BIM技術(shù)在橋梁管理可視化中的應(yīng)用研究

宋 華，謝 艷，張浩陽(yáng)，常 軍

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

橋梁是交通咽喉要道，橋梁的健康安全對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。然而長(zhǎng)期連續(xù)的復(fù)雜環(huán)境荷載使橋梁產(chǎn)生不同程度的損傷，若其安全性和耐久性降到設(shè)計(jì)要求之下，則其承受自然災(zāi)害的能力下降，在突發(fā)狀況時(shí)，極有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的事故[1]。因此，采用科學(xué)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估手段，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)與可視化監(jiān)控管理，對(duì)確保橋梁的可靠性、安全性和耐久性極為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在橋梁運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)及系統(tǒng)管理方面開(kāi)展了大量研究[2]。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的橋梁健康管理系統(tǒng)(BMS)是一個(gè)為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段提供決策支持的集成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但其存在以下問(wèn)題：1)缺失健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化顯示；2)不能實(shí)時(shí)預(yù)警橋梁安全狀況；3)不能同步共享信息。

BIM被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)，技術(shù)日漸成熟，這為橋梁管理系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理開(kāi)拓了新思路。BIM建筑項(xiàng)目是對(duì)全生命周期數(shù)字化、信息化的表達(dá)。目前，BIM技術(shù)主要是用于橋梁設(shè)計(jì)和施工階段，而將其運(yùn)用到橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的研究較少。王晶[3]使用3Dmax建立橋梁的三維模型，并將模型搭載到WebGL中，可視化顯示了橋梁監(jiān)測(cè)狀態(tài)，但該平臺(tái)未能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入模型，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化顯示。李志鵬[4]采用Blender軟件對(duì)橋梁進(jìn)行了三維建模，能夠?qū)崿F(xiàn)模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，但模型建立與渲染復(fù)雜，文件解析困難，管理人員不易掌握操作，人機(jī)使用界面并不友好。

為此，本文將BIM技術(shù)與橋梁健康監(jiān)測(cè)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了“BIM+BMS”的新型橋梁管理系統(tǒng)，利用Dynamo進(jìn)行輕量化建模，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自診斷，將模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三維可視化與實(shí)時(shí)預(yù)警功能，提高了模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，以期為BIM技術(shù)在橋梁管理系統(tǒng)中的應(yīng)用提供新的思路與方法。

1 BMS傳統(tǒng)橋梁管理系統(tǒng)

橋梁管理系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)接收橋梁維護(hù)信息并對(duì)數(shù)據(jù)加以計(jì)算分析，是輔助規(guī)范化橋梁養(yǎng)護(hù)管理和決策的信息技術(shù)。橋梁的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是橋梁管理系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對(duì)橋梁的安全狀態(tài)做出準(zhǔn)確的評(píng)估[5]。橋梁管理系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 橋梁管理系統(tǒng)基本框架

BMS系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)傳感器獲得橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與信號(hào)，根據(jù)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演出橋梁的安全狀態(tài)，識(shí)別損傷部位以及損傷程度，對(duì)橋梁安全性進(jìn)行評(píng)估，監(jiān)督橋梁定期檢查，為橋梁養(yǎng)護(hù)提供支持[6]。然而，BMS系統(tǒng)用在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中還存在許多問(wèn)題，如在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)時(shí)，每min都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。如何高效、實(shí)時(shí)、可視、共享監(jiān)測(cè)成果，讓參與方能隨時(shí)動(dòng)態(tài)了解其管轄范圍內(nèi)橋梁的安全狀況，需對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，為橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)估提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前大部分的橋梁管理系統(tǒng)對(duì)于監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)只進(jìn)行保存，而未進(jìn)行處理，往往會(huì)導(dǎo)致以下幾個(gè)問(wèn)題：1)監(jiān)測(cè)頻率低，監(jiān)測(cè)結(jié)果滯后，不能直觀反映損傷位置和狀況；2)橋梁安全預(yù)警缺乏實(shí)時(shí)性，不能及時(shí)進(jìn)行損傷預(yù)警；3)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為信息孤島，無(wú)法在工程各參與方中實(shí)現(xiàn)共享與傳遞，與橋梁管理系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接[7]。因此，要解決上述不足的途徑是將BIM技術(shù)應(yīng)用在橋梁管理系統(tǒng)中。

2 BMS+BIM整體架構(gòu)

可視代指通過(guò)圖像或動(dòng)畫(huà)等一些多媒體介質(zhì)的手段將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生動(dòng)形象地表達(dá)出來(lái)的方式，更易理解監(jiān)測(cè)信息。因此，監(jiān)測(cè)信息可視化對(duì)于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義[8]。

2.1 數(shù)據(jù)建模

本文主要以Revit為核心平臺(tái)，利用Dynamo插件進(jìn)行橋梁參數(shù)化建模，建立輕量化模型。在Dynamo模型中設(shè)置lOT物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，將傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(BMS管理數(shù)據(jù))導(dǎo)入模型中，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變橋梁參數(shù)，聯(lián)動(dòng)改變橋梁三維模型，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化功能[9]。利用Python語(yǔ)言處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，整體架構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)的基本目標(biāo)是將監(jiān)控測(cè)點(diǎn)與數(shù)據(jù)等信息與輕量化的模型關(guān)聯(lián)起來(lái)，在橋梁運(yùn)行狀況異常時(shí)，及時(shí)觸發(fā)橋梁預(yù)警信號(hào)，為橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策提供依據(jù)與指導(dǎo)。

圖2 BMS+BIM整體架構(gòu)

2.2 參數(shù)化模塊

基于對(duì)象參數(shù)化建模是BIM技術(shù)的基礎(chǔ)，Dynamo可以將程序信息帶入BIM環(huán)境。Dynamo是一款參數(shù)化設(shè)計(jì)插件，可與Revit等基于BIM的軟件緊密配合。Dynamo具有自己獨(dú)特的編程語(yǔ)言，同時(shí)也兼容了Python腳本語(yǔ)言，這種可視化的編程語(yǔ)言能夠提供可視化塊調(diào)色板。Dynamo使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)基于節(jié)點(diǎn)的可視化編譯接口設(shè)置自動(dòng)計(jì)算過(guò)程或平臺(tái)，以便設(shè)計(jì)人員能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)處理并關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)控制，具體由以下5個(gè)部分組成，其流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化流程

1)橋梁布置：根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置傳感器，利用Arduino平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2)創(chuàng)建BIM模型：通過(guò)Dynamo快速建立輕量化三維模型，提高建模效率。

3)數(shù)據(jù)接收和傳輸：通過(guò)Firefly套件創(chuàng)建編碼，并將傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與參數(shù)模型連接，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件與輸入/輸出設(shè)備之間的空白。

4)需求參數(shù)化：根據(jù)不同情況下的橋梁監(jiān)測(cè)需求，使用Dynamo建立自定義節(jié)點(diǎn)的操作規(guī)則。

5)決策支持：將傳統(tǒng)BMS數(shù)據(jù)系統(tǒng)搭載于BIM模型的可視化功能，通過(guò)改變需求參數(shù)化模塊以變換模型，給決策者提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。

BMS+BIM平臺(tái)監(jiān)測(cè)頻率高，監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)，能直接動(dòng)態(tài)反映橋梁的損傷位置與損傷狀況，同時(shí)該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁安全預(yù)警的實(shí)時(shí)性，即能及時(shí)預(yù)警損傷，并在不同參與方中實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞與共享[10]。通過(guò)該平臺(tái)，決策者能夠快速預(yù)估橋梁的使用狀態(tài)，做出橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理的決策。

3 工程實(shí)例

3.1 建立拱橋模型

上海某拱橋主跨188 m，全橋長(zhǎng)715 m，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置廣而多，需要一個(gè)清晰、明確、直觀的載體展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便在警報(bào)發(fā)生時(shí)，能夠準(zhǔn)確直觀地觀察橋梁預(yù)警部位，因此需要建立一個(gè)輕量化模型來(lái)搭載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其步驟如下：

1)根據(jù)橋梁跨長(zhǎng)與橋梁橫截面長(zhǎng)度，輸入X值與Y值，模型中的Z值由Arduino傳感器輸入；2)利用Dynamo建模軟件中NurbsCurve.ByPoints、Surface.ByLoft和Surface.Thicken三個(gè)節(jié)點(diǎn)完成由點(diǎn)、線、面、體的橋面建模；3)拱圈的起點(diǎn)、終點(diǎn)與拱頂3個(gè)點(diǎn)確定了拱圈完整路徑，利用Curve.SweepAsSolid節(jié)點(diǎn)，輸入截面與路徑參數(shù)，得到拱圈實(shí)體；4)利用Curve.PointAtParemeter節(jié)點(diǎn)是獲得系桿、風(fēng)撐相對(duì)于拱圈的位置，最后獲取系桿、風(fēng)撐實(shí)體[11]，實(shí)現(xiàn)拱橋的快速輕量化建模，如圖4所示。利用Dynamo建立的模型，在后期修改時(shí)只需修改橋梁各項(xiàng)實(shí)際參數(shù)，即可對(duì)橋梁整體模型進(jìn)行聯(lián)動(dòng)修改[11]。

圖4 Dynamo拱橋輕量化模型

3.2 傳感器布置

傳感器主要布設(shè)在主橋的鋪裝層內(nèi)。主梁的線形是反映當(dāng)前大橋內(nèi)力狀態(tài)的重要指標(biāo)，其中主梁撓度是識(shí)別橋梁內(nèi)力狀態(tài)最重要的輸入?yún)?shù)，主梁下?lián)隙缺O(jiān)測(cè)統(tǒng)一采用基于密閉連通管原理且有大量工程實(shí)踐應(yīng)用的壓力變送器，具體安裝在主梁的 1/4 跨、1/2跨、3/4跨和兩端支點(diǎn)處，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)截面示意

3.3 Arduino導(dǎo)入傳統(tǒng)BMS數(shù)據(jù)

使用Firefly套件創(chuàng)建一個(gè)鏈接Dynamo和Arduino的節(jié)點(diǎn)，形成交互原型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dynamo，如圖6所示。壓力變送傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的撓度變形值，通過(guò)Python腳本，利用eval()函數(shù)將獲取的string類(lèi)型的數(shù)值變換為float類(lèi)型。壓力變送傳感器獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)值改變橋面板定位點(diǎn)的參數(shù)，使橋梁模型的變形與實(shí)際橋梁變形同步，實(shí)現(xiàn)撓度可視化。橋梁在正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下產(chǎn)生的撓度值通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳入輕量化模型并修改模型橋面板定位參數(shù)，橋梁變形在模型上可直觀顯示。

圖6 Arduino與Dynamo的連接過(guò)程

3.4 三維模型可視化預(yù)警

以上海某拱橋?yàn)槟Ｐ徒idas有限元分析模型，并得到該拱橋撓度變形的最大值，將最大變形絕對(duì)值設(shè)為撓度閥值，如圖7所示。預(yù)警閾值需要分級(jí)，本文采取以 5%、1%超越概率的極值或均方根的值為通常值及限值的分級(jí)方式[11]。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)值與各級(jí)閾值的比較，模型自動(dòng)判斷是否向管理人員報(bào)警。橋面板著色主要是通過(guò)節(jié)點(diǎn)GeometryColor.ByGeometryColor實(shí)現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)值與各級(jí)閾值的比值，獲取0-1內(nèi)不同顏色顯示[12-15]。

圖7 Midas計(jì)算模型

本文采用的數(shù)據(jù)為實(shí)際新建橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在模型中難以將其預(yù)警功能充分體現(xiàn)。因此另外模擬了不同的異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向橋梁管理人員進(jìn)行預(yù)警的過(guò)程。假設(shè)實(shí)際橋梁主梁3/4跨處的傳感器數(shù)值異常，異常值接近撓度閾值，則轉(zhuǎn)化為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橋面板呈現(xiàn)橙色；當(dāng)假設(shè)數(shù)值超過(guò)預(yù)警值時(shí)，橋面板損傷處呈現(xiàn)紅色，如圖8所示。模型向管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，假設(shè)橋梁設(shè)施需要進(jìn)行維修，可利用BIM模型進(jìn)行快速定位，為后期維修管理工作提高效率。

圖8 橋梁預(yù)警狀態(tài)模擬

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)警和可視化的不足，采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁管理(BMS)的可視化，為橋梁狀態(tài)評(píng)估提供了方便，并得到如下結(jié)論：

1)模型與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的參數(shù)化動(dòng)態(tài)鏈接，提高了模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)了模型變形實(shí)時(shí)可視化特色功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中存在的問(wèn)題和缺陷。

2)對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，由此對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行預(yù)警，對(duì)結(jié)構(gòu)的具體損傷構(gòu)件和損傷區(qū)域進(jìn)行定位，為決策人員提供了有效的分析決策依據(jù)。