近年來，隨著‘交通強國’‘數字中國’‘平安百年品質工程’‘公路數字化轉型及智慧公路’ 等國家戰(zhàn)略的部署實施，中國橋梁產業(yè)的工業(yè)化、數字化、智能化發(fā)展路徑進一步明晰。2023年9月，交通運輸部發(fā)布的《關于推進公路數字轉型、加快智慧公路建設發(fā)展的意見》，明確提出發(fā)展目標的首要任務之一是構建公路設計、施工、養(yǎng)護、運營全過程的“一套模型、一套數據”，即“建養(yǎng)一體化”。

“建養(yǎng)一體化”是重塑橋梁全產業(yè)鏈的重要技術手段。伴隨著時代進步及管理理念的升級，從早期的“重建輕養(yǎng)”逐漸轉變至“建養(yǎng)并重”，最終實現“建、管、養(yǎng)、運”全面協調發(fā)展。“建養(yǎng)一體化”不僅局限于數字化和軟件系統(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、數字化應用、系統(tǒng)平臺等方面的發(fā)展方向。

一、現狀與不足

建養(yǎng)一體化信息治理、融合及數字化場景應用構成了橋梁智能建養(yǎng)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，仍面臨眾多技術挑戰(zhàn)。

1、在數字化設計方面

雖然BIM設計技術及軟件發(fā)展迅速，并依托重大橋梁工程實踐推動了設計數字化進程，但基礎BIM軟件國產化不足，以及BIM設計中未能實現數字化交付，導致BIM設計的提質增效作用有限。在設計理論及方法層面，已經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始得到應用，可持續(xù)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)展的時代，基于人工智能算法的多目標優(yōu)化設計、韌性設計及長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，鋼板件單元已實現全自動制造。但是，受限于結構特點，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景化應用，橋梁智能建造技術及裝備研發(fā)不斷精進。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雜，工業(yè)化智能建造的場景應用不足，無人化和高質量建造仍需突破。在施工協同管理方面，形成了基于業(yè)財檔一體化的施工BIM協同管理理念，并依托重大工程開展了實踐應用，但基于工程物聯的在線質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、檢測技術逐步精細化、智能化、集成化，健康監(jiān)測和養(yǎng)護系統(tǒng)廣泛應用。然而，數據標準尚未建立，監(jiān)檢測數據融合能力不足，難以支撐數據驅動的橋梁管養(yǎng)評估。橋梁評估決策技術發(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相對落后，在線數字孿生評估決策技術亟需突破。防護技術實現了“從被動到主動”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(yǎng)護主要依賴工程實施，數字化水平不足，未有效融入管養(yǎng)數據鏈。

4、在建養(yǎng)一體化方面

盡管已有一些相關單位初步研發(fā)了基于BIM的建養(yǎng)一體化技術，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，初步開展了數據驅動的養(yǎng)護評估，但建養(yǎng)一體化數據治理能力不足，缺乏能夠有效支撐精準養(yǎng)護的建養(yǎng)一體化數字底座。

二、初步實踐

針對上述種種不足，結合一些科研項目、咨詢項目和技術服務項目，筆者團隊也開展了一系列的技術研發(fā)及應用實踐，旨在探索和解決建養(yǎng)一體化過程中的關鍵技術問題，進一步完善和提升橋梁建養(yǎng)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，依托國家重點研發(fā)計劃在開展探索建立基于“數據/知識”雙驅動的多目標優(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。從狹義上來說，數字化設計，目前工程實踐較多的就是BIM設計。過去幾年中，筆者團隊有四五十個項目實踐，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。總的來說，數字化設計的核心問題，一是盡可能提升設計效率、質量；二是從建養(yǎng)一體化角度考慮，建立自己的設計參數庫，實現參數化設計，把設計信息數據化，而不僅僅是最終呈現一個模型或者一套圖紙。

具體來說，在基礎設計方面，要實現勘察信息數據化，要建立自己的地質信息數據庫，要實現數據平臺化管理。可視化只是呈現方式。基于此，團隊基于多鉆孔地質數據地層坐標擬合生成算法、復雜地質坐標數據生成BIM地質模型算法，初步實現了三維地質模型的自動創(chuàng)建。同時，開展樁基自動化設計，開發(fā)墩位地質層數據提取，結合樁基承載力計算，設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結構模型輔助出圖，設計信息同步進行數據化存儲。

此外，結合墩柱開展正向設計，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，如何實現批量化的數字化結構設計及配筋，是設計過程面臨的一個痛點。

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

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、風嘴、縱隔板和吊耳參數存在一定的關聯性，綜合考慮幾何相關性處理和經驗性處理，建立參數化模型實現快速設計。針對索塔結構（以獅子洋鋼混組合索塔結構為例），超過60個節(jié)段，其參數類似、截面連續(xù)變化，二維設計出圖效率低，基于參數化、模塊化思路開發(fā)正向設計模塊，實現了初步設計、技術設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，主要采用標準化、批量化自動設計方法，例如，基于箱梁通用圖，根據設計中線和樁號參數，自動布跨。

研發(fā)思路強調插件化開發(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系為出發(fā)點，不僅僅是從二維到三維的轉變，而是更重視關鍵設計參數及其邏輯關系的標準化，通過平臺數據庫支持，實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得到廣泛應用。混凝土預制結構，特別是中小跨橋梁的預制梁，現在依托流水化生產線打造智慧梁廠，其中流水化生產線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)化生產反饋標準化設計。

標準化涉及跨徑、梁類型、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化預制的部件拆分方案。到底是鋼筋籠方案，還是三網片方案或者四網片方案？基于這些項目實踐，我們開展了預制節(jié)段梁、小箱梁的鋼筋深化設計。

在智慧梁廠方面，圍繞T梁、預制小箱梁、節(jié)段拼裝箱梁的預制工藝，開發(fā)了梁廠系統(tǒng)，實現了預制工序及質量參數的全過程管控，采集到的物聯數據為質保資料填報提供了底層支撐。在工業(yè)化生產方面，特別是一些智慧工裝設備，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，跟蹤制梁過程的質量指標。同時，我們也在嘗試通過梁廠中樞平臺來控制關鍵工裝設備運行，比如振搗順序、頻率、時間以及運料、下料合理速度等，避免這些關鍵參數作業(yè)班組主觀出錯導致生產質量缺陷。

在智慧工地建設方面，重點是實現材料溯源及質量追溯，結合地磅、實驗室及拌和站等，實現物料質量追溯，為運營期交付提供支持。在BIM協同管理方面，一些項目已經實現業(yè)財檔一體化管理，進度、質量、計量及檔案協同管理。對接不同的質量管理系統(tǒng)，獲取電子化質保資料，將其作為建設期關鍵數據傳遞給運營期。

在安全監(jiān)控方面，主要是結構監(jiān)控信息方面，追蹤建設期結構實際性能演變，獲取運營期的結構基準狀態(tài)信息。筆者團隊依托集團級橋梁施工安全監(jiān)控平臺建設，以分部分項施工過程為主線建立施工流程庫、風險庫，研究風險到事故的轉化條件建立監(jiān)測指標庫，可以對接現場多源渠道的監(jiān)控量測數據，重點是聚焦關鍵安全監(jiān)測數據。在施工安全評估方面，從總體風險評估、安全技術管理、專項評估等方面建立橋梁施工安全動態(tài)評估技術體系。系統(tǒng)面向集團及二三級公司、項目部不同層級，滿足橋梁基本信息管理、關鍵數據采集、安全評估及預警等需求。目前筆者單位正在進行培訓試點工作。

3、智能化管養(yǎng) 

在數據標準方面，依托一些大橋的數字養(yǎng)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(yǎng)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，開發(fā)了病害大數據管理系統(tǒng)，依托可視化模型動態(tài)展現病害時空信息，并實現病害的長期演化分析。

在災害精細化防控方面，研發(fā)了橋梁風致災害監(jiān)測及評估預警技術，構建了監(jiān)測-模擬-評價-預警一體化災害預報預警系統(tǒng)，實現特種災害的精細化防控。在專項在線評估方面，正在逐步搭建各關鍵結構和構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、大數據分析能力不足等問題，支撐數字大橋的在線評估決策。

4、建養(yǎng)一體化

基于數字化設計、工業(yè)化建造、智能化養(yǎng)護的科研成果和工程實踐，初步實現了工程建養(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用。一方面是具體設計、施工和養(yǎng)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(yǎng)一體化拉吊索長期性能數據的養(yǎng)護評估。

三、發(fā)展與展望

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

1、數據標準與數字底座的構建：為實現橋梁建養(yǎng)一體化，需構建數字底座，提升數據治理及共享服務能力。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(tǒng)籌多源數據、挖掘數據價值的中樞平臺。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體系：建立基于全生命周期理念的全過程數字化、智能化設計技術體系，將建養(yǎng)一體化反饋至設計初期。設計不僅是工程的靈魂，更是實現建養(yǎng)一體化、提升工程質量和效率的關鍵。

3、數字橋梁技術體系的構建：推進數字橋梁技術體系的發(fā)展，突破綜合感知、孿生診斷及反饋控制的技術瓶頸，充分體現建養(yǎng)一體化信息融合的價值。這一技術體系旨在實現橋梁的實時監(jiān)測、評估與智能維護，提高安全性和經濟性。

4、場景化應用的落地：將數字化技術應用于具體的業(yè)務場景，以需求導向和目標導向為基礎，實現橋梁關鍵構件性能的全面評估。通過數據驅動的算法模型集成，實現剩余壽命評估或反饋控制干預，支撐橋梁的智能化養(yǎng)護，確保其長期安全運營。