)件分類按國家標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)建筑信息模型面分類法中建設(shè)成果內(nèi)容進(jìn)行分類；位置關(guān)系則通過某類構(gòu)件的左右幅以及三向維度進(jìn)行編碼；版本序號(hào)考慮版本變更后添加的版本序號(hào)信息重新組成。如圖1所示。

1.2 多源數(shù)據(jù)傳輸融合層

由于特大橋梁施工過程中不確定性顯著：地質(zhì)條件復(fù)雜、橋梁設(shè)計(jì)方案多樣、現(xiàn)場(chǎng)施工材料機(jī)械多、施工管理不完備等。不論是設(shè)計(jì)階段還是施工周期內(nèi)，相關(guān)要素信息無法有效流通，針對(duì)多樣化工點(diǎn)與構(gòu)件之間的設(shè)計(jì)與施工，提出基于多源數(shù)據(jù)與協(xié)同管理的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)施工一體化系統(tǒng)，建立不同業(yè)務(wù)渠道的連接。

數(shù)據(jù)融合功能模塊的構(gòu)建（見圖2），主要通過RFID以及PLC等獲取設(shè)計(jì)與施工的時(shí)序數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)間傳播鏈條上的信息實(shí)時(shí)多元感知；基于傳感器或衛(wèi)星遙感等工具對(duì)目標(biāo)的點(diǎn)跡與坐標(biāo)變換進(jìn)行軌跡獲??；最后通過現(xiàn)場(chǎng)施工的協(xié)同管理器對(duì)大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行誤差校正。在多元數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的過程中，天地系統(tǒng)可以精確化處理點(diǎn)軌跡，在進(jìn)行軌跡關(guān)聯(lián)時(shí)借助各方工具實(shí)現(xiàn)參數(shù)的屬性、狀態(tài)融合?；跀?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)之后可判斷設(shè)計(jì)與施工態(tài)勢(shì)，對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，繪制軌跡濾波曲線，根據(jù)局部態(tài)勢(shì)圖反饋指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工［7］。

1.3 數(shù)據(jù)虛實(shí)交互層

考慮到多元信息獲取的隨機(jī)性與多變性，針對(duì)不同方式得到的海量數(shù)據(jù)需進(jìn)行差異化篩選分析，針對(duì)重復(fù)要素以及無效數(shù)據(jù)去除清空，對(duì)缺項(xiàng)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化填補(bǔ)。而且新構(gòu)建的數(shù)據(jù)集與原始數(shù)據(jù)可相互兼容轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)不同階段的調(diào)用與共享。首先依據(jù)各類屬性進(jìn)行數(shù)據(jù)的向量化處理；其次針對(duì)干擾數(shù)據(jù)采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行誤差排除；然后歸類每種屬性目錄下的各類向量，基于時(shí)空對(duì)齊操作獲取結(jié)構(gòu)化完整的大數(shù)據(jù)集［8］。

借助兩個(gè)低維的尺度函數(shù)進(jìn)行二維的分離式函數(shù)構(gòu)建，其中小波函數(shù)以及相應(yīng)的尺度函數(shù)［9］可根據(jù)ψ（x）與φ（y）公式表達(dá)，進(jìn)而方向敏感波為：

ψH（x，y）=ψ（x）φ（y）

ψV（x，y）=ψ（y）φ（x）

ψD（x，y）=ψ（x）ψ（y）（1）

式中：ψH——度量沿列方向的變化；

ψV——度量沿行方向的變化；

ψD——度量對(duì)角線方向的變化。

1.4 智能分析決策層

交互后獲得的感知多源數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行原有態(tài)勢(shì)的評(píng)估操作，并將結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證反饋，針對(duì)原有態(tài)勢(shì)的分析結(jié)果修正以此提高可靠度。基于融合協(xié)作的數(shù)據(jù)可重新進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，更新重組信息庫內(nèi)的各類屬性資源。如果數(shù)據(jù)庫內(nèi)的資源符合算法預(yù)先規(guī)劃的各種約束，可依據(jù)可靠性進(jìn)行更新操作［10-11］。若融合后的數(shù)據(jù)可信力高于原數(shù)據(jù)集則更新舊數(shù)據(jù)，否則保持原系統(tǒng)內(nèi)資源不動(dòng)。基于此種小波融合算法的表達(dá)方式能夠進(jìn)行新舊數(shù)據(jù)之間的信息互補(bǔ)，在設(shè)定的評(píng)估范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)設(shè)計(jì)施工全周期提供了可靠的鑒別庫。其中態(tài)勢(shì)評(píng)估可靠性主要依據(jù)規(guī)則信度來進(jìn)行操作，假設(shè)存在相容的n個(gè)集合Ω1、Ω2、…、Ωn，這些辨識(shí)框架內(nèi)部存在多重異構(gòu)的命題集合，若存在命題集Ai∈Ωi，那么對(duì)應(yīng)映射法則F：A→B且A∈Ωi，B∈Ωj，則Ω1、Ω2、…、Ωn中所規(guī)定的命題可以由規(guī)則F進(jìn)行表述。而組合命題的可信度可表示為：

m*R（c）=

mR（A）×mRi（c）

m（c）×1-m*（A，B）1-m（A，B）（2）

式中：m——根據(jù)映射法則的原始可信度分配值；

m*——根據(jù)映射法則調(diào)整后的可信度值。

2 工程應(yīng)用

以相思洲大橋主橋?yàn)槔?，該橋是一座雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，跨度分別為40 m+170 m+450 m+170 m+40 m。其中，主跨450 m橫跨南汊通航孔，170 m邊跨橫跨相思洲北汊。大橋的主塔承臺(tái)基礎(chǔ)為長(zhǎng)54 m，寬17 m的圓端形承臺(tái)，厚6 m，下有23根直徑2.5 m的鉆孔樁。大橋南北主塔的高度均為147.3 m。主梁采用分離式雙箱組合梁，組合梁中心高度3.5 m，梁的全寬為33.5 m。北岸引橋由預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋組成，而南岸引橋則是鋼混組合連續(xù)梁橋。

從項(xiàng)目設(shè)計(jì)源頭開始進(jìn)行BIM總體應(yīng)用策劃，通過制定項(xiàng)目BIM建模標(biāo)準(zhǔn)、BIM軟件平臺(tái)應(yīng)用方案、協(xié)同方式以及二次開發(fā)等手段，實(shí)現(xiàn)基于“一個(gè)數(shù)據(jù)源、一個(gè)模型”的大跨徑組合梁斜拉橋設(shè)計(jì)施工一體化的BIM融合應(yīng)用。

2.1 實(shí)施方案與建模標(biāo)準(zhǔn)

建模過程中結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)制定項(xiàng)目不同階段BIM模型精度等級(jí)應(yīng)用方案滿足以各階段的實(shí)際需求，避免陷入“過度建模”的誤區(qū)。（1）在方案設(shè)計(jì)階段采用Bentley的OpenRoadsConceptStation作為核心軟件，通過利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生成三維實(shí)景模型重構(gòu)項(xiàng)目工程環(huán)境；同時(shí)結(jié)合PowerCivil、SketchUp等軟件建立起的模型精度為L(zhǎng)OD100的道路、橋梁BIM模型，形成項(xiàng)目的真實(shí)三維場(chǎng)景展示，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目前期階段的快速概念設(shè)計(jì)。（2）在勘察設(shè)計(jì)階段在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用LOD200～LOD300的模型精度分別進(jìn)行詳細(xì)的BIM設(shè)計(jì)。主要采用Bentley的MicroStation作為核心軟件，并結(jié)合OpenRoadsDesigner、ProStructures等專業(yè)軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)造的精細(xì)化設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)、二維出圖等。（3）設(shè)計(jì)完成后根據(jù)需要采用LOD300～LOD400的模型精度對(duì)橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段的深化設(shè)計(jì)，并根據(jù)施工分部分項(xiàng)進(jìn)行EBS編碼分解，應(yīng)用到施工管理階段。

2.2 協(xié)同原則

鑒于目前計(jì)算機(jī)軟硬件的性能，整個(gè)項(xiàng)目使用單一模型文件進(jìn)行工作是不現(xiàn)實(shí)的，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的拆分分別進(jìn)行模型的創(chuàng)建。不同的建模軟件對(duì)模型的處理方式有所不同，且分別有各自的協(xié)同工作解決方案。需根據(jù)實(shí)際的項(xiàng)目需求靈活處理，主要的協(xié)同原則為：（1）采用同一坐標(biāo)系；（2）劃分成員工作范圍，減少工作交叉；（3）設(shè)置成員的工作權(quán)限，建立暢通的反饋機(jī)制；（4）不同的人員建立不同的模型時(shí)建模習(xí)慣要基本一致，圖層、構(gòu)件命名規(guī)則要一致，線條寬度、樣式、顏色要保持一致；（5）對(duì)模型進(jìn)行的更改要做好記錄，記錄項(xiàng)目各階段模型的修改和版本變化，方便復(fù)核管理。

2.3 二次開發(fā)

基于Bentley的MicroStation CONNECT Edition定制開發(fā)本項(xiàng)目的電子沙盤，根據(jù)項(xiàng)目的分部分項(xiàng)對(duì)大橋BIM模型進(jìn)行拆分并賦予編碼及相關(guān)工程屬性，進(jìn)行3D的項(xiàng)目過程管理。同時(shí)利用輕量化工具將項(xiàng)目BIM模型轉(zhuǎn)換格式后上傳到基于Cesium開發(fā)Web GIS端，實(shí)現(xiàn)輕量化的BIM模型信息瀏覽、管理和共享。項(xiàng)目基于同一個(gè)云數(shù)據(jù)庫和先進(jìn)成熟的數(shù)據(jù)架構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)電子沙盤端、Web GIS端及手機(jī)App多個(gè)不同終端平臺(tái)直接對(duì)BIM模型所關(guān)聯(lián)的屬性進(jìn)行管理、檢索和修改。通過BIM與GIS的集成應(yīng)用，最終形成以BIM模型為載體，集資源、工序、進(jìn)度、安全、質(zhì)量管理等于一體的施工管理系統(tǒng)（見圖3～4）。

3 結(jié)語

本文針對(duì)公路特大橋梁設(shè)計(jì)與施工之間二維圖紙向三維信息多維建模存在的困難，研究了設(shè)計(jì)施工“數(shù)字孿生模型”銜接融合技術(shù)，制定了設(shè)計(jì)施工“數(shù)字孿生模型”轉(zhuǎn)換規(guī)則。研發(fā)轉(zhuǎn)換工具完成設(shè)計(jì)施工“數(shù)字孿生模型”無縫銜接，解決設(shè)計(jì)施工信息流轉(zhuǎn)與共享的障礙，滿足工程三維數(shù)字化技術(shù)在不同工程生命階段應(yīng)用的需求。

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