趙芳 丁緒聰

摘 要：橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握橋梁的安全使用狀態(tài)、輔助橋梁管養(yǎng)維護(hù)，BIM模型可將多元化監(jiān)測(cè)信息直觀展示并反映結(jié)構(gòu)信息，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷與質(zhì)量衰變，文章通過(guò)工程案例表明BIM與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合能更加高效的把握橋梁結(jié)構(gòu)的信息，為橋梁全壽命周期管理提供支撐。

關(guān)鍵詞：橋梁;健康監(jiān)測(cè);BIM;橋梁管養(yǎng)

1 橋梁健康監(jiān)測(cè)概述

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)在交通基礎(chǔ)設(shè)施方面也在不斷的發(fā)展，尤其是橋梁作為交通的咽喉工程，其數(shù)量也在不斷的增加[1]。截止到2019年底，我國(guó)公路橋梁數(shù)量87.83萬(wàn)座，橋梁安全問(wèn)題也是越來(lái)越突出。橋梁建成后隨著投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間的推移，橋梁各構(gòu)件將面臨受到各種損傷及內(nèi)力狀態(tài)的改變，相應(yīng)橋梁的剛度和承載力就會(huì)出現(xiàn)不同程度的衰減，這些損傷和內(nèi)力狀態(tài)的改變?nèi)绻軌蝾A(yù)先獲知并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、維護(hù)、維修就不會(huì)危及橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全，否則將可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故[2]。隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步的建立起來(lái)，可實(shí)時(shí)掌握橋梁的安全使用狀態(tài)、輔助橋梁管養(yǎng)維護(hù)[3]。據(jù)了解，橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在合肥、武漢、佛山等地逐步覆蓋整個(gè)城市橋梁，系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問(wèn)題之前能及時(shí)預(yù)警，并進(jìn)行安全評(píng)估，從而降低橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)，減少人民財(cái)產(chǎn)損失。

2 BIM模型在橋梁監(jiān)測(cè)中的必要性

如何通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的多元化信息直觀的展現(xiàn)出橋梁的結(jié)構(gòu)信息，方便管理人員對(duì)橋梁進(jìn)行管理至關(guān)重要。BIM即所謂的建筑信息模型，是具有可視化、協(xié)調(diào)性、全生命周期性的一種管理模式。通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，在這里，信息的內(nèi)涵不僅僅是幾何形狀描述的視覺(jué)信息，還包含大量的非幾何信息，在計(jì)算機(jī)中建立一座虛擬建筑，一個(gè)建筑信息模型就是提供了一個(gè)單一的、完整一致的、邏輯的建筑信息庫(kù)[4]。BIM的本質(zhì)是將工程結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)化，采用三維技術(shù)解決二維的局限性，BIM技術(shù)作為建筑領(lǐng)域的一種新的建筑信息模型，因其較強(qiáng)的可視化性，以及其在項(xiàng)目管理過(guò)程中能否全流程的智能控制、協(xié)同工作等優(yōu)點(diǎn)，逐步的各種工程類項(xiàng)目中應(yīng)用起來(lái)。橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一方面需要對(duì)橋梁基礎(chǔ)信息進(jìn)行電子化處理，包括設(shè)計(jì)、施工、竣工圖紙、維修加固報(bào)告及檢測(cè)報(bào)告。另外一方面，系統(tǒng)涉及到橋梁結(jié)構(gòu)不同位置的各種傳感器，如索力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、水準(zhǔn)儀及加速度計(jì)等。數(shù)據(jù)類型繁多，復(fù)雜。如何發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)及橋梁結(jié)構(gòu)本身的關(guān)系，透過(guò)大量、繁瑣和多維數(shù)據(jù)，找出其中隱含的本質(zhì)問(wèn)題，幫助使用者理解大量的數(shù)據(jù)信息，且以可視化的圖像方式讓用戶直觀的感受到數(shù)據(jù)自己說(shuō)話，就顯得越來(lái)越為重要。

傳統(tǒng)的基于橋梁安全監(jiān)測(cè)的MIS信息管理系統(tǒng)，缺乏對(duì)傳感器等設(shè)備空間位置、空間關(guān)系以及橋梁檢測(cè)報(bào)告中的病害等信息的表達(dá)，橋梁BIM三維模型作為橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，一方面可以進(jìn)行直觀的三維瀏覽并讀取構(gòu)件、橋梁病害信息，從而幫助其它非結(jié)構(gòu)專業(yè)理解結(jié)構(gòu)圖紙及橋梁結(jié)構(gòu)的問(wèn)題;另一方面將三維圖形處理技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，可以使用戶能夠直接通過(guò)橋梁三維模型與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互，大大加強(qiáng)人機(jī)交互直觀性[5]。

3 基于BIM技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用案例

合肥生命線橋梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共在51座橋梁上安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)采用多維度數(shù)據(jù)分析方法與安全評(píng)估方法，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷與質(zhì)量衰變，并對(duì)應(yīng)建立了BIM模型直觀展示，本文將對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行介紹。

3.1 BIM模型建立

主要建模內(nèi)容包括橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系、橋梁附屬設(shè)施、及橋梁周邊管網(wǎng)等信息。根據(jù)橋梁建設(shè)圖紙和橋梁現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，使用專業(yè)三維軟件按照1：1的比例制作三維數(shù)據(jù)，建立橋梁三維結(jié)構(gòu)模型，如圖3.1所示。并根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建設(shè)橋梁與公路銜接部位的三維模型，以及橋梁周邊地物的三維模型。通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)施、關(guān)鍵部件、傳感器設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化建模，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施以及監(jiān)測(cè)信息的三維展示，為報(bào)警信息快速定位，橋梁全壽命周期管理提供支撐。

3.2 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

橋梁結(jié)構(gòu)安全的維護(hù)，是需要通過(guò)人工巡檢、養(yǎng)護(hù)以及橋梁健康系統(tǒng)相互結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)采用多維度數(shù)據(jù)分析方法與安全評(píng)估方法，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷與質(zhì)量衰變，并評(píng)估分析其在所處環(huán)境條件下的可能發(fā)展勢(shì)態(tài)及其對(duì)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)造成的可能潛在威脅。當(dāng)橋梁出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與案例數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，在預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相應(yīng)的處置方案，輔助事件的處置工作。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)消息機(jī)制來(lái)輔助橋梁的巡檢養(yǎng)護(hù)工作，做到日常橋梁巡檢/養(yǎng)護(hù)問(wèn)題發(fā)現(xiàn)到處理的全過(guò)程、全壽命周期的閉環(huán)跟蹤管理。

橋梁健康監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橋梁健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷，主要由前端感知子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析子系統(tǒng)和應(yīng)用子系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)主要具有以下功能：

3.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

根據(jù)橋梁常見(jiàn)病害，結(jié)合橋梁力學(xué)計(jì)算分析及有限元模型分析，確定橋梁的安全敏感點(diǎn)（如位移、應(yīng)力應(yīng)變最大點(diǎn)等），并采用智能傳感及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁關(guān)鍵部位或截面的結(jié)構(gòu)變形、荷載、環(huán)境等安全與健康指標(biāo)。

3.2.2 預(yù)測(cè)預(yù)警

通過(guò)多源信息融合、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁安全診斷、超限車輛識(shí)別、橋梁事故早期預(yù)警等功能，為管理者提供交通管制和橋梁養(yǎng)護(hù)的決策依據(jù)。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析

針對(duì)橋梁關(guān)鍵構(gòu)件和易損部位采集的海量監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)比分析、趨勢(shì)分析、關(guān)聯(lián)分析、模態(tài)參數(shù)分析等，深度挖掘橋梁環(huán)境荷載作用及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的長(zhǎng)期變化規(guī)律及其相關(guān)關(guān)系，為橋梁的日常養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理提供依據(jù)[4]。

3.2.4 安全評(píng)估

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合橋梁養(yǎng)護(hù)維修檔案等，利用橋梁結(jié)構(gòu)評(píng)估模型，自動(dòng)提取數(shù)據(jù)計(jì)算分析等，對(duì)橋梁安全狀態(tài)定期進(jìn)行評(píng)估。

3.2.5 決策支持

針對(duì)橋梁出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)異常、嚴(yán)重超載、車船撞擊等突發(fā)事件，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)聯(lián)預(yù)案、案例、知識(shí)、現(xiàn)行的處理規(guī)范、以及匹配事件處置相關(guān)的機(jī)構(gòu)和人員通訊錄等輔助信息，為橋梁的搶險(xiǎn)搶修、交通管制等提供決策依據(jù)。

3.3 BIM與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合案例

對(duì)某一座橋2019年第一季度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，橋梁支座橫向位移長(zhǎng)期趨勢(shì)異常，如圖3.2，通過(guò)BIM模型很直觀的定位到該傳感器在橋梁上的安裝位置，如圖3.3，第一時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)勘查并聯(lián)合管養(yǎng)部門(mén)進(jìn)行處置，利用登高車現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)發(fā)現(xiàn)，西側(cè)橋墩處，箱梁北端與蓋梁擋塊空隙較大，約6 cm，箱梁南端與蓋梁擋塊空隙處模板未拆除，已經(jīng)抵死，拆除模板后，測(cè)量空隙約2 cm，如圖3.4。該事件從發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常到BIM直觀定位再至最后的快速準(zhǔn)確處置，充分體現(xiàn)了橋梁三維模型與系統(tǒng)交互及其作用。

4 總結(jié)與展望

BIM技術(shù)作為建筑領(lǐng)域的一種新的建筑信息模型，可以進(jìn)行直觀的三維瀏覽并讀取橋梁信息，并通過(guò)橋梁三維模型與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互，大大加強(qiáng)人機(jī)交互直觀性。以合肥橋梁監(jiān)測(cè)工程案例表明，BIM與橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合能更加高效的把握橋梁結(jié)構(gòu)的異常響應(yīng)信息，并及時(shí)處置。為橋梁的安全預(yù)測(cè)及養(yǎng)護(hù)提供了 一種新思路。未來(lái)BIM技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中將向著更加細(xì)化和數(shù)據(jù)化的方向進(jìn)行，其中橋梁病害的BIM精確展示能將橋梁檢測(cè)的結(jié)果直觀體現(xiàn)，將作為橋梁健康監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)照，為基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)，基于同時(shí)利用BIM強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)了橋梁養(yǎng)護(hù)的數(shù)據(jù)化 處理、信息化管理。

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