注：本文為期刊公眾號(hào)簡(jiǎn)版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

宋浩，中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司數(shù)字工程研究中心

韓廣暉，中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司數(shù)字工程研究中心

針對(duì)我國(guó)鐵路橋梁占比高、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件應(yīng)用范圍廣、孔跨布置作業(yè)繁重的特點(diǎn)，將建筑信模型（BIM,Building Information Modeling）與人工智能（AI,Artificial Intelligence）技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行橋梁智能布跨研究。文章根據(jù)橋梁布跨原則，基于信息集，選用Q-Learning算法對(duì)Bentley平臺(tái)二次開發(fā)，形成了一套完整的可視化橋梁布跨方案 。驗(yàn)證結(jié)果表明，該方案可應(yīng)用于一般鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，并從設(shè)計(jì)層提高BIM數(shù)據(jù)應(yīng)用深度與廣度，提高橋梁布跨工作效率與質(zhì)量。

橋梁布跨原則

橋梁布跨方案主要受道路、建筑物和地下管線等因素的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性、適用性及設(shè)計(jì)邊界條件進(jìn)行孔跨的合理布置。針對(duì)本文研究?jī)?nèi)容，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，橋梁布跨主要原則如下。

一般橋梁孔跨布置

對(duì)于一般橋梁而言，當(dāng)控制性因素不復(fù)雜時(shí)，應(yīng)首先從標(biāo)準(zhǔn)跨度中選擇合適跨度進(jìn)行孔跨布置，布置原則盡量以32m跨度為主，24m跨度為輔，用以規(guī)避主要約束條件；無法采用簡(jiǎn)支梁跨度進(jìn)行規(guī)避時(shí)，優(yōu)先采取常用的連續(xù)梁跨度進(jìn)行孔跨布置。在曲線線路上，簡(jiǎn)支梁通常采用“以直代曲”方案進(jìn)行布設(shè)；連續(xù)梁等特殊梁型采用“曲梁曲做”的方式進(jìn)行布設(shè)。

特殊橋梁孔跨布置

當(dāng)橋梁跨越河流時(shí)，以“一河一橋”為原則，河流有通航要求時(shí)，要適當(dāng)考慮變遷性河道的影響；當(dāng)跨越等級(jí)道路（高速、主干道等）、鐵路等控制性工點(diǎn)時(shí)，應(yīng)按照控制邊界條件選擇適當(dāng)跨度，標(biāo)準(zhǔn)跨度不滿足時(shí)，應(yīng)提供特殊跨度進(jìn)行布置，并考慮經(jīng)濟(jì)性等因素對(duì)特殊跨度的優(yōu)先等級(jí)進(jìn)行設(shè)置。

鐵路橋梁智能布跨方案

本文根據(jù)一般鐵路橋梁布跨設(shè)計(jì)原則，采用Q-Learning算法，并利用BIM的屬性信息，在Bentley平臺(tái)下進(jìn)行二次開發(fā)，形成最終的可視化智能布跨方案，具體流程如圖1所示。其中，信息集由根據(jù)智能橋梁孔跨布置需要而提取、處理的信息組成；智能布跨算法是根據(jù)Q-Learning算法，按照橋梁布跨原則對(duì)工程實(shí)例抽象化，以求得最優(yōu)方案；方案可視化是利用BIM技術(shù)的可視化特點(diǎn)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)，對(duì)智能布跨方案進(jìn)行可視化展示及評(píng)估。

信息集

1.動(dòng)作空間

在布跨算法中，建立橋梁構(gòu)件數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠在形成算法動(dòng)作空間的同時(shí)，為后續(xù)的模型設(shè)計(jì)提供便利。根據(jù)常用跨度的簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁建立梁部構(gòu)件模型，并按照相關(guān)規(guī)范為模型掛載幾何與非幾何信息。構(gòu)件模型建立時(shí)，抽象出構(gòu)件的幾何特征，梳理特征之間的關(guān)聯(lián)并將特征參數(shù)化，利用Bentley平臺(tái)提供的Template模板解析技術(shù)，進(jìn)行幾何建模及屬性配置；對(duì)于非幾何特征，通過Bentley平臺(tái)下的EC Schema技術(shù)掛載到模型上，為模型設(shè)計(jì)提供更多的信息。

橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)可為以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式寫入的各類構(gòu)建提供統(tǒng)一管理工具，在需要時(shí)予以調(diào)用，如圖2所示。動(dòng)作空間即在橋梁布跨設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)條件選擇適合的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的橋梁跨度，作為智能體可選擇的動(dòng)作。

2.環(huán)境信息

環(huán)境信息的獲取需基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，設(shè)計(jì)協(xié)同數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)間的數(shù)據(jù)協(xié)同，對(duì)橋梁專業(yè)所需要的信息進(jìn)行提取應(yīng)用。

（1）線路信息線路信息包括線路里程信息、坐標(biāo)信息和線路要素信息等。將所有信息附加在線路模型上，在Bentley軟件中識(shí)別文件中對(duì)應(yīng)的Alignment元素，通過相應(yīng)接口函數(shù)即可獲取線路信息。

（2）地形信息地形信息包括地面標(biāo)高、地形地物（道路、河流、溝渠、湖泊）特征等信息。地面標(biāo)高從利用數(shù)字高程模型加工生成的地形文件中獲??；地形地物特征則是根據(jù)地形文件不同圖層及其附加屬性，在橋址范圍內(nèi)沿線路方向進(jìn)行判斷獲取；個(gè)別信息提供手動(dòng)配置工具，進(jìn)行信息組集輸入。

（3）起止里程信息根據(jù)線路、地形信息，結(jié)合起橋條件，初步確定橋址里程范圍，其主要步驟如下。

• ①將上序?qū)I(yè)文件以參考方式加入設(shè)計(jì)文件中，并激活相關(guān)地形、線路等模型，通過設(shè)置步長(zhǎng)間隔獲取線路縱斷及地面線等相關(guān)資料；

• ②設(shè)置橋梁布置范圍和起橋條件，一般是根據(jù)起橋高度結(jié)合地形進(jìn)行判斷；

• ③根據(jù)起橋高度復(fù)制偏移地面線，并計(jì)算其與線路縱斷的交點(diǎn)；

• ④根據(jù)起點(diǎn)前后側(cè)地形條件判斷該點(diǎn)是橋梁起點(diǎn)還是終點(diǎn)，并進(jìn)行起點(diǎn)的合理偏移設(shè)置；

• ⑤得到全部橋梁的起橋范圍，并作為智能布跨算法的輸入數(shù)據(jù)使用。

智能布跨算法設(shè)計(jì)

1.Q-Learning算法概述

Q-Learning算法是基于價(jià)值的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的過程是智能體通過感知環(huán)境而采取動(dòng)作、與環(huán)境不斷交互的過程。智能體根據(jù)環(huán)境反饋的信息，不斷更新自身動(dòng)作策略，最終得到一條最優(yōu)策略。假設(shè)Q(st,at)表示在狀態(tài)st下執(zhí)行動(dòng)作at所獲得的價(jià)值，此后按最優(yōu)動(dòng)作執(zhí)行所獲得的獎(jiǎng)勵(lì)的期望，其更新表達(dá)式為

其中，α為算法收斂的學(xué)習(xí)效率；rt+1為實(shí)時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)；γ為折扣因子。當(dāng)Q(st,at)值不再繼續(xù)變化，說明得到了一個(gè)收斂的結(jié)果。

2.智能布跨算法

橋梁的孔跨布置是一個(gè)將方案不斷優(yōu)化的過程，結(jié)合AI概念，采用Q-Learning算法，將孔跨布置相關(guān)約束條件抽象化為數(shù)據(jù)類型，根據(jù)工程實(shí)例將約束條件實(shí)例化。智能體通過感知環(huán)境信息，采取不同的動(dòng)作，并以獲得獎(jiǎng)賞情況為指導(dǎo)改進(jìn)選擇策略，最終得出最優(yōu)的策略方案，算法主要流程如圖3所示。

對(duì)于鐵路工程實(shí)例，其所處的狀態(tài)和可選擇動(dòng)作是有限的，因此可以將以矩陣形式進(jìn)行表示，根據(jù)狀態(tài)—?jiǎng)幼鹘表，Q表的行代表智能體所處狀態(tài)，列代表可選擇的動(dòng)作空間。鐵路工程是一條長(zhǎng)大帶狀線性工程，為了節(jié)省Q表占用空間，沿線路按照一定距離進(jìn)行離散化設(shè)置，減少Q(mào)表的行列數(shù)。算法的獎(jiǎng)賞函數(shù)則根據(jù)上述布置原則和環(huán)境信息，按照布跨優(yōu)先級(jí)和橋梁預(yù)估造價(jià)進(jìn)行設(shè)計(jì)。可選動(dòng)作空間（橋梁跨度信息）則可以利用信息集，根據(jù)項(xiàng)目條件進(jìn)行相應(yīng)配置應(yīng)用。在每次動(dòng)作完成之后，需要對(duì)動(dòng)作的最終狀態(tài)和收斂性進(jìn)行判斷，收斂則表示得出了較優(yōu)的橋梁布跨方案。

方案可視化設(shè)計(jì)

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的一般橋梁智能布跨方案，利用BIM技術(shù)的可視性建立三維模型，可在方案展示的同時(shí)搭載設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)的可行性分析，提升鐵路橋梁設(shè)計(jì)水平。地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)能以直觀的地理圖形方式，通過統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系全局性地展示、分析和評(píng)估大范圍的空間對(duì)象及抽象化的建筑對(duì)象。為了更好地評(píng)估橋梁布跨方案，提高方案的合理性，減少后期方案修改，利用多源數(shù)據(jù)融合平臺(tái)，載入橋梁布跨模型數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)，將BIM數(shù)據(jù)輕量化，結(jié)合實(shí)景模型對(duì)橋梁布跨方案進(jìn)一步優(yōu)化，具體包括以下2個(gè)方面。

（1）在Bentley平臺(tái)應(yīng)用二次開發(fā)讀取布跨方案，并根據(jù)布跨方案獲取匹配的構(gòu)件模型數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)各構(gòu)件所處位置，將各類型構(gòu)件按照空間層級(jí)關(guān)系進(jìn)行精確定位，完成布跨方案的查看與評(píng)價(jià)。其中，梁部信息模型是根據(jù)橋梁跨度信息，從橋梁數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配，利用Bentley的自定義實(shí)體技術(shù)，以線路模型為基礎(chǔ)，構(gòu)造合適的空間位移矩陣，進(jìn)行梁部結(jié)構(gòu)的空間定位；橋墩則利用參數(shù)化單元進(jìn)行創(chuàng)建，依據(jù)橋梁布置位置及梁部特征信息，進(jìn)行橋墩的空間定位，并結(jié)合地形模型計(jì)算出墩高，修改相應(yīng)墩高參數(shù)。此時(shí)，橋墩僅發(fā)揮空間占位作用，用以輔助方案設(shè)計(jì)。

（2）BIM可以很好地反映方案結(jié)構(gòu)形式，能夠較為方便地展現(xiàn)橋梁孔跨布置模型，但是無法表達(dá)周邊建筑信息及橋梁跨越的地物信息。通過二次開發(fā)技術(shù)，在保留BIM模型數(shù)據(jù)精度和完整性的前提下，開發(fā)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換插件，將BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入多源數(shù)據(jù)融合平臺(tái)中，結(jié)合GIS數(shù)據(jù)形成實(shí)景模型，如圖4所示。

方案應(yīng)用

應(yīng)用分析

通過某鐵路項(xiàng)目對(duì)本文設(shè)計(jì)的橋梁智能布跨方案進(jìn)行應(yīng)用，驗(yàn)證方案對(duì)一般橋梁的適用性。具體步驟為：

（1）參考相關(guān)專業(yè)（線路、地形）模型信息并激活模型，方便后續(xù)調(diào)用數(shù)據(jù)接口應(yīng)用，如圖5所示。

（2）加載開發(fā)的橋梁布跨工具，提取、處理智能橋梁孔布跨所需信息，并組建信息集，調(diào)用智能布跨算法，輸出橋梁智能布跨方案，如圖6所示。

（3）按照布跨方案進(jìn)行BIM創(chuàng)建，并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)布跨結(jié)果進(jìn)行可視化展示，如圖7所示。

效益分析

與傳統(tǒng)鐵路橋梁布跨工作相比，利用BIM+AI技術(shù)的智能布跨方案的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

（1）減少了設(shè)計(jì)人員對(duì)上序?qū)I(yè)信息的處理，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式下，通過制定標(biāo)準(zhǔn)格式的接口，最大化地利用上序?qū)I(yè)的成果，保證了數(shù)據(jù)的唯一性；

（2）設(shè)計(jì)人員只需關(guān)注本專業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)工作，減少了因數(shù)據(jù)再加工處理所消耗的時(shí)間與精力；

（3）利用機(jī)器代替人工進(jìn)行程序化的工作，提高了設(shè)計(jì)效率；

（4）可視化的成果展示更能夠保證方案準(zhǔn)確表達(dá)，對(duì)方案的合理性及可實(shí)施性有更為準(zhǔn)確的把控。

總結(jié)與展望

本文在總結(jié)鐵路橋梁布跨原則的基礎(chǔ)上，基于Q-Learning算法，對(duì)橋梁布跨算法進(jìn)行研究。依托統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互格式，通過BIM技術(shù)識(shí)別線路、地形等基本信息，實(shí)現(xiàn)橋梁布跨所需信息的自動(dòng)提取、處理，組建信息集，并利用二次開發(fā)技術(shù)建立橋梁整體BIM，融合GIS技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，給出一套適用于一般鐵路橋梁的智能布跨方案。該方案提高了橋梁設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，后續(xù)還需在特殊橋梁智能布跨方向進(jìn)行研究。

來源：鐵路BIM聯(lián)盟