BIM在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究

陳 虹 穎

(上海理工大學(xué)，上海 200093)

1 工程簡介

某大橋總長8 346 m，其中主橋長846 m，引橋長7 500 m，總寬度為30.35 m。主塔高154 m，為“H”形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大橋主梁為鋼—混凝土疊合梁結(jié)構(gòu)。

為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息與三維模型的交互，本文基于BIM建立監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫，并對(duì)其進(jìn)行管理，根據(jù)監(jiān)測信息界面開發(fā)實(shí)現(xiàn)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可視化，主要監(jiān)測項(xiàng)：1)橋梁動(dòng)力特性監(jiān)測；2)斜拉索索力監(jiān)測；3)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測；4)鋼梁監(jiān)測；5)混凝土橋面板監(jiān)測；6)塔、墩混凝土監(jiān)測。本文主要由三部分組成：基于Revit建立監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫的管理、大橋的BIM集成[1]。

“橋梁健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”是對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)橋梁環(huán)境和結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、危險(xiǎn)狀況預(yù)警、提出應(yīng)對(duì)措施來保障橋梁安全和提高服役年限的系統(tǒng)。具體而言，該系統(tǒng)的總體目標(biāo)是：大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其成果必須直接服務(wù)于大橋結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為大橋建成后的運(yùn)營維護(hù)管理服務(wù)，確保大橋安全運(yùn)營。同時(shí)，可以為同類型大橋結(jié)構(gòu)的健康與安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

2 大橋模型的建立

針對(duì)斜拉橋先建立項(xiàng)目樣板，運(yùn)用IFC(Industry Foundation Classes建筑業(yè)國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，解決不同系統(tǒng)應(yīng)用中不同標(biāo)準(zhǔn)下模型信息的共享和修改。IFC標(biāo)準(zhǔn)是計(jì)算機(jī)可處理的建筑數(shù)據(jù)表示和交換標(biāo)準(zhǔn)，用于建筑物整個(gè)生命周期內(nèi)的信息表達(dá)與交換的國際標(biāo)準(zhǔn)，Revit可以基于IFC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。打開Revit，在插入面板中選擇導(dǎo)入該IFC文件，成功打開后，另存為RVT格式的文件，三維模型如圖1所示。

3 大橋無線傳感器的布置

大橋的主要構(gòu)件為主梁、索塔和斜拉索，考慮到結(jié)構(gòu)安全性和易損性，本著技術(shù)安全可靠、性能耐久穩(wěn)定、實(shí)用成本優(yōu)化的原則對(duì)傳感器進(jìn)行選型。測點(diǎn)位置的選擇主要理論來源有：1)結(jié)構(gòu)仿真的模型修正方法；2)遺傳算法的測點(diǎn)優(yōu)化布置；3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的數(shù)值模擬[2]。監(jiān)測系統(tǒng)傳感器和其數(shù)量如表1，表2所示。

表1 環(huán)境荷載監(jiān)測項(xiàng)

監(jiān)測內(nèi)容類別監(jiān)測參模型數(shù)傳感器種類數(shù)量風(fēng)速橋面風(fēng)速超聲風(fēng)速儀1塔頂風(fēng)速螺旋槳式風(fēng)速儀1溫度空氣溫度、混凝土表面溫度、鋼結(jié)構(gòu)表面溫度光纖光柵溫度傳感器24車輛車輛總重、軸重、軸數(shù)、車速光纖傳感器稱重系統(tǒng)1

表2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測項(xiàng)

3.1 主梁的監(jiān)測

大橋的主梁為鋼箱梁，主要監(jiān)測項(xiàng)包括內(nèi)力分布、斷面應(yīng)變、橫向位移，還應(yīng)考慮交通荷載和環(huán)境影響等作用。對(duì)主梁振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測可以了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。采用加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測主梁的橫向與縱向振動(dòng)[3]。

主梁局部結(jié)構(gòu)和連接處的應(yīng)力應(yīng)變也會(huì)隨外界荷載作用變化，通過對(duì)主梁內(nèi)力的監(jiān)測可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別、疲勞壽命。采用光纖應(yīng)變傳感器和振弦式應(yīng)變儀進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 索塔的監(jiān)測

斜拉橋的索塔是主要的承重構(gòu)件，不同于柔性的橋面主梁和斜拉索，有剛度大的特性，在強(qiáng)風(fēng)、地震荷載作用下會(huì)影響索塔結(jié)構(gòu)安全。縱向荷載會(huì)導(dǎo)致橫梁和索塔身連接處的開裂，塔墩沉降可能對(duì)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布有影響?；趯?duì)索塔的動(dòng)力響應(yīng)分析和模態(tài)分析，選取沿垂直方向的監(jiān)測面，采用2個(gè)傾角儀測量塔頂位移傾角。

3.3 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測主要分為風(fēng)況監(jiān)測、交通荷載監(jiān)測。采用1個(gè)螺旋槳式風(fēng)速儀測量塔頂風(fēng)速和風(fēng)向，采用1個(gè)光纖傳感器稱重系統(tǒng)監(jiān)測車輛總重、軸重、軸數(shù)、車速等交通荷載。

4 基于Revit的結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息處理

為了對(duì)監(jiān)測信息更好地管理，以Revit為開發(fā)平臺(tái)，以C#為基礎(chǔ)開發(fā)語言，以RevitAPI封裝的類和函數(shù)作為開發(fā)支持，進(jìn)行監(jiān)測信息的應(yīng)用與管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、構(gòu)件的安全預(yù)警，實(shí)現(xiàn)BIM模型和健康監(jiān)測可視化的結(jié)合應(yīng)用[4]。利用RevitAPI對(duì)健康監(jiān)測界面的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，包含數(shù)據(jù)操作功能、信息分析功能、構(gòu)件預(yù)警功能與安全合理措施方法改進(jìn)[5]。

利用Visual Studio開發(fā)新建的項(xiàng)目流程，在解決方案資源管理器中添加引用PresentationCore,RevitAPI和RevitAPIUI程序集。通過Revit外部開發(fā)程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)在Revit菜單欄的附加模塊中添加新的面板應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測、不安全構(gòu)件檢查，采用開發(fā)外部應(yīng)用法，開發(fā)方法為External Application，方法為OnStartup和OnShutdown，對(duì)應(yīng)參數(shù)為application和UIControlledApplication[1]。

RevitAPI中輸入CreateRibbonPanel創(chuàng)建面板按鈕，并添加自定義按鈕圖片，可以點(diǎn)擊按鈕啟動(dòng)相應(yīng)的程序。

基于Revit監(jiān)測信息可視化，插件分為數(shù)據(jù)操作模塊、分析模塊、構(gòu)件預(yù)警模塊，且均為Revit的附加模塊，每個(gè)模塊都創(chuàng)建了面板，還設(shè)計(jì)了操作按鈕和圖標(biāo)，便于監(jiān)測信息的操作，如圖2所示[6]。

4.1 數(shù)據(jù)操作模塊

大橋的監(jiān)測是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)更新的，通過Revit軟件將收集到的數(shù)據(jù)傳入到數(shù)據(jù)庫中，用StreamReader方法和.NET體系通過點(diǎn)擊選取相應(yīng)文件夾自動(dòng)讀取需要更新的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并用曲線圖實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測構(gòu)件的變形值，最后將實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)用文件夾導(dǎo)出。數(shù)據(jù)操作模塊是將windows操作系統(tǒng)、SQL Server數(shù)據(jù)庫和RevitAPI相結(jié)合的過程，這一模塊將分為數(shù)據(jù)更新和窗口顯示表格查看[7]。

4.2 數(shù)據(jù)分析模塊

傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)會(huì)有噪聲的混入，為得到更為真實(shí)的監(jiān)測信息，需要剔除監(jiān)測信號(hào)中的噪聲，從而得到最真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)。在監(jiān)測過程中，為實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)和真實(shí)信號(hào)的分離，于是選擇db4小波函數(shù)將原始信號(hào)中分離出高頻噪聲，對(duì)含噪聲的正弦信號(hào)四層分解，通過四層分解，得到四個(gè)低頻系數(shù)以及四個(gè)高頻系數(shù)，將每層的高頻系數(shù)閾值進(jìn)行量化處理，將閾值量化后的高頻系數(shù)與第四層的低頻系數(shù)進(jìn)行小波逆變換，從而得到原始數(shù)據(jù)和去噪聲后的數(shù)據(jù)信息。

4.3 構(gòu)件預(yù)警功能

基于Revit開發(fā)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是幫助服役結(jié)構(gòu)更快地提供構(gòu)件是否安全的信息，如果安全，則不需要處理并繼續(xù)監(jiān)測；如果構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的損壞，通過監(jiān)測信息可以快速發(fā)現(xiàn)，如索塔的沉降和傾斜，柱身、梁和拉索兩端錨固區(qū)的開裂、銹蝕、滲水，拉索減震措施失效，吊桿上端與主纜連接處的索箍松弛、銹蝕，則需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。

此程序應(yīng)用RevitAPI獲取到數(shù)據(jù)庫中不安全構(gòu)件的圖元ID號(hào)，創(chuàng)建了彈窗列出不安全構(gòu)件的表格和對(duì)應(yīng)圖元監(jiān)測信息以及與閾值比較的結(jié)果，并在整個(gè)項(xiàng)目中用藍(lán)色相應(yīng)高亮。

通過ExternalCommandData添加一個(gè)控件窗體，用ref語句定義一個(gè)message參數(shù)，用ElementSet elements選擇需要高亮的構(gòu)件，從CommandData中取到Document，選取圖元ID號(hào)，運(yùn)用條件語句if，如果數(shù)據(jù)庫表格行語句中出現(xiàn)“不安全”字樣，則創(chuàng)建交互窗體TaskDialog.Show，顯示不安全構(gòu)件的圖元ID號(hào)和基本監(jiān)測信息，并返回結(jié)果。

為了便于識(shí)別構(gòu)件，一開始對(duì)每一個(gè)構(gòu)件依據(jù)其Revit管理面板中“選擇項(xiàng)的ID”進(jìn)行了編號(hào)。構(gòu)件預(yù)警功能通過Revit平臺(tái)讀入構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變值，并與閾值作比較，如果超過了閾值則自動(dòng)彈出交互窗口進(jìn)行報(bào)警。如圖3所示為主梁F截面橋面板北監(jiān)測結(jié)果顯示。

報(bào)警窗口選擇用表格查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，會(huì)彈出交互窗口表格顯示相應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測，表格會(huì)顯示動(dòng)態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新，發(fā)生的相應(yīng)變化，用戶可以選擇查看的時(shí)間有利于對(duì)這段時(shí)間內(nèi)構(gòu)件的變形有直觀的認(rèn)知，便于掌握數(shù)據(jù)的變化過程，如圖4所示。

5 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了基于BIM的大橋項(xiàng)目監(jiān)測信息開發(fā)與管理，主要完成了大橋三維模型的建立、傳感器的布置、數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測信息的應(yīng)用與管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、構(gòu)件的安全預(yù)警，有效地將信息管理系統(tǒng)運(yùn)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中去，對(duì)服役斜拉橋項(xiàng)目的監(jiān)測運(yùn)行管理有實(shí)際參考意義。