BMS与BIM融合——葡萄牙情景下的观察与思考

在近期的欧洲工程建设领域，有两大理念正在被强制执行：数字化应用和气候变化适应。而对于桥梁管理来说，未来的发展也应当考虑这两个理念。因此，现有的桥梁管理系统（BMS）应该升级，一方面考虑到持续的气候变化的影响，另一方面考虑到预计未来几年的数字化转型。准备BMS数字化转型的第一步，需要对现状及需求进行筛选和定义。关于数字化方法，建筑信息模型（BIM）是必经之路。世界各地正在努力促进BMS的数字化进程。为了改善葡萄牙的现状，促进BMS和BIM的融合，亟需研判现有的形势，找到存在的差距，并提出更快和向可持续转型的想法。

大型基础设施系统，如桥梁、水坝、医院、学校和道路等，是政治和技术讨论中反复出现的主题。由于这些基础设施在整个生命周期中需要大量投资，因此也引出了政治问题。这导致政府和上市公司不断努力调整预算，并建立新的税收，以满足基础设施的需求。

另一方面，技术的进步也源于工程中的实际应用，应该引导技术和创新的实施，以确保基础设施按预期运行，实现预期的功能。

在这两种情况下，政治和工程的决策者们都应该共同努力，并意识到环境和社会方面，与经济一样，是可持续发展的三大支柱。将这项工作融入到葡萄牙的背景下，则需要重点关注当前与有工程突破的已建桥梁的存量管理相关的挑战。为了应对这一挑战，自20世纪90年代末以来，已经开发了几种桥梁管理系统（BMS)。

据笔者所知，目前葡萄牙使用的BMS主要有两种：GOA和SustIMS。这两个系统在桥梁以外的其他交通资产管理中也有应用，但就目前的应用情况而言，它们可以被认为是BMS。

目前，人们认为现有的、完善的和整合的BMS需要升级，以满足与数字化和适应气候变化相关的新要求。这一升级应包括所有利益相关方的共同努力，包括桥梁业主、桥梁管理者、研究和学术机构等。

任何关于建筑行业数字化的提及都会立即导致建筑信息模型(BIM)的引入。BIM是建筑行业的主要话题之一，被认为是支持该行业数字化转型的最合适的选择。因此，目前的工作重点是将现有的BMS与BIM方法集成在一起。这种整合是合乎逻辑的，因为两者都与信息管理有关，这样的结合可以产生基于创新技术的工具和方法，以支持桥梁的生命周期管理。

在1990年代和21世纪初，葡萄牙投入巨资发展交通基础设施，以推动经济增长，正如经济合作与发展组织（OECD）和欧盟所期望的那样。

1994年，葡萄牙交通运输局(Brisa)经历了资产存量的显著增长，这使他们成为葡萄牙桥梁管理系统开发和实施的先驱。后来，在1997年，葡萄牙的一家私人公司Betar启动了第一版GOA桥梁管理系统。

但在那个时候，人们对桥梁管理的关注还很少。不幸的是，2001年葡萄牙北部的Hintze-Ribeiro大桥的倒塌，更加凸显出了管理者们这种意识的低下，并对全国剩余桥梁的安全性提出了许多质疑。在那之后，桥梁管理活动进入了一个新的阶段，有很多机会，新的专业，如桥梁检查，学术机构和该部门的重要代理人之间的合作伙伴关系，等等。这场悲剧也影响了上市公司的运作，参考国家铁路公司规定，主要检查只能由工程师进行。此外，相关的私人公司和国家公路公司都实施了GOA。

如今，只有一家独立的葡萄牙上市公司来管理交通基础设施资产，而这家葡萄牙基础设施公司借鉴国家公路公司的管理流程，使用GOA作为其桥梁管理系统。当前的葡萄牙BMS框架与世界上大多数可用的BMS框架非常相似。

数据库模块是最老的，即在创建BMS时，这是唯一存在的模块。通常情况下，这个模块划分如下：

清单——包含每个资产的一般信息(ID、位置、桥梁类型、结构类型、施工年份、跨数、跨长、总长度、桥面宽度、桥面面积、组件列表、组件类型、组件材料、主要组件的几何特性等)；

检查——统计从日常、主要和水下检查及调查中获得的信息，这些信息随后用于为所有桥梁部件和整个桥梁系统分配状态指数；

存储——记录每个部件可用的维护和维修干预类型的干预措施。这包括要进行的操作、要分配的资源、维护干预措施的成本等详细信息。

系统中的数据库模块对于支持桥梁在整个设计、施工、运营和维护阶段的管理至关重要——所需的所有数据都在其中。然而，重要的是，要强调在葡萄牙，当BMS开始实施时，大多数桥梁已经在使用中。因此，现有桥梁的相关信息缺失，随着对所有桥梁进行新的检查，这一问题正在得到解决。

预测模块由退化/性能模型和成本模型组成。劣化模型允许在一定时期内，预测任何组件的状态。通常，这些都是基于马尔可夫模型，利用数据库中存储的历史条件状态。成本模型基于生命周期成本分析，允许确定不同的成本，即干预、检查和用户成本。

所有模块的成功使用取决于数据库中可用数据的质量，因为它会影响预测和决策过程。优化模块在前一个模块的输出上运行，并应得到质量控制计划的支持，其中定义了阈值要求。在此模块中，用户可以预先定义维护干预计划，也可以使用算法自动生成不同的场景。

当人们认识到，与其他国家相比，葡萄牙的BIM实施仍然非常有限。尽管如此，在过去的几年中，已经进行了许多相关的开发，以尽量减少这种差异。

特别是在2015年，技术委员会在葡萄牙成立。该委员会旨在整个建筑项目生命周期的分类系统、信息建模和过程范围内制定标准化，并跟进CEN/TC442（欧洲标准化委员会关于BIM标准化的发展）。

另一方面，2016年葡萄牙举办了第一届与BIM相关的重要会议PTBIM。此后，该会议每两年举办一次，2022年召开了第四次会议。

为了详细了解葡萄牙在集成BMS和BIM方面的现状，表1提供了对现有工作的概述，并对其进行了进一步讨论。该表的前三列列出了每一次被评审的会议、召开的年份和发表的论文数量。其余的列表示了被过滤并被进一步讨论的感兴趣的论文数量。

表格中的内容首先着眼于更广泛的领域:BIM在建筑物背景下的基础设施建设，维护和检查中的使用(第四列)，以及BIM应用于基础设施管理(第五列)。然后，在第六列中介绍了几篇关于桥梁BIM的论文。最后，明确讨论BMS的论文数量更少，但其中有一篇的内容是与BIM一起讨论的，这是本综述的主要目标。

分析表1中的数字可以看出，与在同一会议上发表的其他论文所讨论的主题相比，对BrIM和桥梁管理系统相关的主题兴趣较低。

BIM在基础设施运维、养护和检查中的应用涉及建筑物和设备的维护。在符合这一标准的工程中，由于人员流量大，建筑物被称为复杂的基础设施，例如医院、购物中心、大学、机场等。BIM方法的实施对于管理建筑物功能所需的设施，如供电、可再生能源的使用、供暖和制冷、供水和废水排放以及通风等，至关重要。仔细研究的话，可以看到有5篇论文专门讨论了BIM在资产管理方面的一般和/或概念讨论，其中一篇论文专门讨论了建筑物，另一篇论文非常简要地提到了桥梁的特殊情况。然而，这其中包含的主要内容涉及建筑物的实际应用，包括大学校园、研究实验室、商业建筑、购物中心及停车场、医院、酒店和几个不同的遗产建筑。

BIM在基础设施管理中的应用，在方法上与前一个类似，即涵盖资产管理方面并提出案例研究。主要的区别在于，现在展示的不是建筑物，而是其他类型的基础设施实例。有一项关于信号塔的研究。四项工程涉及水利基础设施，包括污水处理站、供水网络，甚至还有奥林匹克游泳池。关于这一列的最后五篇论文，提到了交通基础设施。文中讨论了铁路或道路路面的特定应用场景，而Silva等人开发的工作则展示了BIM方法的一系列应用，以展示其在不同类型的交通基础设施（公路、铁路和机场部门）中的潜力。所有这些应用都可以与所谓的数字孪生技术进行比较，因为原位传感器收集的信息被用来为数字模型提供信息。

最后两列，代表了当前工作中感兴趣的BMS与BIM融合，论文数量较少，突出了葡萄牙BMS和BIM的现状。

前面提到的两篇论文是在Bet?o Estrutural会议上提出的，不包括BIM，而只有BMS。第一种是使用GOA桥梁管理系统管理葡萄牙马德拉岛的桥梁。第二篇提出了一个案例研究，讨论了在莱里亚市使用的性能分类方法的发展。该分类方法应用于该市现有的五座不同的桥梁。另外两篇论文提到了桥梁上的BIM,但没有提到BMS，因为它们主要涉及设计阶段。其中一篇讨论了将BIM与可视化编程工具一起使用,通过定义一组参数，然后对其进行处理，来固定桥梁桁架的设计过程。另一篇描述了最近与一家葡萄牙设计公司合作开发的第一批完全无图纸桥梁项目其中的一些细节。

最后一篇要提到的论文是在回顾ptBIM葡萄牙建筑信息模型大会中唯一一篇明确将BMS和BIM联系起来的论文。它展示了使用BIM方法管理桥梁目视检查期间收集的信息的建议，随后在案例研究——钢筋混凝土桥梁中得以实施。该提案包括桥梁建模的原则和规则，开发水平(LOD)，以及在BIM模型中表示损坏/异常的方法。

在检查过程中收集的信息通过新的“实体”建模，旨在表示出观察到的损坏，以及收集的样本信息等。

然而，由于存在大量的模式（例如裂纹发展），损伤的真实几何表示难以合并，因此这篇论文作者的建议是基于这样的假设，即在检查过程中，真实几何的表示是不相关的。

这一假设使我们能够在模型中均匀地表征损伤，并简化了检查团队的数据导入。异常和损伤用符号矩形表示，如图1(a)所示。如图1(b)所示，不同的颜色与不同的损伤相关联，其中红色代表腐蚀，绿色代表混凝土的生物定植。从与组件链接的图像中观察到损伤演变，信息应由检查人员手动更新。

基于激光扫描得到的点云，建立BIM模型。此外，通过虚拟球状元素将360?全景图片添加到BIM模型中，如图1(c)所示。这些元素包含属性“URL”，这应该是访问云中存储库的链接。之后，在完成BIM模型后，使用免费的BIM查看器访问所有信息。

(a) BIM对象(补丁)

(b) BIM模型中的损伤表示

(c) 用于存储检查图像的说明性区域

提案中描述的技术

如开头段落中所述，葡萄牙使用的主要桥梁管理系统BMS是GOA。因此，将BMS升级为BIM集成，应该会使当前的葡萄牙现状向前发展。

在这种背景下，由Betar (GOA的所有者)领导的一个财团，包括葡萄牙米尼奥大学，发起了一项名为“GOA.BI”的研究项目。旨在将GOA BMS与BIM方法集成在一起。

本项目将重新审视整个桥梁管理流程，确定与GOA系统的信息交换、信息交换发生的时刻以及这些过程中涉及的利益相关者。这将允许开发新的基于数字的工作方法，以便支持整个桥梁管理流程并针对桥梁数字模型。

预计不久，GOA中可以使用BIM模型，特别是在新桥项目中。同样，预计将利用GOA的大型数据库为现有桥梁提供BIM模型，因为它们在未来会进入维养阶段。

总体来说，葡萄牙正在使用BIM方法来支持包括桥梁在内的不同基础设施的生命周期管理；同时，在世界上最重要的BMS中包含了与之前BMS相同的功能和模块，但BMS与BIM的集成仍处于早期阶段；但在近年来众多的项目中，只有一个项目是应用了BMS和BIM集成的。因此，BIM将成为下一代BMS的核心，相关研究项目也已在进行中。可以说，BIM和BMS的集成对于实现期望已久的数字孪生至关重要，这些数字孪生集成了从安装的传感器实时收集的不同类型的数据。