BIM技術(shù)在橋梁承載力評定中的應(yīng)用

陳志為，陳 宇，吳 焜，黃 穎

(1. 廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建廈門 361005； 2. 廈門大學(xué)廈門市交通基礎(chǔ)設(shè)施智能管養(yǎng)工程技術(shù) 研究中心，福建廈門 361005； 3. 福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州 350000)

0 引 言

在環(huán)境腐蝕、材料老化、疲勞效應(yīng)以及突變效應(yīng)等不利因素的耦合作用下，橋梁將不可避免地發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷累積和抗力衰減，甚至有可能引發(fā)重大事故。中國現(xiàn)有83.25萬座公路橋，大規(guī)模的橋梁建設(shè)之后，隨之而來的是橋梁運營管理，如何保障服役期內(nèi)橋梁的安全性是關(guān)鍵問題。面對遍布于公路交通網(wǎng)的眾多既有橋梁，準(zhǔn)確評定橋梁的服役性能具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。

經(jīng)過多年探索，國內(nèi)外已提出多種橋梁狀態(tài)評定方法[1-5]。在工程實踐中，橋梁承載力是評定橋梁安全性的重要指標(biāo)，荷載試驗是相對可靠的橋梁承載力評定方法[6]?；诤奢d試驗的橋梁承載力評定尤其是在試驗信息管理方面仍然存在著明顯的不足，例如：①通常采用圖紙或文字形式描述試驗工況，難以準(zhǔn)確且形象地顯示測點分布及重車布載位置；②試驗信息錄入與存檔不同步，在信息遷移過程中易出現(xiàn)差錯；③試驗報告涉及的信息冗雜且分散，讀報告獲取關(guān)鍵信息的效率低；④不同時間節(jié)點的試驗信息未做集成，難以依據(jù)檢測歷史記錄對橋梁承載力的變化趨勢做出準(zhǔn)確分析與預(yù)測。

BIM技術(shù)興起于建筑工程行業(yè)，旨在通過對信息的更有效管理，改變行業(yè)內(nèi)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)配合不利、效率低下的局面。BIM技術(shù)可貫穿于工程項目全生命周期，是一種可將生產(chǎn)、交流、分析流程信息模型化的技術(shù)[7-8]。通過BIM技術(shù)，可構(gòu)建整個工程項目生命周期的數(shù)據(jù)信息庫，實現(xiàn)不同階段不同專業(yè)間的信息集成和共享[9-10]。近年來，美國和新加坡已頒布了BIM國家標(biāo)準(zhǔn)[11]；英國在2017年也實現(xiàn)了政府工程皆采用合作式3D BIM，以利于政府資產(chǎn)維護管理；中國在2017年也頒布了《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》。在不久的未來，更智能化的BIM模型可能會替代圖紙文件，工程建設(shè)行業(yè)將朝著無紙化方向發(fā)展[12]。橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分，在設(shè)計、施工、運營維護階段都面臨大量的數(shù)據(jù)管理和分析工作，BIM技術(shù)可為其提供高效的信息管理解決方案。近年來，BIM技術(shù)發(fā)展迅速，已被成功地應(yīng)用到工程設(shè)計[13-15]、施工管理[16-19]、模擬分析[20-23]等領(lǐng)域，但是尚未有研究將BIM技術(shù)與橋梁承載力評定相結(jié)合，以解決橋梁靜載試驗信息管理中存在的問題。

本文將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁承載力評定，建立了一套包含模型信息管理、試驗信息管理和橋梁承載力評定模塊的橋梁安全評定系統(tǒng)。模型信息管理模塊可實現(xiàn)BIM模型創(chuàng)建和有限元模型轉(zhuǎn)換功能；試驗信息管理模塊可實現(xiàn)靜載試驗工況模擬和試驗實測信息管理功能；橋梁承載力評定模塊可實現(xiàn)橋梁承載力評定和歷史記錄對比分析功能。通過實橋案例驗證，將該系統(tǒng)應(yīng)用到一座預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋。

1 系統(tǒng)框架

《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(簡稱《規(guī)程》)說明實施荷載試驗的目的為：通過對橋梁施加靜力荷載作用，測定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并據(jù)此確定驗算系數(shù)重新進行承載能力驗算或直接判定橋梁承載能力是否滿足要求[19]。靜力荷載試驗結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)是該方法最主要的評價指標(biāo)，可直觀反映橋梁實際狀態(tài)與理論狀態(tài)的關(guān)系。試驗荷載作用下主要測點的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)ξ可按如下公式計算

(1)

式中：Se為實測彈性變位或應(yīng)變值；Ss為理論計算變位或應(yīng)變值。

根據(jù)《規(guī)程》，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)介于0.8～1.0代表實測結(jié)果已接近于理論計算結(jié)果；若校驗系數(shù)大于1.0，應(yīng)判定橋梁承載能力不滿足要求。

通過橋梁靜載試驗確定結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，通常有以下步驟：①現(xiàn)場試驗前，建立橋梁受力分析模型，確定靜力試驗荷載和重車布載工況；②確定橋梁加載的控制截面(如跨中、支座等)和測點位置，現(xiàn)場布置應(yīng)變和撓度傳感器；③在不同車輛布載工況下，采集測點的應(yīng)變和撓度實測值；④通過橋梁受力分析模型，計算測點位置的應(yīng)變和撓度理論值；⑤確定靜載試驗的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，得到承載力評定的部分結(jié)論。因此，基于靜載試驗的橋梁安全評定通常需要以下信息：①橋梁有限元分析模型及其在靜載作用下的應(yīng)變、撓度理論值；②傳感器測點和檢測車布載的空間位置信息；③不同工況下的橋梁測點應(yīng)變、撓度實測值。

鑒于此，基于BIM技術(shù)建立一套橋梁承載力評定系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖1所示，該系統(tǒng)框架包括4個層級：數(shù)據(jù)層、模型層、技術(shù)層和應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)層：通過SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建立底層數(shù)據(jù)庫，上傳數(shù)據(jù)包括橋梁技術(shù)信息和靜載試驗信息，其中試驗信息含有傳感器信息以及加載工況信息。

模型層：BIM模型是工況模擬、試驗信息管理、評定結(jié)果呈現(xiàn)的重要載體與平臺。采用AutoDesk Revit創(chuàng)建BIM模型，將靜載試驗相關(guān)信息集成在模型中，并與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。

技術(shù)層：通過Revit提供的應(yīng)用程序編程接口API，使用.NET兼容的語言(如C#語言)可做后續(xù)開發(fā)[20]。SQL Server數(shù)據(jù)庫和Revit均支持C#語言，通過Winform開發(fā)人機交互界面，可較好地實現(xiàn)信息交互和功能協(xié)調(diào)。

應(yīng)用層：系統(tǒng)的應(yīng)用層包括模型信息管理、試驗信息管理和橋梁承載力評定3個模塊。模型信息管理模塊包括BIM模型的創(chuàng)建和有限元模型的轉(zhuǎn)換。創(chuàng)建橋梁與車輛模型是靜載試驗信息管理的基礎(chǔ)?；贐IM模型快速轉(zhuǎn)換生成的有限元模型，可提供各工況在不同測點的理論計算值。試驗信息管理模塊包含試驗工況模擬和試驗實測信息管理。試驗工況模擬可重現(xiàn)靜載試驗各工況的車輛、傳感器布置方案。試驗實測信息管理對各工況和測點信息進行管理，是橋梁承載力評定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。橋梁承載力評定模塊是根據(jù)試驗實測和模型計算信息評定橋梁承載力，并對歷史試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

2 模型信息管理

模型信息管理包括BIM模型和有限元分析模型管理。現(xiàn)階段，由BIM軟件建立的模型普遍還不具備結(jié)構(gòu)受力分析功能。為了拓展該項功能，本文以BIM建模軟件Revit和有限元分析軟件ANSYS為研究對象，通過編寫相應(yīng)的接口程序，實現(xiàn)由BIM模型向有限元模型的自動轉(zhuǎn)換。

2.1 BIM模型的創(chuàng)建

2.1.1 待檢橋梁模型

橋梁BIM模型通過參數(shù)化構(gòu)件建模完成，構(gòu)件是族的具體實例，族的設(shè)計是橋梁BIM模型的關(guān)鍵。族的創(chuàng)建步驟大致包括：建立參照平面，繪制構(gòu)件輪廓線，通過拉伸、放樣、融合等命令生成三維實體模型，對關(guān)鍵尺寸進行注釋，添加橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)。通過輸入具體參數(shù)生成各構(gòu)件，組合各構(gòu)件，完成橋梁BIM模型創(chuàng)建。

2.1.2 檢測車輛模型

為實現(xiàn)加載車輛信息的三維可視化，需要創(chuàng)建加載車輛族。車輛模型需要添加的參數(shù)有車牌號、車輛載重以及車輛軸距。車牌號用以區(qū)分不同車輛，車輛載重反映荷載值，車輛軸距用于反映荷載分布位置。

2.2 BIM模型向有限元模型的轉(zhuǎn)換

2.2.1 幾何信息提取

提取Revit模型的幾何信息后，通過構(gòu)件關(guān)鍵點在ANSYS軟件自動生成幾何實體。該方式對于轉(zhuǎn)換形狀規(guī)則的構(gòu)件模型有較高的工作效率，但若構(gòu)件模型形狀復(fù)雜(如變截面異形構(gòu)件)則不再適用。本研究采用另一種方法：首先獲取Revit構(gòu)件模型，從中提取幾何信息并轉(zhuǎn)換成SAT數(shù)據(jù)格式；再通過邊界表達BREP描述ANSYS幾何實體模型；最后將獲取得到的幾何實體模型編譯成APDL命令流。

2.2.2 物理信息的提取

除了含有大量的幾何信息，BIM模型還在對象屬性中存儲了有限元建模所需的非幾何信息。橋梁有限元分析，需要從存儲的非幾何信息中提取可用于結(jié)構(gòu)分析的相關(guān)物理信息，包括密度、泊松比、彈性模量、剪切模量等。

2.2.3 幾何與物理信息匹配

通過上述方法，可實現(xiàn)Revit模型的幾何信息與物理信息的提取與轉(zhuǎn)換。除此以外，建立結(jié)構(gòu)有限元模型之前，需要完成以上2類信息的匹配。實現(xiàn)信息自動匹配的步驟有：①賦予每個生成的ANSYS幾何實體模型編號，以此關(guān)聯(lián)Revit構(gòu)件模型；②根據(jù)Revit構(gòu)件模型的物理參數(shù)，賦予相關(guān)聯(lián)的ANSYS幾何實體模型對應(yīng)的材質(zhì)編號；③找出ANSYS中具有相同材質(zhì)屬性(同一材質(zhì)編號)的構(gòu)件，賦予其材質(zhì)編號對應(yīng)的物理信息。

3 試驗信息管理

靜載試驗過程需記錄在各工況的檢測車空間分布、軸距和軸重信息、傳感器布置在橋梁結(jié)構(gòu)的空間信息，實測不同工況下的撓度和應(yīng)力信息。

3.1 靜載試驗工況模擬

基于BIM模型模擬靜載試驗工況，主要工作包括在橋梁BIM模型上布置靜載試驗所涉及的應(yīng)變和撓度傳感器，以及不同工況的檢測車布置。

為了便于查看和編輯，靜載試驗中各類工況的檢測車輛布置采用平面布置結(jié)合三維視圖的方式。首先在二維平面上完成車輛布置，然后同步更新三維視圖。車輛布置完成后，既可通過篩選器在三維視圖中確認總體布置情況，還可通過查詢平面布置圖，獲取車輛具體尺寸、位置信息。

在橋梁BIM模型布置傳感器的具體步驟為：①確定目標(biāo)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，選擇傳感器所在結(jié)構(gòu)表面；②劃分網(wǎng)格，拾取傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的節(jié)點位置；③將傳感器添加到橋梁結(jié)構(gòu),自動獲取其ID。

3.2 試驗實測信息管理

基于靜載試驗評定橋梁承載力需要不同車輛布載工況下傳感器測點的應(yīng)變和撓度實測值。因此，針對布置在橋梁BIM模型上不同位置的傳感器，還需進一步錄入靜載試驗各工況下的實測應(yīng)變和撓度結(jié)果。

通過表1所示的控件，完成靜載試驗實測信息錄入界面的設(shè)計：通過下拉選擇框可選擇不同工況；采用文本框錄入試驗實測值；通過執(zhí)行按鈕觸發(fā)信息的上傳、修改、刪除等操作；通過標(biāo)簽添加文本注釋；用數(shù)據(jù)列表視圖查看上傳至數(shù)據(jù)庫的試驗信息；通過分頁控件選擇傳感器類型。

表1 信息錄入界面的控件Tab.1 Control of Information Entry Interface

基于SQL Server數(shù)據(jù)庫，進行試驗實測信息管理，具體功能包括信息添加、查詢、修改和刪除。信息添加可將錄入的信息上傳數(shù)據(jù)庫。信息查詢通過選擇目標(biāo)工況和傳感器，在數(shù)據(jù)列表視圖中顯示已錄入的信息記錄。信息修改以傳感器ID和工況為索引，修改后數(shù)據(jù)庫中信息同步更新，并在數(shù)據(jù)列表視圖中顯示。

4 橋梁承載力評定

結(jié)合BIM技術(shù)實現(xiàn)橋梁承載力評定的具體步驟包括：①調(diào)用試驗信息管理模塊，獲取檢索測點傳感器信息以及不同工況的檢測車位置和軸重信息；②調(diào)用模型信息管理模塊獲取有限元模型，根據(jù)測點和檢測車信息設(shè)置不同工況下的荷載輸入與響應(yīng)輸出，模型分析得到各工況不同測點的理論計算變位或應(yīng)變值；③調(diào)用試驗信息管理模塊，獲取式(1)中各工況不同測點的實測彈性變位或應(yīng)變值；④通過各測點的理論值和實測值，計算式(1)的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，并根據(jù)《規(guī)程》相關(guān)規(guī)定進行橋梁承載力評定。

根據(jù)各測點的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)，系統(tǒng)可自動篩選系數(shù)超過所設(shè)閾值的測點，顯示該測點的傳感器ID，通過BIM模型可定位傳感器及其依附的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并將評定結(jié)果上傳至信息數(shù)據(jù)庫，如表2所示，該數(shù)據(jù)庫存儲的信息包括傳感器ID、工況描述、測點理論值、測點實測值、結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)以及超限判斷。添加傳感器至結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，系統(tǒng)可自動識別并獲取傳感器ID；結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)是測點實測值和理論值之比，需通過計算確定；比較結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)和預(yù)設(shè)的閾值，可判斷橋梁承載力是否滿足要求。

表2 評定信息數(shù)據(jù)庫Tab.2 Evaluation Information Database

橋梁使用周期內(nèi)每次承載力評定的信息都存儲在數(shù)據(jù)庫，每次評定均對應(yīng)一張信息數(shù)據(jù)表。通過選擇橋梁評定時間與測點傳感器ID，可以對比最近一次和歷史的橋梁靜載試驗結(jié)果。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化的測點，可獲取數(shù)據(jù)庫中該測點的試驗歷史記錄，繪出數(shù)據(jù)變化趨勢圖，可為維修與養(yǎng)護提供決策依據(jù)。

5 實例驗證

前文基于BIM技術(shù)建立了橋梁承載能力評定系統(tǒng)，可實現(xiàn)模型信息管理、試驗信息管理和橋梁承載力評定功能。為了檢驗該系統(tǒng)的實際可行性，將其應(yīng)用到一座58 m+3×144 m+58 m的預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋。

5.1 橋梁BIM模型與有限元模型

采用參數(shù)化設(shè)計方法創(chuàng)建橋梁BIM模型，該橋的上部結(jié)構(gòu)采用箱梁截面，如圖2(a)所示，創(chuàng)建了箱梁族通過參數(shù)化設(shè)計定義構(gòu)件的幾何輪廓，然后根據(jù)箱梁實際準(zhǔn)確模擬頂板、底板的弧度和棱角，箱梁截面沿橋梁縱向采用漸變截面。圖2(b)為生成的其中一段主跨箱梁模型。預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋的BIM模型如圖3所示。

運行BIM模型向有限元模型轉(zhuǎn)換接口程序，可自動提取并匹配BIM模型的橋梁幾何信息和物理信息，并生成有限元模型的APDL命令流文件。通過ANSYS軟件調(diào)用命令流文件，可直接創(chuàng)建如圖4所示的橋梁有限元模型。

5.2 靜載試驗工況模擬與信息管理

通過選擇試驗日期和指定工況，BIM模型可顯示該工況的檢測車輛布置情況，如圖5(a)所示。通過橋梁BIM模型，可以準(zhǔn)確定位靜載試驗涉及的所有傳感器，如圖5(b)所示，并可通過ID查詢傳感器信息。通過BIM模型，還可查詢檢測車輛軸重、軸距、車牌號等信息，如圖5(c)所示。

實測信息管理包括各測點傳感器信息的錄入、上傳、查詢、更新和刪除等，如以某工況應(yīng)變傳感器的實測信息管理為例，首先在BIM模型三維視圖中選擇需要管理的應(yīng)變傳感器，自動獲取其ID并進入管理界面；其次，選擇對應(yīng)工況，錄入測點的實測值，完畢后上傳至數(shù)據(jù)庫；此外，上傳之后的信息記錄可通過工況查詢，錯誤的信息記錄可以進行修改或刪除，如圖6所示。

5.3 橋梁承載力評定

根據(jù)靜載試驗記錄的檢測車位置、軸重和軸間距信息，模擬檢測車隊對橋梁的靜力效應(yīng)，簡化橋梁在有限元模型相應(yīng)位置施加豎向荷載，如圖7所示。根據(jù)靜載試驗記錄的傳感器信息，輸出有限元模型在對應(yīng)傳感器位置的撓度和應(yīng)變。通過有限元模型分析，可得到各工況不同測點的理論計算變位或應(yīng)變值。

該系統(tǒng)僅需選擇靜載試驗場次與加載工況以及待評定的傳感器類型，便可實現(xiàn)橋梁承載力的自動評定，并以圖表形式呈現(xiàn)評定結(jié)果。圖8展示了某橋梁靜載測試所有應(yīng)變關(guān)鍵測點信息，包括傳感器ID、測點理論值、測點實測值、校驗系數(shù)、超限判斷等。圖8中2幅折線圖分別為拉、壓應(yīng)變測點的理論值與實測值，橫軸表示測點傳感器ID，縱軸表示應(yīng)變值。由于該工況所有關(guān)鍵測點實測值的絕對值均小于理論值，計算得到的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)均小于1.0，故從該項指標(biāo)判斷橋梁承載力可滿足要求。

該系統(tǒng)可以方便地查詢橋梁承載力評定的歷史記錄，并直觀地比較任意2次評定結(jié)果。通過在分析界面上選擇2017年與2015年的2次靜載試驗，并選擇工況1-1中所有拉應(yīng)變的測點，可得到不同測試時點的結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)比較結(jié)果，如圖9所示。由圖9可知，2017年的校驗系數(shù)值相比2015年有增加趨勢，并且某些傳感器測點的校驗系數(shù)已接近于1.0的限值，應(yīng)建議橋梁管養(yǎng)部門給予足夠重視。

6 結(jié) 語

(1)荷載試驗工況可三維可視化模擬，檢測車與傳感器的空間信息、試驗實測信息均在橋梁BIM模型中集成，可直觀掌握試驗的全方面信息。

(2)通過信息數(shù)據(jù)庫的管理，數(shù)據(jù)錄入、存儲、查詢和修改更方便高效，可同步完成信息錄入與存檔，有效避免信息遷移可能導(dǎo)致的信息失真。

(3)BIM模型可直接轉(zhuǎn)換成有限元模型，擴展了結(jié)構(gòu)分析功能，使橋梁承載力評定更趨于自動化。

(4)可方便查詢橋梁承載力評定的歷史記錄，直觀比較橋梁試驗的歷史數(shù)據(jù)，縱觀不同檢測時點的指標(biāo)改變，掌握橋梁現(xiàn)狀和變化趨勢。