融合BIM與影像建模技術(shù)的橋梁檢測(cè)方法及其應(yīng)用研究

胡興意，陳波，劉國(guó)強(qiáng)，韓達(dá)光*，吳逸飛，周銀，顏魯鵬，楊宇鵬, 郭彤

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400074； 2.重慶建工集團(tuán) 四川遂資高速公路有限公司；3.中鐵十六局 第五工程公司吳銀項(xiàng)目經(jīng)理部; 4.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

截至2017年底，中國(guó)已建成超80萬(wàn)座公路橋梁。隨著時(shí)間推移，中國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度將放緩，大量公路、鐵路橋梁將進(jìn)入維護(hù)管養(yǎng)期。在材料性能不足、設(shè)計(jì)缺陷、施工不當(dāng)、維護(hù)管養(yǎng)不足等因素的影響下，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生開(kāi)裂、蜂窩、麻面、水蝕、保護(hù)層脫落等病害?，F(xiàn)行JTG H11-2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》中，對(duì)橋梁的檢查分為經(jīng)常檢查(巡檢)、定期檢查和特殊檢查,其主要目的均為：檢查各部件的構(gòu)造完整性、合理性、耐用性及功能有效性，發(fā)現(xiàn)橋梁缺損狀況，制定小修保養(yǎng)和大、中修計(jì)劃，為橋梁養(yǎng)護(hù)管理積累動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，對(duì)保持橋涵正常使用狀態(tài)、保證行車暢通安全具有重要意義。這兩項(xiàng)工作也是橋梁運(yùn)維管養(yǎng)期內(nèi)的主要工作內(nèi)容。

橋梁巡檢與定檢目前大多采用傳統(tǒng)的人工巡查或人工與橋檢車配合的方式，利用人工肉眼貼近橋梁結(jié)構(gòu)表面，配合小型裂縫測(cè)量?jī)x器、鋼卷尺、數(shù)碼相機(jī)等進(jìn)行橋梁外觀缺陷人工觀測(cè)。這種方法效率低、速度慢，覆蓋面不全、可追溯性差、信息零散非結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)處理建檔繁瑣，且檢測(cè)精度受環(huán)境與人為因素影響大，無(wú)法對(duì)病害進(jìn)行精確定位等缺點(diǎn)，一定程度上限制了橋梁檢測(cè)的準(zhǔn)確性與全面性，對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)管理工作產(chǎn)生了不利影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者開(kāi)始致力于將圖像處理與影像建模技術(shù)應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)的病害識(shí)別與檢測(cè)上，取得了一定研究成果，如表1所示。

表1 圖像處理與建模技術(shù)在橋梁檢測(cè)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

但是，到目前為止圖像處理與影像建模技術(shù)在橋梁的運(yùn)維與檢測(cè)上的大多數(shù)研究性成果或聚焦于結(jié)構(gòu)物的模型重構(gòu)，或?qū)Ｗ⒂诮Y(jié)構(gòu)裂縫等特征明顯的表面缺陷的識(shí)別與尺寸計(jì)算，無(wú)法對(duì)病害進(jìn)行三維空間的精確定位，更是缺少對(duì)模型重構(gòu)和特征記錄識(shí)別與空間定位這兩者的有效整合與信息的結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)庫(kù)化，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的直接分析與管理。

該文嘗試通過(guò)融合BIM技術(shù)與圖像處理和建模技術(shù)，結(jié)合規(guī)范與實(shí)際項(xiàng)目建立橋梁運(yùn)維管養(yǎng)建筑信息模型(BIM模型)分類及編碼標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，并針對(duì)橋梁外觀病害提出集圖像數(shù)據(jù)采集、圖像處理與建模、病害識(shí)別與測(cè)量、數(shù)據(jù)編碼與建庫(kù)的一整套橋梁檢測(cè)與維護(hù)系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法在橋梁檢測(cè)維護(hù)方面信息零散、覆蓋不全等一系列問(wèn)題。并以四川省遂寧市某高速公路橋梁為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行該系統(tǒng)的實(shí)例驗(yàn)證。

2 橋梁運(yùn)維BIM模型

2.1 運(yùn)維BIM模型的概念與特點(diǎn)

BIM(建筑信息模型，全稱Building Information Modeling)是一種將工程項(xiàng)目全壽命周期中各個(gè)不同階段的工程信息、過(guò)程和資源集成的三維數(shù)字化信息模型。對(duì)于高速公路橋梁的運(yùn)營(yíng)維護(hù)來(lái)講，運(yùn)維階段的BIM模型應(yīng)該是橋梁結(jié)構(gòu)的虛擬三維數(shù)字化，是將真實(shí)的幾何體逆向重構(gòu)于虛擬的數(shù)字開(kāi)發(fā)環(huán)境中。空間維度，它表達(dá)了橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，涵蓋了其幾何、空間、圖像、材質(zhì)等全方位靜態(tài)物理信息；時(shí)間維度，它記錄了橋梁全生命期的所有養(yǎng)護(hù)管理的動(dòng)態(tài)歷史信息。

高速公路運(yùn)維管養(yǎng)階段橋梁的BIM模型構(gòu)成的方式之一是通過(guò)現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)將真實(shí)世界橋梁結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中重構(gòu)，是異于傳統(tǒng)BIM應(yīng)用中由竣工圖紙翻模而得到的信息模型，二者在數(shù)據(jù)來(lái)源和準(zhǔn)確性上有本質(zhì)的區(qū)別。通過(guò)現(xiàn)實(shí)捕捉技術(shù)逆向得到的BIM模型應(yīng)包含橋梁所有狀態(tài)信息并建立科學(xué)評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)庫(kù)，在結(jié)構(gòu)化的大數(shù)據(jù)情形下實(shí)現(xiàn)橋梁評(píng)價(jià)的科學(xué)性、標(biāo)準(zhǔn)一致性。由此建立的運(yùn)維管養(yǎng)橋梁BIM模型具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、信息完整性的特點(diǎn)，能夠建立全服役期橋梁三維信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)，極大地提升管養(yǎng)維護(hù)效率和準(zhǔn)確性。

2.2 橋梁運(yùn)維BIM模型分類與編碼

為建立橋梁運(yùn)維BIM模型及其結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，該文借鑒建筑行業(yè)的分類、編碼標(biāo)準(zhǔn)，參考鐵路行業(yè)的相關(guān)方法，研究建立了一套運(yùn)維管養(yǎng)階段橋梁BIM模型分類與編碼規(guī)則。

中國(guó)鐵路行業(yè)《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》基于IFD標(biāo)準(zhǔn)，遵從ISO 12006-2框架體系。為建立與鐵路橋梁統(tǒng)一、共享的標(biāo)準(zhǔn)體系，在對(duì)公路橋梁進(jìn)行分類與描述時(shí)，使用按平面形態(tài)分橋梁、按受力形態(tài)分橋梁、按材料分橋梁相結(jié)合的方法進(jìn)行分類；由于公路橋梁的運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)均針對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)定，因此提出了橋梁運(yùn)維BIM模型按照橋梁工程實(shí)體組成構(gòu)件進(jìn)行分類與編碼的標(biāo)準(zhǔn)。

橋梁運(yùn)維信息模型編碼方案由實(shí)體構(gòu)件編碼+病害信息編碼構(gòu)成。實(shí)體構(gòu)件編碼采用逐級(jí)分類法，以拼音首字母(不超過(guò)3位)+3位數(shù)字結(jié)合的方式，首字母表示構(gòu)件名稱，數(shù)字表示構(gòu)件位置，編碼長(zhǎng)度不超過(guò)20位；橋梁結(jié)構(gòu)病害信息以2位字母+3位數(shù)字分類別進(jìn)行編碼，字母表示病害名稱，數(shù)字表示病害位置及編號(hào)。以主梁病害為例，其編碼方式見(jiàn)表2。

表2 橋梁病害分類與編碼(以主梁為例)

依據(jù)以上編碼規(guī)則，以一座簡(jiǎn)支梁橋1跨1號(hào)小箱梁底裂縫為例，其編碼如表3所示。

表3 實(shí)體構(gòu)件編碼(以簡(jiǎn)支梁橋小箱梁底裂縫為例)

依據(jù)以上規(guī)則，對(duì)細(xì)分到橋梁構(gòu)件的病害及養(yǎng)護(hù)信息結(jié)構(gòu)化，即建立橋梁運(yùn)維的三維信息數(shù)據(jù)庫(kù)。由此在橋梁運(yùn)維BIM模型上，每一個(gè)細(xì)微的病害信息都能被唯一地表示與記錄。而結(jié)合三維激光掃描的影像建模技術(shù)則為該BIM模型和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線。

3 基于影像建模技術(shù)的橋梁運(yùn)維BIM模型及病害數(shù)據(jù)庫(kù)建立

為獲得橋梁運(yùn)維BIM模型和橋梁病害信息，該文設(shè)計(jì)了一套高效率、高精度、可視化的橋梁模型重構(gòu)和病害檢測(cè)與建庫(kù)系統(tǒng)，主要包含3大部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、影像后處理建模系統(tǒng)、病害分析與建庫(kù)系統(tǒng)。總體技術(shù)流程如圖1所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用高分辨率單鏡頭反光式取景照相機(jī)進(jìn)行橋梁實(shí)景圖像數(shù)據(jù)的采集，用于后期圖像建模與病害分析；利用三維激光掃描儀進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)采集，為后期影像建模提供空間位置與尺寸參照。

3.2 影像數(shù)據(jù)處理與BIM模型建立

使用針對(duì)橋梁檢測(cè)開(kāi)發(fā)的傾斜攝影建模軟件進(jìn)行高分辨率橋梁三維模型的重構(gòu)。將采集到的手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，經(jīng)空中三角測(cè)量、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成、TIN網(wǎng)模型構(gòu)建和全自動(dòng)紋理映射，生成基于真實(shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景三維模型；同時(shí)依據(jù)拼接后的點(diǎn)云幾何模型對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行空間位置與尺寸校對(duì)，使二者精確配準(zhǔn)，以便后期病害識(shí)別與數(shù)據(jù)庫(kù)建立。

圖1 總體技術(shù)流程圖

3.3 橋梁病害識(shí)別與建庫(kù)

在獲得橋梁高分辨率實(shí)景三維模型后，其空間位置、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)材質(zhì)隨即獲得。同時(shí)專業(yè)人員在軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)橋梁外觀病害的識(shí)別與標(biāo)記，進(jìn)行長(zhǎng)度、寬度、面積的測(cè)量與三維空間定位，并依據(jù)橋梁運(yùn)維BIM模型分類與編碼規(guī)則，對(duì)各橋梁及其構(gòu)件病害進(jìn)行編碼，最終形成橋梁運(yùn)維BIM模型及數(shù)據(jù)庫(kù)，交付給高速公路管理單位作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)方案確定提供重要依據(jù)。

4 工程試驗(yàn)

為驗(yàn)證以上提出的基于影像建模技術(shù)的橋梁運(yùn)維BIM模型與病害數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法的可操作性與準(zhǔn)確性，現(xiàn)選取四川省遂寧市某高速公路主線橋?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象，進(jìn)行全流程試驗(yàn)。該大橋2010年8月正式開(kāi)工建設(shè)，至今已通車運(yùn)營(yíng)5年，為多跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁橋，橋梁全長(zhǎng)266.1 m，全寬24.5 m。截至試驗(yàn)前，該橋右幅第7跨梁底已出現(xiàn)部分外觀病害，已進(jìn)行兩次定期檢查，病害數(shù)據(jù)較全面，可作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的參照。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，為便于數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)選取左幅第7跨梁底，采用NIKON D7200單鏡頭高分辨率數(shù)碼相機(jī)和FARO Focus3D激光掃描儀，在利用蓋梁底黑白棋盤和靶標(biāo)球進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定和掃描儀定位后，沿梁走向以固定頻率依次對(duì)梁側(cè)、梁底進(jìn)行影像采集，保證30%～40%的旁向重疊率。

4.2 圖像處理與建模

將橋梁多視影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，對(duì)圖像中的特征點(diǎn)進(jìn)行提取后，經(jīng)相對(duì)定向、連接點(diǎn)匹配等步驟，運(yùn)算處理得到橋梁實(shí)景三維模型。

由于軟件自動(dòng)建立的模型空間比例尺與相對(duì)位置有較大誤差，精度上無(wú)法滿足檢測(cè)時(shí)的測(cè)量要求，需進(jìn)行校正。

以此對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行空間比例尺校正，最終得到高精度、實(shí)景化的橋梁實(shí)景BIM模型，為病害檢測(cè)提供了完整數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖2 橋梁點(diǎn)云模型測(cè)距

圖3 橋梁實(shí)景三維模型校正

圖4 橋梁實(shí)景BIM模型

4.3 病害分析與建檔

此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工作實(shí)際工時(shí)2.5 h，內(nèi)業(yè)建模與病害檢測(cè)實(shí)際工時(shí)2 h，共采集高清照片879張，點(diǎn)云數(shù)據(jù)6.7 G，利用實(shí)景影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立了橋梁運(yùn)維BIM模型，為橋梁檢測(cè)工程師提供了三維可視化的可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

限于篇幅，該文選取識(shí)別出的幾種典型病害進(jìn)行分析。圖5為基于該模型對(duì)一混凝土梁腹板縱向裂縫的標(biāo)記與測(cè)量結(jié)果，在對(duì)裂縫進(jìn)行標(biāo)記的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算其長(zhǎng)度、寬度，并生成相應(yīng)編碼進(jìn)入橋梁運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)；圖6進(jìn)一步展示了對(duì)該裂縫進(jìn)行空間定位的結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量裂縫標(biāo)記處4個(gè)拐點(diǎn)的坐標(biāo)值，精確定位出該裂縫的起終點(diǎn)及走向，這對(duì)未來(lái)基于檢測(cè)數(shù)據(jù)的病害持續(xù)追蹤與發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)具有重要意義。

圖5 混凝土小箱梁底縱向裂縫測(cè)量

圖6 梁底縱向裂縫定位

圖7為基于該模型識(shí)別出的混凝土剝落病害；圖8為橋梁病害的數(shù)據(jù)庫(kù)建立與病害信息統(tǒng)計(jì)表導(dǎo)出過(guò)程，為養(yǎng)護(hù)管理單位的修復(fù)方案制定提供了完整全面的數(shù)據(jù)。

圖7 橫隔板混凝土剝落標(biāo)記

圖8 橋梁病害數(shù)據(jù)庫(kù)建立與導(dǎo)出

表4分別統(tǒng)計(jì)了傳統(tǒng)橋檢方法和基于橋梁運(yùn)維BIM模型的病害檢測(cè)結(jié)果，并進(jìn)行了對(duì)比。

表4 橋梁病害識(shí)別結(jié)果對(duì)比(7跨)

注：L為裂縫長(zhǎng)度；W為裂縫寬度；S為剝落混凝土面積。

結(jié)果表明：基于模型的檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)方法漏檢的橫隔板和翼緣板混凝土剝落、支座外鼓等病害4處，病害檢出率高，規(guī)避了傳統(tǒng)方法當(dāng)漏檢病害數(shù)量達(dá)到一定閾值時(shí)，可能會(huì)對(duì)不同權(quán)重占比的橋梁構(gòu)件技術(shù)狀況評(píng)分產(chǎn)生較大影響的情況；尺寸測(cè)量更精確，平均相對(duì)誤差7.34%，標(biāo)準(zhǔn)差3.30%，識(shí)別精度提高到92.64%。

綜合以上檢測(cè)結(jié)果，基于BIM的影像建模技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中，具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 實(shí)現(xiàn)了橋梁信息全覆蓋。傳統(tǒng)橋檢方法主要依賴于人眼識(shí)別，受天氣、溫度、人為主觀因素等影響，部分橋梁病害可能會(huì)被橋檢工程師遺漏；圖像是具有高可靠度的數(shù)據(jù)源，基于圖像逆向建立的橋梁運(yùn)維BIM模型，100%還原了橋梁空間位置與構(gòu)件尺寸信息、圖像與材質(zhì)信息、病害與養(yǎng)護(hù)信息，提高了檢測(cè)信息的準(zhǔn)確性，相較于傳統(tǒng)人工橋梁檢測(cè)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2) 建立了結(jié)構(gòu)化橋梁運(yùn)維信息數(shù)據(jù)庫(kù)。該方法在標(biāo)記、測(cè)量病害的同時(shí)，即完成了對(duì)該病害的編碼與檔案建立，其類型、位置、空間尺寸隨即進(jìn)入橋梁運(yùn)維BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了海量運(yùn)維數(shù)據(jù)的組織性、聯(lián)系性，并可實(shí)現(xiàn)三維可視化展示。這對(duì)養(yǎng)護(hù)工程師實(shí)現(xiàn)病害的定時(shí)跟蹤、多期數(shù)據(jù)的對(duì)比與追溯、未來(lái)大數(shù)據(jù)環(huán)境下的橋梁信息化健康狀況監(jiān)測(cè)具有深遠(yuǎn)意義。

(3) 提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、獲取便利性，適用面寬、靈活性好、安全性高。現(xiàn)場(chǎng)僅運(yùn)用圖像采集設(shè)備即可快速獲取橋梁信息，無(wú)需攜帶其他專業(yè)設(shè)備與技術(shù)人員，大量檢測(cè)工作均可室內(nèi)操作，且識(shí)別精度達(dá)到92.64%，提高了橋梁檢測(cè)適應(yīng)性與靈活性，極大保障了檢測(cè)工程師的安全。

5 結(jié)論

創(chuàng)新性地提出了一種運(yùn)維階段的BIM模型的概念，建立了一套模型編碼標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法；提出并采用了一種融合BIM 與影像建模技術(shù)的橋梁檢測(cè)方法，有效解決了現(xiàn)行橋梁檢測(cè)信息零散化、可追溯性差的問(wèn)題。該方法在保證檢測(cè)精度的條件下，可提高檢測(cè)效率與可視化程度，初步實(shí)現(xiàn)檢測(cè)維護(hù)信息的全覆蓋、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和病害的精確定位。工程試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，具有準(zhǔn)確、高效、全面、安全的特點(diǎn)。未來(lái)的高速公路橋梁日常檢查和定期檢查中，在環(huán)境條件和技術(shù)水平具備的條件下，嘗試應(yīng)用該技術(shù)，逐步積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將對(duì)高速公路橋梁檢測(cè)與維護(hù)具有重要意義。