基于BIM的橋梁健康監(jiān)測及信息集成

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 前言

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是保障橋梁安全運(yùn)營的重要技術(shù)手段，已在國內(nèi)外眾多橋梁工程中得到應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在海量數(shù)據(jù)可讀性差、突發(fā)事件下難以評估等缺點(diǎn)。借助BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，提出新型“BIM+健康監(jiān)測”模式下橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)了基于BM 的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橋梁安全運(yùn)營的多用戶協(xié)同管理以及監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)一體化運(yùn)維管理。

近年來，我國的橋梁建設(shè)取得了長足發(fā)展，但橋梁的使用狀況并不樂觀。由于復(fù)雜環(huán)境負(fù)荷的持續(xù)作用而導(dǎo)致的退化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)預(yù)期。如何確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行已成為政府，業(yè)主和公眾的難題。這是一個(gè)重要的問題。結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測外部影響和結(jié)構(gòu)反作用力來評估橋梁的安全性能，并已作為國內(nèi)外公認(rèn)的重要技術(shù)工具應(yīng)用于國內(nèi)外許多橋梁，以確保橋梁的安全運(yùn)行。但是，橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的各種傳感器每天都會(huì)收集大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。如何科學(xué)有效地管理和使用這些監(jiān)測數(shù)據(jù)以防止這些監(jiān)測數(shù)據(jù)成為“表面形式”，這是橋梁條件面臨的關(guān)鍵問題。

BIM 技術(shù)在建筑行業(yè)中日趨成熟的應(yīng)用為橋梁狀況監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理開辟了新思路。建筑信息模型（或建筑信息模型）技術(shù)（BIM，建筑信息模型）旨在以數(shù)字和非正式的方式代表建筑項(xiàng)目在其整個(gè)生命周期中的各種物理和功能特征。BIM 技術(shù)及其應(yīng)用屬于一個(gè)具有廣闊發(fā)展空間的新學(xué)術(shù)領(lǐng)域，自ChuckEastman 在1970年代提出以來，它以其強(qiáng)大的可視化性能，高協(xié)調(diào)性和便捷性在工程領(lǐng)域引起了很多關(guān)注。畫畫。目前，BIM 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于房屋建筑領(lǐng)域，并且對諸如橋梁之類的基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用研究也在逐步發(fā)展。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段使用BIM 技術(shù)可帶來33，360 個(gè)專業(yè)協(xié)作設(shè)計(jì)優(yōu)化，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，管道崩潰檢查，更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)審查（包括有限元?jiǎng)恿W(xué)分析），綠色建筑模擬和更精確的工廠等優(yōu)勢。預(yù)制零件的機(jī)加工。在施工階段，BIM 技術(shù)還廣泛用于施工過程模擬和施工進(jìn)度管理，將3D 模型轉(zhuǎn)換為2D 工程圖，相關(guān)數(shù)據(jù)管理以及質(zhì)量和安全管理。但是，除了資產(chǎn)管理應(yīng)用程序外，在運(yùn)行和營養(yǎng)保護(hù)階段，BIM 技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)的安全性，適用性和耐用性方面的應(yīng)用相對較少。

本文在充分調(diào)研傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM 可視化技術(shù)及其BIM 模型應(yīng)用，開發(fā)了新型“BIM+健康監(jiān)測”模式下的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，建立了海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的自診斷、可視化、實(shí)時(shí)預(yù)警和安全評估的綜合管理平臺，實(shí)現(xiàn)了橋梁安全運(yùn)營的多用戶協(xié)同管理以及監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)一體化運(yùn)維管理，為BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用提供新思路和方法。

1 傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)最早源自于航天航空領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代逐漸引入土木工程行業(yè)，在橋梁領(lǐng)域發(fā)展迅速。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展可以劃分為3 個(gè)階段。早期橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)屬于單項(xiàng)健康監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器種類有限，采集設(shè)備安全度不高，監(jiān)測時(shí)間有間隔，不連續(xù)。經(jīng)過多年發(fā)展，橋梁第二代健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器種類大大豐富，采集系統(tǒng)較為完善，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，并且有數(shù)據(jù)庫管理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。目前發(fā)展到橋梁第三代健康監(jiān)測系統(tǒng)，在第二代監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，并利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的在線評估、在線預(yù)警，并為深入地離線評估提供支持。

盡管橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)已在國內(nèi)外眾多橋梁中得到應(yīng)用，然而，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)只進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與保存，在以下幾方面仍有諸多問題：

橋梁安全預(yù)警的實(shí)時(shí)性。橋梁在長期運(yùn)營過程中，因受各種因素的影響會(huì)逐漸出現(xiàn)病害，其結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，進(jìn)而嚴(yán)重威脅著橋梁的運(yùn)營安全。為滿足橋梁長期安全服役的需求，需要對橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件或者整體結(jié)構(gòu)開展失效分析與預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對橋梁可能的失效模式進(jìn)行安全預(yù)警、控制和處理，實(shí)現(xiàn)橋梁服役失效可防、可減、可控。

突發(fā)事件下的安全評估。橋梁運(yùn)營過程中不可避免發(fā)生車/船撞擊、臺風(fēng)和地震作用或其他嚴(yán)重突發(fā)事件，需要及時(shí)準(zhǔn)確地對橋梁的服役狀態(tài)進(jìn)行評估并提供安全應(yīng)急管理措施，保障橋梁運(yùn)營暢通及通行人員的安全。為此，需要建立突發(fā)事件下橋梁安全運(yùn)營管理平臺，通過動(dòng)畫、聲音、電子郵件、短消息等多種形式實(shí)現(xiàn)橋梁安全預(yù)警的可視化綜合分析及動(dòng)態(tài)管理。

2 橋梁健康監(jiān)測

由于從橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)具有大規(guī)模，多維，復(fù)雜和隨機(jī)的特點(diǎn)，因此監(jiān)測到的數(shù)據(jù)包含大量的無效信息和干擾信息，使得監(jiān)測結(jié)果無效。因此，有必要為收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立一種自診斷方法，以保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化，由于所涉及的監(jiān)測指示器的多樣性而對橋梁狀況的監(jiān)測以及為每個(gè)指示器獲得的大量信息。從業(yè)者努力地正確理解這種監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，有必要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化以滿足行業(yè)相關(guān)人員的需求。實(shí)時(shí)警報(bào)。橋梁將從施工開始一直運(yùn)行直至達(dá)到使用壽命。為了滿足橋梁的長期安全服務(wù)需求，有必要通過對橋梁的關(guān)鍵位置進(jìn)行故障分析和預(yù)測并及早預(yù)警，控制和處理可能的橋梁安全問題來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)。使時(shí)間警報(bào)和橋接健康問題可預(yù)防和控制。緊急情況下的安全評估。在橋梁運(yùn)營期間，不可避免發(fā)生嚴(yán)重的緊急情況，例如車輛/船舶碰撞，臺風(fēng)和地震。為了使橋梁平穩(wěn)運(yùn)行，必須及時(shí)準(zhǔn)確評估橋梁的運(yùn)行狀況，并提供安全應(yīng)急管理措施。過往人員的安全。因此，有必要建立應(yīng)急的橋梁安全運(yùn)行管理平臺，并通過動(dòng)畫，語音，電子郵件，短文本等多種形式實(shí)現(xiàn)橋梁安全預(yù)警的綜合可視化分析和動(dòng)態(tài)管理。

如果今天提倡“ Internet+”，則工業(yè)信息化是一個(gè)普遍趨勢，BIM 技術(shù)的積極推廣和深化將有助于結(jié)構(gòu)性產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級。結(jié)合BIM 技術(shù)，BIM數(shù)據(jù)模型，空間定位和Internet 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)共享以及用于狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)共享，從而形成“信息集成監(jiān)測”的概念，從而得到深入應(yīng)用和積極擴(kuò)展。分析和健康評估等服務(wù)功能可提供全面而完整的信息解決方案。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施單元，橋梁管理單元和政府管理部門第三方專家評估的開放權(quán)限，從而實(shí)現(xiàn)了多用戶集成平臺?；谝陨戏治?，構(gòu)建了一種橋梁工程狀態(tài)監(jiān)測與BIM 技術(shù)相結(jié)合的BIM 協(xié)作平臺，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)源提供了及時(shí)，準(zhǔn)確，可追溯和集成的狀態(tài)監(jiān)測與維護(hù)能力。以及跨學(xué)科協(xié)作管理服務(wù)。

“信息集成監(jiān)測”模式下的橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括狀態(tài)監(jiān)測模塊，擴(kuò)展計(jì)算模塊和通過數(shù)據(jù)庫連接的BIM 模塊。健康監(jiān)測模塊收集并分析數(shù)據(jù)，獲取壓力和位移等監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)據(jù)結(jié)果，并將其存儲在健康監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中。擴(kuò)展計(jì)算模塊采用不同的算法，根據(jù)不同的監(jiān)控項(xiàng)將單個(gè)傳感器的計(jì)算結(jié)果擴(kuò)展到整個(gè)橋梁，并根據(jù)組件類別存儲擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫。傳感器的測點(diǎn)布設(shè)如表1所示。BIM 數(shù)據(jù)庫鏈接到前兩個(gè)數(shù)據(jù)庫，并且主要檢索結(jié)果并將其存儲在中間數(shù)據(jù)庫中，并通過BIM 模型進(jìn)行顯示。它的主要功能分為4 個(gè)模塊：傳感器自我診斷和維護(hù)模塊，狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)BIM 可視化模塊，日常工作中的統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警模塊，極端情況下的鏈接分析和評估模塊。

針對數(shù)據(jù)丟失，丟失，數(shù)據(jù)趨勢突然變化，數(shù)據(jù)漂移，數(shù)據(jù)奇異性，監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期干擾和噪聲干擾等失真源，建立了一系列的監(jiān)測數(shù)據(jù)自我診斷和預(yù)處理方法。BIM 數(shù)據(jù)庫監(jiān)測數(shù)據(jù)使用預(yù)處理程序進(jìn)行編譯。該程序的主要功能是通過確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性來智能識別異常狀況監(jiān)測數(shù)據(jù)并糾正異常值。該程序算法的特點(diǎn)是將許多智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的自診斷和校正，以及多維和多角度異常數(shù)據(jù)的識別。算法包括支持向量機(jī)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法，小波分析等。

3 BIM 的應(yīng)用重要性

BIM 適用于建筑物的整個(gè)生命周期，對于建筑物的設(shè)計(jì)，建造，運(yùn)營和維護(hù)具有重要意義。通過建筑物BIM 形成的三維物理圖像解決了人腦難以想象復(fù)雜建筑物面對的空間的問題，因?yàn)樗梢灾庇^地在人面前顯示復(fù)雜且不同的建筑物[2]。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將施工過程中的更改及時(shí)傳達(dá)給項(xiàng)目參與者，以采取行動(dòng)。這減少了施工期間的返工成本，改善了項(xiàng)目各方之間的及時(shí)溝通，并為企業(yè)帶來了巨大的利益。通過使用BIM 模型的非幾何信息，例如建筑物設(shè)計(jì)和施工階段的數(shù)據(jù)信息，檢查信息，設(shè)備信息，可以管理建筑物的運(yùn)行和維護(hù)，資產(chǎn)管理，防災(zāi)等，以及整個(gè)建設(shè)項(xiàng)可以管理生命周期內(nèi)生成的數(shù)據(jù)。BIM 的最大優(yōu)點(diǎn)是改善了建設(shè)項(xiàng)目的信息化，并改善了項(xiàng)目期間信息的動(dòng)態(tài)傳遞。

此外，BIM 模型還可以用作查詢，更正和刪除檢查信息的可視介質(zhì)，并且可以合并在橋梁檢查過程中生成的數(shù)據(jù)信息，例如疾病描述，檢查照片和其他非幾何信息。橋梁測試計(jì)劃包括各種測試設(shè)備的布局，例如應(yīng)變儀，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載測試負(fù)載，車輛的負(fù)載位置和負(fù)載順序。在傳統(tǒng)的橋梁檢查中，這只能通過各種符號表示在二維圖紙上，并且很難直觀地展示檢查計(jì)劃，現(xiàn)在對于已制定的計(jì)劃，監(jiān)測技術(shù)通過虛擬仿真生成各種檢測設(shè)備和動(dòng)載集成到BIM 模型，管理人員即使沒有前往實(shí)地參與實(shí)驗(yàn)檢測也能夠通過模型直觀的評估檢查計(jì)劃的實(shí)施。

4 BIM 的集成應(yīng)用

BIM 模型是自定義模型，可以根據(jù)需要自定義模型的屬性欄，從而使檢查員可以在檢查過程中根據(jù)現(xiàn)場的各個(gè)組件進(jìn)行記錄。工作完成后，根據(jù)現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)，判斷工作狀態(tài)，并記錄檢查后的距離，為以后的檢查提供參考資料[4]。獲取所有檢查數(shù)據(jù)后，可以使用BIM 模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行清理和分析。詳細(xì)列表以表格格式顯示從項(xiàng)目的默認(rèn)元素屬性中提取的信息。詳細(xì)表可以列出原始類型的每個(gè)實(shí)例，過濾器可以過濾所需的數(shù)據(jù)。如果橋梁檢查員需要分析特定數(shù)據(jù)，則可以選擇數(shù)據(jù)并選擇顯示功能來放大并在模型視圖中顯示組件，以查明復(fù)雜BIM 模型中的確切位置[5]。

集成系統(tǒng)風(fēng)監(jiān)測的主要功能是監(jiān)測外部風(fēng)的大小和方向等狀況，其架構(gòu)圖如圖1所示。橋梁建造完成后，除了在外來人員和車輛通過過程中產(chǎn)生的負(fù)載外，它承受的外部風(fēng)力也是主要負(fù)載的一部分。預(yù)警閾值具有一定的及時(shí)性，因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的性能具有隨時(shí)間變化的重要特征。結(jié)合實(shí)際服務(wù)狀態(tài)，必須定期檢查，補(bǔ)充，更正和優(yōu)化各種參數(shù)的閾值。最大限度地減少預(yù)警的發(fā)生，降低結(jié)構(gòu)的運(yùn)營和維護(hù)成本通常，環(huán)境溫度的變化也會(huì)改變橋梁部件的溫度，并且部件溫度的變化會(huì)在部件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。不同類型的橋組件對溫度變化的敏感性不同，導(dǎo)致每個(gè)橋組件在相同環(huán)境溫度下的溫度分布復(fù)雜。環(huán)境溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成可以識別每個(gè)組件的溫度分布規(guī)律，并為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。在彎曲變形的情況下，橋梁結(jié)構(gòu)的撓度是指梁軸在垂直于軸的方向上的線性位移，或在變形超過時(shí)板殼在垂直于中平面的方向上的線性位移。一種。某些值會(huì)影響腿的使用。從橋梁建造到使用過程中發(fā)生問題時(shí)的危險(xiǎn)橋梁重建過程中，都必須準(zhǔn)確監(jiān)測橋梁撓度值，該數(shù)據(jù)是橋梁狀態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)之一，具有重要的延續(xù)性參考價(jià)值。使用腿。橋梁是公路運(yùn)輸船的核心結(jié)構(gòu)之一。由于諸如混凝土蠕變和預(yù)應(yīng)力損失等因素，應(yīng)力分布與理論值有所不同，如圖2所示。由于橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力會(huì)影響橋梁的性能，因此需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量。

圖1 集成系統(tǒng)架構(gòu)圖（來源：百度文庫）

圖2 健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析效果對比圖（來源：百度文庫）

圖3 基于BIM 碰撞檢查的實(shí)時(shí)預(yù)警流程圖（來源：百度文庫）

從獲取檢查過程的基本數(shù)據(jù)開始，檢查人員可以基于BIM 模型獲取橋梁結(jié)構(gòu)信息和歷史檢查信息，并利用BIM 技術(shù)的視覺直觀性來實(shí)現(xiàn)測量點(diǎn)布局計(jì)劃和檢查設(shè)備布局模擬。在執(zhí)行現(xiàn)場檢查時(shí)，檢查人員將自定義屬性列添加到特定的組件模型中，例如在伸縮縫上添加間隙，以完全記錄組件的損壞狀態(tài)。檢查人員在處理檢查信息時(shí)，可以用清單或貼花的形式將檢查照片集成到模型中，根據(jù)檢查數(shù)據(jù)和技術(shù)狀態(tài)評價(jià)來判斷組件的運(yùn)行狀態(tài)，并為它們著色以提示檢查人員和管理人員。操作人員可以更直觀地掌握橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，準(zhǔn)確掌握橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，減少了對監(jiān)測信息的理解和分析的難度，為橋梁結(jié)構(gòu)的健康評估提供了方便。最后我們使用BIM 的詳細(xì)列表功能來構(gòu)建測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫，為管理部門進(jìn)行長期分析提供基礎(chǔ)[6]。

表1 傳感器的測點(diǎn)布設(shè)

5 結(jié)果與討論

考慮到現(xiàn)有橋梁檢查中存在的問題，深入分析了BIM 技術(shù)在橋梁檢查中的有效性和優(yōu)點(diǎn)。我們?yōu)闃蛄嚎勺兘孛嫦淞洪_發(fā)了基于BIM 的參數(shù)化建模插件，并研究了如何在橋梁BIM 模型的基礎(chǔ)上將BIM 應(yīng)用于橋梁檢查。檢查人員在準(zhǔn)備檢查時(shí)可以使用BIM 模型獲取橋梁的各種基本信息和歷史檢查記錄，并使用BIM 強(qiáng)大的可視化功能模擬檢查設(shè)備和橋梁的靜態(tài)載荷測試載荷計(jì)劃和測量點(diǎn)布局計(jì)劃[7]。檢查操作員在計(jì)劃和評估，溝通和協(xié)調(diào)檢查操作以及安排裝載車輛方面提供了極大的便利。組件技能狀態(tài)得分的自動(dòng)計(jì)算可以通過公式編輯來實(shí)現(xiàn)。在檢查信息處理階段，檢查員可以以列表或貼花的形式將檢查圖片合并到BIM 模型中，從而使管理人員可以完整直觀地查看疾病位置和疾病狀態(tài)。在整個(gè)生命周期的每個(gè)階段，都使用統(tǒng)一的信息列表（例如工程信息，測試設(shè)備信息和測試數(shù)據(jù)）將數(shù)據(jù)和文件數(shù)字化，以便管理人員可以跟蹤和分析疾病狀況，以提出有效而合理的維護(hù)措施.BIM 使用情況可視化功能根據(jù)測試數(shù)據(jù)和技術(shù)條件的評估，更改測試設(shè)備或組件的BIM 模型的顯示模式，以反映組件的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[8]。

本文針對現(xiàn)有的基于BIM 技術(shù)，大數(shù)據(jù)可視化和集成管理理念的橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的瓶頸，提出了一種在“集成信息監(jiān)測”新模式下的橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，并進(jìn)行了傳感器自診斷。與維護(hù)模塊，狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的BIM 可視化模塊，日常工作的統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警模塊，在極端情況下的聯(lián)動(dòng)分析和評估模塊一起設(shè)置橋梁狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施單元，多用戶協(xié)作管理橋梁管理，如圖3所示。單位，政府行政部門和第三方專家。集成了維護(hù)的運(yùn)維管理平臺為BIM 技術(shù)在橋梁狀態(tài)監(jiān)測中的深入應(yīng)用提供了新的思路和技術(shù)。