基于BIM的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝　建　杜中和

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川 成都　611730)

1　BIM技術(shù)

1.1　BIM的特點(diǎn)

1)可視化。

將未建成的結(jié)構(gòu)通過建模軟件三維模擬，突破了以往平面軟件的點(diǎn)、線、面等幾何元素常規(guī)化繪圖方式，提供了一套可視化的思路，增加了結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間的互動(dòng)性和反饋性，讓工程項(xiàng)目的各個(gè)階段都能在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行。

2)信息的完備性。

BIM模型可設(shè)定全生命周期的信息化服務(wù)方案，如設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、使用功能等，施工階段的工藝、進(jìn)度、成本、質(zhì)量以及人力、機(jī)械、材料資源等，運(yùn)營階段的結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)耐久性等。

3)模型信息的優(yōu)化性。

建筑項(xiàng)目在施工、設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理等整個(gè)階段的信息，都能通過BIM手段進(jìn)行優(yōu)化。隨著現(xiàn)代建筑工程項(xiàng)目的復(fù)雜程度不斷提高，BIM模型可以提供建筑物的全方位信息并對(duì)這些信息進(jìn)行綜合分析提供最科學(xué)合理的優(yōu)化方案。

4)工作協(xié)同性。

BIM技術(shù)是提高工程管理效率及工程質(zhì)量的重要保障工具和手段。在設(shè)計(jì)階段，BIM模型可對(duì)結(jié)構(gòu)施工前期進(jìn)行碰撞檢測(cè)，找出問題并加以解決；在施工和運(yùn)營階段，BIM技術(shù)可為設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方、業(yè)主等提供詳盡資料和解決方案，便于各參建方信息的交互和交流，促進(jìn)工作的協(xié)同進(jìn)行。

1.2　BIM軟件介紹

BIM的實(shí)現(xiàn)要基于三維數(shù)字化技術(shù)，利用BIM相關(guān)軟件來創(chuàng)建整個(gè)建筑物的所有信息。BIM軟件是以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，用三維立體模型方式來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息的定義、利用與管理，并實(shí)現(xiàn)信息傳遞作用。因?yàn)锽IM技術(shù)的應(yīng)用包含整個(gè)建筑生命周期，從而在整個(gè)BIM分析過程中可渉及到多種類型的軟件。要發(fā)揮BIM的價(jià)值，需要結(jié)合各種軟件的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，采用適合功能需要的軟件類型。按照BIM的功能可將BIM軟件分為3D模型創(chuàng)建軟件和模型整合、分析軟件等，具體種類如表1所示。

2　基于BIM的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1　依托工程介紹

依托項(xiàng)目為成都市某橋，為弧形獨(dú)搭單索面斜拉橋，橋長215 m，橋?qū)?1 m，跨徑布置為130 m+57 m+28 m。主橋橋塔側(cè)面為“人”字形獨(dú)塔體系，分為主塔和副塔兩部分，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橋面以上塔高72.7 m，橋塔總高度為89.5 m，索塔基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。主梁為鋼箱梁+預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，主跨為鋼箱梁，按正交異性板設(shè)計(jì)，為單箱5室結(jié)構(gòu)，邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，混凝土梁體采用三向預(yù)應(yīng)力，為單箱4室結(jié)構(gòu)，兩者之間設(shè)2 m的鋼—混凝土結(jié)合段。

表1　BIM軟件分類

2.2　系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

在綜合國內(nèi)外橋梁管理系統(tǒng)先進(jìn)理念、成功經(jīng)驗(yàn)及發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，依托國家電子政務(wù)總體框架，充分借鑒云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、建筑信息模型(BIM)等先進(jìn)技術(shù)，按照系統(tǒng)的六個(gè)層次結(jié)構(gòu)：采集層、系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務(wù)層、展示層進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)建立在完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和信息安全體系基礎(chǔ)上。系統(tǒng)邏輯上的分層設(shè)計(jì)可以大大加快開發(fā)效率，提高系統(tǒng)的可靠性、安全性和可擴(kuò)展性，同時(shí)也便于日后的維護(hù)和升級(jí)，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖見圖1。

3　各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)

通過采集設(shè)備或調(diào)理器將傳感器端傳過來的模擬量信號(hào)進(jìn)行模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)，將采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程輸送到監(jiān)測(cè)中心。

按照信號(hào)輸入方式和監(jiān)測(cè)的物理量不同，目前國內(nèi)外傳感設(shè)備輸出信號(hào)主要有模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和光信號(hào)三種，各廠家也提供與其傳感設(shè)備配套的采集與傳輸軟件，配套軟件能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集與傳輸功能，見表2。

表2　數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件功能設(shè)計(jì)

3.2　數(shù)據(jù)管理與儲(chǔ)存子系統(tǒng)

橋梁健康監(jiān)測(cè)將產(chǎn)生海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，需基于數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)設(shè)備和相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫軟件，搭建中央數(shù)據(jù)庫，有效管理和儲(chǔ)存橋梁群運(yùn)行期海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理應(yīng)保證數(shù)據(jù)的共享性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的整體性、有效性、安全性及后期查詢快捷性。

數(shù)據(jù)管理是通過建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來運(yùn)行和管理整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，其具體功能設(shè)計(jì)如表3所示。

表3　數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)

3.3　橋梁健康監(jiān)測(cè)BIM可視化設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，橋梁健康監(jiān)測(cè)BIM可視化設(shè)計(jì)劃為三大功能模塊，分別是：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢模塊、系統(tǒng)管理模塊。

各模塊的功能描述及對(duì)應(yīng)功能點(diǎn)如下所示：

1)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。

結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的主要應(yīng)用功能如表4所示。

2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢模塊。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢模塊的主要應(yīng)用功能如表5所示。

3)系統(tǒng)管理模塊。

系統(tǒng)管理模塊的主要應(yīng)用功能如表6所示。

表4　結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊功能描述

表5　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢模塊功能描述

表6　系統(tǒng)管理模塊功能描述

4　結(jié)語

BIM技術(shù)以其信息化、可視化和集成化等優(yōu)勢(shì)，近年來在土木工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)等全生命周期內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用，但在橋梁工程特別是橋梁監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用還有很大的空白。為了更好的推廣BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用，促進(jìn)橋梁工程的信息化運(yùn)營管理以及橋梁監(jiān)測(cè)的可視化管理，急需研究如何借助BIM技術(shù)平臺(tái)的可視化和信息化優(yōu)勢(shì)來完善BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用與發(fā)展，促進(jìn)橋梁監(jiān)測(cè)工作的可視化進(jìn)程。針對(duì)實(shí)際工程探討了BIM技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)可視化應(yīng)用中的可能性，提出了一種利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化和信息反饋的方式。