智能建养不止于数字化

近年来，随着‘交通强国’‘数字中国’‘平安百年品质工程’‘公路数字化转型及智慧公路’ 等国家战略的部署实施，中国桥梁产业的工业化、数字化、智能化发展路径进一步明晰。
2023年9月，交通运输部发布的《关于推进公路数字转型、加快智慧公路建设发展的意见》，明确提出发展目标的首要任务之一是构建公路设计、施工、养护、运营全过程的“一套模型、一套数据”，即“建养一体化”。
“建养一体化”是重塑桥梁全产业链的重要技术手段。伴随着时代进步及管理理念的升级，从早期的“重建轻养”逐渐转变至“建养并重”，最终实现“建、管、养、运”全面协调发展。“建养一体化”不仅局限于数字化和软件系统层面的革新，更重要的是包含了“建养并重”的管理理念、长寿命设计理论等多个维度。本文主要在建养一体化框架下，探讨桥梁建养全过程信息融合、数字化应用、系统平台等方面的发展方向。

现状与不足

建养一体化信息治理、融合及数字化场景应用构成了桥梁智能建养一体化的基础。然而，桥梁工程在设计、施工和运维数字化转型升级及全生命周期数据利用方面，仍面临众多技术挑战。

在数字化设计方面

虽然BIM设计技术及软件发展迅速，并依托重大桥梁工程实践推动了设计数字化进程，但基础BIM软件国产化不足，以及BIM设计中未能实现数字化交付，导致BIM设计的提质增效作用有限。
在设计理论及方法层面，已经逐步完成了由容许应力法到极限状态法的转变，基于性能的设计方法也开始得到应用，可持续设计与全寿命设计理念已达成广泛共识。然而，目前在人工智能飞速发展的时代，基于人工智能算法的多目标优化设计、韧性设计及长寿命设计理论与方法仍需突破。

在工业化建造方面

针对预制混凝土结构和钢结构，深化设计及加工制造一体化水平不断提升，钢板件单元已实现全自动制造。但是，受限于结构特点，混凝土结构/组合结构的标准化设计、工业化制造及安装一体化方面的考虑仍显不足。
此外，智慧工地及智慧建造逐渐突破场景化应用，桥梁智能建造技术及装备研发不断精进。但受限于桥梁工程的传统施工组织模式和建造场景的复杂，工业化智能建造的场景应用不足，无人化和高质量建造仍需突破。
在施工协同管理方面，形成了基于业财档一体化的施工BIM协同管理理念，并依托重大工程开展了实践应用，但基于工程物联的在线质保资料电子化档案交付尚未成熟，交竣工模式仍主要依赖传统方式。

在智能化管养方面

随着桥梁监测、检测技术逐步精细化、智能化、集成化，健康监测和养护系统广泛应用。然而，数据标准尚未建立，监检测数据融合能力不足，难以支撑数据驱动的桥梁管养评估。
桥梁评估决策技术发展迅速，针对大跨桥梁的评估综合性逐渐提升。但基于AI算法的智能评估技术相对落后，在线数字孪生评估决策技术亟需突破。
防护技术实现了“从被动到主动”的转变 ，维修处置及性能提升手段日趋多样。但是，维修加固及预防性养护主要依赖工程实施，数字化水平不足，未有效融入管养数据链。

在建养一体化方面

尽管已有一些相关单位初步研发了基于BIM的建养一体化技术，探索了建养全过程信息共享和动态模拟，但大部分桥梁工程建养信息仍存在脱节，系统平台建养一体化数据集成能力不足。
此外，在数字底座和性能评估方面，虽然发布了工程信息模型应用行业标准，初步开展了数据驱动的养护评估，但建养一体化数据治理能力不足，缺乏能够有效支撑精准养护的建养一体化数字底座。

初步实践

针对上述种种不足，结合一些科研项目、咨询项目和技术服务项目，笔者团队也开展了一系列的技术研发及应用实践，旨在探索和解决建养一体化过程中的关键技术问题，进一步完善和提升桥梁建养一体化信息融合和数字化应用水平。

数字化设计

在科研层面，依托国家重点研发计划在开展探索建立基于“数据/知识”双驱动的多目标优化智能设计理论方法与算法，初步构建了桥梁智能设计体系。
从狭义上来说，数字化设计，目前工程实践较多的就是BIM设计。过去几年中，笔者团队有四五十个项目实践，其中不同项目、不同建设管理单位对设计深度的要求各不相同。总的来说，数字化设计的核心问题，一是尽可能提升设计效率、质量；二是从建养一体化角度考虑，建立自己的设计参数库，实现参数化设计，把设计信息数据化，而不仅仅是最终呈现一个模型或者一套图纸。
具体来说，在基础设计方面，要实现勘察信息数据化，要建立自己的地质信息数据库，要实现数据平台化管理。可视化只是呈现方式。基于此，团队基于多钻孔地质数据地层坐标拟合生成算法、复杂地质坐标数据生成BIM地质模型算法，初步实现了三维地质模型的自动创建。同时，开展桩基自动化设计，开发墩位地质层数据提取，结合桩基承载力计算，设计人员可通过交互操作，获取即时计算的承载力。同时反馈桩长、桩径信息，并同步创建BIM结构模型辅助出图，设计信息同步进行数据化存储。
此外，结合墩柱开展正向设计，特别针对跨海长距离引桥或者长距离高架桥的大规模墩柱设计。设计人员需要不断设计参数调整和计算分析验证，此部分工作量比较大，如何实现批量化的数字化结构设计及配筋，是设计过程面临的一个痛点。
在上部结构设计中，中小跨桥梁的主要问题是标准化。针对大跨桥梁，设计面临的问题是方案频繁变动,塔、梁和索锚固端结构复杂。其核心问题在于梳理清楚结构设计关键参数的几何关系、逻辑关系。解决这些问题的核心在于清晰定义结构设计的关键参数及其几何和逻辑关系，这对于后续的参数调整及模型变动和出图效率至关重要。
例如，针对不同类型钢箱梁，无论整体式或分体式钢箱梁，主梁钢壳、横隔板、风嘴、纵隔板和吊耳参数存在一定的关联性，综合考虑几何相关性处理和经验性处理，建立参数化模型实现快速设计。针对索塔结构（以狮子洋钢混组合索塔结构为例），超过60个节段，其参数类似、截面连续变化，二维设计出图效率低，基于参数化、模块化思路开发正向设计模块，实现了初步设计、技术设计和修编阶段的快速出图，累计生成了超过一万张一步到位的图纸。对于中小跨桥梁，主要采用标准化、批量化自动设计方法，例如，基于箱梁通用图，根据设计中线和桩号参数，自动布跨。
研发思路强调插件化开发，以提升设计的效率和精确性，重要的是能够从数据出发，保留关键设计参数至数据库，以便向下一阶段传递。此外，团队也在探讨完全的程序化设计和代码生成模式，这一模式将提供更高的设计自由度和数字化水平，但它要求大量前期的数据和程序模块积累。
这些设计方法以设计数据和参数关系为出发点，不仅仅是从二维到三维的转变，而是更重视关键设计参数及其逻辑关系的标准化，通过平台数据库支持，实现数模分离和数字化交付。

工业化建造

在预制结构工业化制造领域，特别是钢结构及混凝土结构方面，深化设计与加工制造的一体化已经得到广泛应用。
混凝土预制结构，特别是中小跨桥梁的预制梁，现在依托流水化生产线打造智慧梁厂，其中流水化生产线需要设计标准化去支撑。所以，面向工业化智能建造需求，要以工业化生产反馈标准化设计。
标准化涉及跨径、梁类型、构造以及钢筋布置。以预制小箱梁钢筋为例，钢筋工业化建造的一个方向是部品安装，钢筋骨架的工业化快速成型采用“钢筋骨架拆解-钢筋部品制作-钢筋骨架组装”，这要求在设计阶段就考虑适合工厂化预制的部件拆分方案。到底是钢筋笼方案，还是三网片方案或者四网片方案？基于这些项目实践，我们开展了预制节段梁、小箱梁的钢筋深化设计。
在智慧梁厂方面，围绕T梁、预制小箱梁、节段拼装箱梁的预制工艺，开发了梁厂系统，实现了预制工序及质量参数的全过程管控，采集到的物联数据为质保资料填报提供了底层支撑。在工业化生产方面，特别是一些智慧工装设备，可以直接采集到实时浇筑振捣、蒸养张拉过程的控制参数，跟踪制梁过程的质量指标。同时，我们也在尝试通过梁厂中枢平台来控制关键工装设备运行，比如振捣顺序、频率、时间以及运料、下料合理速度等，避免这些关键参数作业班组主观出错导致生产质量缺陷。
在智慧工地建设方面，重点是实现材料溯源及质量追溯，结合地磅、实验室及拌和站等，实现物料质量追溯，为运营期交付提供支持。
在BIM协同管理方面，一些项目已经实现业财档一体化管理，进度、质量、计量及档案协同管理。对接不同的质量管理系统，获取电子化质保资料，将其作为建设期关键数据传递给运营期。
在安全监控方面，主要是结构监控信息方面，追踪建设期结构实际性能演变，获取运营期的结构基准状态信息。笔者团队依托集团级桥梁施工安全监控平台建设，以分部分项施工过程为主线建立施工流程库、风险库，研究风险到事故的转化条件建立监测指标库，可以对接现场多源渠道的监控量测数据，重点是聚焦关键安全监测数据。在施工安全评估方面，从总体风险评估、安全技术管理、专项评估等方面建立桥梁施工安全动态评估技术体系。系统面向集团及二三级公司、项目部不同层级，满足桥梁基本信息管理、关键数据采集、安全评估及预警等需求。目前笔者单位正在进行培训试点工作。

智能化管养

在数据标准方面，依托一些大桥的数字养护科研项目，逐步从构件参数、损伤参数、作用及响应参数等方面构建了面向数字管养的数据标准体系，主要包括编码体系和性能参数体系。
在数据传递方面，以BIM模型为载体，编码为纽带，初步建立了业务流、数据流及模型的纵向传递流程和方法。
在数据承载方面，针对病害可视化管理，建立了BIM+VR病害融合可视化流程，开发了病害大数据管理系统，依托可视化模型动态展现病害时空信息，并实现病害的长期演化分析。
在灾害精细化防控方面，研发了桥梁风致灾害监测及评估预警技术，构建了监测-模拟-评价-预警一体化灾害预报预警系统，实现特种灾害的精细化防控。
在专项在线评估方面，正在逐步搭建各关键结构和构件性能在线专项评估模块，突破传统离线评估的时效性低、大数据分析能力不足等问题，支撑数字大桥的在线评估决策。

建养一体

基于数字化设计、工业化建造、智能化养护的科研成果和工程实践，初步实现了工程建养全生命周期的信息集成，初步开发了桥梁建养一体化平台，探索工程全生命周期信息融合及场景化应用。一方面是具体设计、施工和养护的阶段性应用；另一方面是跨阶段的数据应用，比如基于建养一体化拉吊索长期性能数据的养护评估。

发展与展望

在桥梁建养一体化以及数字化转型的背景下，通过技术研发和实践探索，笔者总结了以下观点。
数据标准与数字底座的构建：为实现桥梁建养一体化，需构建数字底座，提升数据治理及共享服务能力。数据标准是基础，数据缺乏标准化就难以存储和深入处理；而数字底座是统筹多源数据、挖掘数据价值的中枢平台。桥梁工程涉及众多参与方，数据标准和数字底座的缺失导致信息无法贯通，影响数据的有效利用。
设计阶段的反馈与全生命周期技术体系：建立基于全生命周期理念的全过程数字化、智能化设计技术体系，将建养一体化反馈至设计初期。设计不仅是工程的灵魂，更是实现建养一体化、提升工程质量和效率的关键。
数字桥梁技术体系的构建：推进数字桥梁技术体系的发展，突破综合感知、孪生诊断及反馈控制的技术瓶颈，充分体现建养一体化信息融合的价值。这一技术体系旨在实现桥梁的实时监测、评估与智能维护，提高安全性和经济性。
场景化应用的落地：将数字化技术应用于具体的业务场景，以需求导向和目标导向为基础，实现桥梁关键构件性能的全面评估。通过数据驱动的算法模型集成，实现剩余寿命评估或反馈控制干预，支撑桥梁的智能化养护，确保其长期安全运营。


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