近年來(lái)，隨著(zhù)‘交通強國’‘數字中國’‘平安百年品質(zhì)工程’‘公路數字化轉型及智慧公路’ 等國家戰略的部署實(shí)施，中國橋梁產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化、數字化、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)公路數字轉型、加快智慧公路建設發(fā)展的意見(jiàn)》，明確提出發(fā)展目標的首要任務(wù)之一是構建公路設計、施工、養護、運營(yíng)全過(guò)程的“一套模型、一套數據”，即“建養一體化”。

“建養一體化”是重塑橋梁全產(chǎn)業(yè)鏈的重要技術(shù)手段。伴隨著(zhù)時(shí)代進(jìn)步及管理理念的升級，從早期的“重建輕養”逐漸轉變至“建養并重”，最終實(shí)現“建、管、養、運”全面協(xié)調發(fā)展?！敖B一體化”不僅局限于數字化和軟件系統層面的革新，更重要的是包含了“建養并重”的管理理念、長(cháng)壽命設計理論等多個(gè)維度。本文主要在建養一體化框架下，探討橋梁建養全過(guò)程信息融合、數字化應用、系統平臺等方面的發(fā)展方向。

一、現狀與不足

建養一體化信息治理、融合及數字化場(chǎng)景應用構成了橋梁智能建養一體化的基礎。然而，橋梁工程在設計、施工和運維數字化轉型升級及全生命周期數據利用方面，仍面臨眾多技術(shù)挑戰。

1、在數字化設計方面

雖然BIM設計技術(shù)及軟件發(fā)展迅速，并依托重大橋梁工程實(shí)踐推動(dòng)了設計數字化進(jìn)程，但基礎BIM軟件國產(chǎn)化不足，以及BIM設計中未能實(shí)現數字化交付，導致BIM設計的提質(zhì)增效作用有限。在設計理論及方法層面，已經(jīng)逐步完成了由容許應力法到極限狀態(tài)法的轉變，基于性能的設計方法也開(kāi)始得到應用，可持續設計與全壽命設計理念已達成廣泛共識。然而，目前在人工智能飛速發(fā)展的時(shí)代，基于人工智能算法的多目標優(yōu)化設計、韌性設計及長(cháng)壽命設計理論與方法仍需突破。

2、在工業(yè)化建造方面

針對預制混凝土結構和鋼結構，深化設計及加工制造一體化水平不斷提升，鋼板件單元已實(shí)現全自動(dòng)制造。但是，受限于結構特點(diǎn)，混凝土結構/組合結構的標準化設計、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(chǎng)景化應用，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施工組織模式和建造場(chǎng)景的復雜，工業(yè)化智能建造的場(chǎng)景應用不足，無(wú)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(kāi)展了實(shí)踐應用，但基于工程物聯(lián)的在線(xiàn)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(lài)傳統方式。

3、在智能化管養方面

隨著(zhù)橋梁監測、檢測技術(shù)逐步精細化、智能化、集成化，健康監測和養護系統廣泛應用。然而，數據標準尚未建立，監檢測數據融合能力不足，難以支撐數據驅動(dòng)的橋梁管養評估。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A(yíng)I算法的智能評估技術(shù)相對落后，在線(xiàn)數字孿生評估決策技術(shù)亟需突破。防護技術(shù)實(shí)現了“從被動(dòng)到主動(dòng)”的轉變 ，維修處置及性能提升手段日趨多樣。但是，維修加固及預防性養護主要依賴(lài)工程實(shí)施，數字化水平不足，未有效融入管養數據鏈。

4、在建養一體化方面

盡管已有一些相關(guān)單位初步研發(fā)了基于BIM的建養一體化技術(shù)，探索了建養全過(guò)程信息共享和動(dòng)態(tài)模擬，但大部分橋梁工程建養信息仍存在脫節，系統平臺建養一體化數據集成能力不足。此外，在數字底座和性能評估方面，雖然發(fā)布了工程信息模型應用行業(yè)標準，初步開(kāi)展了數據驅動(dòng)的養護評估，但建養一體化數據治理能力不足，缺乏能夠有效支撐精準養護的建養一體化數字底座。

二、初步實(shí)踐

針對上述種種不足，結合一些科研項目、咨詢(xún)項目和技術(shù)服務(wù)項目，筆者團隊也開(kāi)展了一系列的技術(shù)研發(fā)及應用實(shí)踐，旨在探索和解決建養一體化過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，進(jìn)一步完善和提升橋梁建養一體化信息融合和數字化應用水平。

1、數字化設計

在科研層面，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計劃在開(kāi)展探索建立基于“數據/知識”雙驅動(dòng)的多目標優(yōu)化智能設計理論方法與算法，初步構建了橋梁智能設計體系。從狹義上來(lái)說(shuō)，數字化設計，目前工程實(shí)踐較多的就是BIM設計。過(guò)去幾年中，筆者團隊有四五十個(gè)項目實(shí)踐，其中不同項目、不同建設管理單位對設計深度的要求各不相同?？偟膩?lái)說(shuō)，數字化設計的核心問(wèn)題，一是盡可能提升設計效率、質(zhì)量；二是從建養一體化角度考慮，建立自己的設計參數庫，實(shí)現參數化設計，把設計信息數據化，而不僅僅是最終呈現一個(gè)模型或者一套圖紙。

具體來(lái)說(shuō)，在基礎設計方面，要實(shí)現勘察信息數據化，要建立自己的地質(zhì)信息數據庫，要實(shí)現數據平臺化管理?？梢暬皇浅尸F方式?；诖?，團隊基于多鉆孔地質(zhì)數據地層坐標擬合生成算法、復雜地質(zhì)坐標數據生成BIM地質(zhì)模型算法，初步實(shí)現了三維地質(zhì)模型的自動(dòng)創(chuàng )建。同時(shí)，開(kāi)展樁基自動(dòng)化設計，開(kāi)發(fā)墩位地質(zhì)層數據提取，結合樁基承載力計算，設計人員可通過(guò)交互操作，獲取即時(shí)計算的承載力。同時(shí)反饋樁長(cháng)、樁徑信息，并同步創(chuàng )建BIM結構模型輔助出圖，設計信息同步進(jìn)行數據化存儲。

此外，結合墩柱開(kāi)展正向設計，特別針對跨海長(cháng)距離引橋或者長(cháng)距離高架橋的大規模墩柱設計。設計人員需要不斷設計參數調整和計算分析驗證，此部分工作量比較大，如何實(shí)現批量化的數字化結構設計及配筋，是設計過(guò)程面臨的一個(gè)痛點(diǎn)。

在上部結構設計中，中小跨橋梁的主要問(wèn)題是標準化。針對大跨橋梁，設計面臨的問(wèn)題是方案頻繁變動(dòng),塔、梁和索錨固端結構復雜。其核心問(wèn)題在于梳理清楚結構設計關(guān)鍵參數的幾何關(guān)系、邏輯關(guān)系。解決這些問(wèn)題的核心在于清晰定義結構設計的關(guān)鍵參數及其幾何和邏輯關(guān)系，這對于后續的參數調整及模型變動(dòng)和出圖效率至關(guān)重要。

例如，針對不同類(lèi)型鋼箱梁，無(wú)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，建立參數化模型實(shí)現快速設計。針對索塔結構（以獅子洋鋼混組合索塔結構為例），超過(guò)60個(gè)節段，其參數類(lèi)似、截面連續變化，二維設計出圖效率低，基于參數化、模塊化思路開(kāi)發(fā)正向設計模塊，實(shí)現了初步設計、技術(shù)設計和修編階段的快速出圖，累計生成了超過(guò)一萬(wàn)張一步到位的圖紙。對于中小跨橋梁，主要采用標準化、批量化自動(dòng)設計方法，例如，基于箱梁通用圖，根據設計中線(xiàn)和樁號參數，自動(dòng)布跨。

研發(fā)思路強調插件化開(kāi)發(fā)，以提升設計的效率和精確性，重要的是能夠從數據出發(fā)，保留關(guān)鍵設計參數至數據庫，以便向下一階段傳遞。此外，團隊也在探討完全的程序化設計和代碼生成模式，這一模式將提供更高的設計自由度和數字化水平，但它要求大量前期的數據和程序模塊積累。這些設計方法以設計數據和參數關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，不僅僅是從二維到三維的轉變，而是更重視關(guān)鍵設計參數及其邏輯關(guān)系的標準化，通過(guò)平臺數據庫支持，實(shí)現數模分離和數字化交付。

2、工業(yè)化建造

在預制結構工業(yè)化制造領(lǐng)域，特別是鋼結構及混凝土結構方面，深化設計與加工制造的一體化已經(jīng)得到廣泛應用?；炷令A制結構，特別是中小跨橋梁的預制梁，現在依托流水化生產(chǎn)線(xiàn)打造智慧梁廠(chǎng)，其中流水化生產(chǎn)線(xiàn)需要設計標準化去支撐。所以，面向工業(yè)化智能建造需求，要以工業(yè)化生產(chǎn)反饋標準化設計。

標準化涉及跨徑、梁類(lèi)型、構造以及鋼筋布置。以預制小箱梁鋼筋為例，鋼筋工業(yè)化建造的一個(gè)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”，這要求在設計階段就考慮適合工廠(chǎng)化預制的部件拆分方案。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(shí)踐，我們開(kāi)展了預制節段梁、小箱梁的鋼筋深化設計。

在智慧梁廠(chǎng)方面，圍繞T梁、預制小箱梁、節段拼裝箱梁的預制工藝，開(kāi)發(fā)了梁廠(chǎng)系統，實(shí)現了預制工序及質(zhì)量參數的全過(guò)程管控，采集到的物聯(lián)數據為質(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備，可以直接采集到實(shí)時(shí)澆筑振搗、蒸養張拉過(guò)程的控制參數，跟蹤制梁過(guò)程的質(zhì)量指標。同時(shí)，我們也在嘗試通過(guò)梁廠(chǎng)中樞平臺來(lái)控制關(guān)鍵工裝設備運行，比如振搗順序、頻率、時(shí)間以及運料、下料合理速度等，避免這些關(guān)鍵參數作業(yè)班組主觀(guān)出錯導致生產(chǎn)質(zhì)量缺陷。

在智慧工地建設方面，重點(diǎn)是實(shí)現材料溯源及質(zhì)量追溯，結合地磅、實(shí)驗室及拌和站等，實(shí)現物料質(zhì)量追溯，為運營(yíng)期交付提供支持。在BIM協(xié)同管理方面，一些項目已經(jīng)實(shí)現業(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，獲取電子化質(zhì)保資料，將其作為建設期關(guān)鍵數據傳遞給運營(yíng)期。

在安全監控方面，主要是結構監控信息方面，追蹤建設期結構實(shí)際性能演變，獲取運營(yíng)期的結構基準狀態(tài)信息。筆者團隊依托集團級橋梁施工安全監控平臺建設，以分部分項施工過(guò)程為主線(xiàn)建立施工流程庫、風(fēng)險庫，研究風(fēng)險到事故的轉化條件建立監測指標庫，可以對接現場(chǎng)多源渠道的監控量測數據，重點(diǎn)是聚焦關(guān)鍵安全監測數據。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(zhuān)項評估等方面建立橋梁施工安全動(dòng)態(tài)評估技術(shù)體系。系統面向集團及二三級公司、項目部不同層級，滿(mǎn)足橋梁基本信息管理、關(guān)鍵數據采集、安全評估及預警等需求。目前筆者單位正在進(jìn)行培訓試點(diǎn)工作。

3、智能化管養 

在數據標準方面，依托一些大橋的數字養護科研項目，逐步從構件參數、損傷參數、作用及響應參數等方面構建了面向數字管養的數據標準體系，主要包括編碼體系和性能參數體系。在數據傳遞方面，以BIM模型為載體，編碼為紐帶，初步建立了業(yè)務(wù)流、數據流及模型的縱向傳遞流程和方法。在數據承載方面，針對病害可視化管理，建立了BIM+VR病害融合可視化流程，開(kāi)發(fā)了病害大數據管理系統，依托可視化模型動(dòng)態(tài)展現病害時(shí)空信息，并實(shí)現病害的長(cháng)期演化分析。

在災害精細化防控方面，研發(fā)了橋梁風(fēng)致災害監測及評估預警技術(shù)，構建了監測-模擬-評價(jià)-預警一體化災害預報預警系統，實(shí)現特種災害的精細化防控。在專(zhuān)項在線(xiàn)評估方面，正在逐步搭建各關(guān)鍵結構和構件性能在線(xiàn)專(zhuān)項評估模塊，突破傳統離線(xiàn)評估的時(shí)效性低、大數據分析能力不足等問(wèn)題，支撐數字大橋的在線(xiàn)評估決策。

4、建養一體化

基于數字化設計、工業(yè)化建造、智能化養護的科研成果和工程實(shí)踐，初步實(shí)現了工程建養全生命周期的信息集成，初步開(kāi)發(fā)了橋梁建養一體化平臺，探索工程全生命周期信息融合及場(chǎng)景化應用。一方面是具體設計、施工和養護的階段性應用；另一方面是跨階段的數據應用，比如基于建養一體化拉吊索長(cháng)期性能數據的養護評估。

三、發(fā)展與展望

在橋梁建養一體化以及數字化轉型的背景下，通過(guò)技術(shù)研發(fā)和實(shí)踐探索，筆者總結了以下觀(guān)點(diǎn)。

1、數據標準與數字底座的構建：為實(shí)現橋梁建養一體化，需構建數字底座，提升數據治理及共享服務(wù)能力。數據標準是基礎，數據缺乏標準化就難以存儲和深入處理；而數字底座是統籌多源數據、挖掘數據價(jià)值的中樞平臺。橋梁工程涉及眾多參與方，數據標準和數字底座的缺失導致信息無(wú)法貫通，影響數據的有效利用。

2、設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(guò)程數字化、智能化設計技術(shù)體系，將建養一體化反饋至設計初期。設計不僅是工程的靈魂，更是實(shí)現建養一體化、提升工程質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。

3、數字橋梁技術(shù)體系的構建：推進(jìn)數字橋梁技術(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，充分體現建養一體化信息融合的價(jià)值。這一技術(shù)體系旨在實(shí)現橋梁的實(shí)時(shí)監測、評估與智能維護，提高安全性和經(jīng)濟性。

4、場(chǎng)景化應用的落地：將數字化技術(shù)應用于具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，以需求導向和目標導向為基礎，實(shí)現橋梁關(guān)鍵構件性能的全面評估。通過(guò)數據驅動(dòng)的算法模型集成，實(shí)現剩余壽命評估或反饋控制干預，支撐橋梁的智能化養護，確保其長(cháng)期安全運營(yíng)。