張家港特大橋基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

秦中遠(yuǎn)

（蘇州市高速公路管理有限公司 江蘇蘇州 215000）

1 BIM監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 BIM應(yīng)用背景

既往橋梁監(jiān)測與養(yǎng)護(hù)評估系統(tǒng)使用過程中，其監(jiān)測數(shù)據(jù)往往不能直觀展示，不利于管理人員進(jìn)行橋梁養(yǎng)護(hù)，需要探索一種新的監(jiān)測系統(tǒng)，使其監(jiān)測信息比較容易供管理人員使用［1］。BIM由于其三維可視化屬性和強(qiáng)大的信息集成能力，對于橋梁監(jiān)測信息表達(dá)方式提供了有利條件。因此，目前開始將橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)與視化技術(shù)BIM技術(shù)相結(jié)合，利用BIM技術(shù)作為媒介，可視化展示監(jiān)測信息，有效提高了養(yǎng)護(hù)管理人員的效率［2］。

1.2 BIM應(yīng)用概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是一種數(shù)據(jù)化工具，可用于工程設(shè)計(jì)與建筑建造，將建筑與工程建造的相關(guān)數(shù)據(jù)集中到管理系統(tǒng)中來，從而形成數(shù)據(jù)模型，并在系統(tǒng)內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)信息，維護(hù)運(yùn)行項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)明細(xì)，形成建筑工程完整的運(yùn)行流程［3］。工程技術(shù)人員可以通過系統(tǒng)參數(shù)和信息及時(shí)了解項(xiàng)目的整體狀況，提高處理效率，拓寬溝通渠道。

在橋梁監(jiān)測中，BIM 系統(tǒng)將橋梁的各類數(shù)據(jù)信息存儲起來，通過數(shù)字技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)都是這個(gè)數(shù)據(jù)信息模型，每一項(xiàng)業(yè)務(wù)處理，每一個(gè)工作流程，都在系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)和記錄。橋梁信息數(shù)據(jù)模型并不是單純將數(shù)據(jù)進(jìn)行集合，它也是一種信息化模式，能夠加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的使用方式和適用面，在橋梁健康監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)管理中，能夠使用數(shù)字化的方式來進(jìn)行展現(xiàn)，提高了橋梁監(jiān)測及運(yùn)維管養(yǎng)的效率及質(zhì)量［4］。

1.3 BIM應(yīng)用思路

1.4 BIM模型建立

通過專業(yè)BIM建模軟件，依據(jù)工程應(yīng)用需求，建立橋梁的BIM模型。本項(xiàng)目BIM模型滿足橋梁監(jiān)測的運(yùn)營需求，將橋梁構(gòu)件及相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)信息及屬性導(dǎo)入BIM模型［6］。

模型創(chuàng)建完成后，通過系統(tǒng)管理平臺與建模軟件之間的格式互通插件，轉(zhuǎn)換成平臺可以接收的模型格式，通過系統(tǒng)平臺的模型導(dǎo)入功能，將格式轉(zhuǎn)換后的模型導(dǎo)入到平臺中進(jìn)行后期的應(yīng)用。

（1）模型輕量化處理：模型創(chuàng)建完成后，通過系統(tǒng)管理平臺與建模軟件之間的格式互通插件，實(shí)現(xiàn)模型格式的輕量化轉(zhuǎn)換，去除模型多余的圖形信息及冗余信息，但保留屬性信息，即進(jìn)行輕量化處理。輕量化轉(zhuǎn)化可獨(dú)立進(jìn)行，不依賴于外部服務(wù)，通用自有BIM轉(zhuǎn)化平臺實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)化，可確保模型等相關(guān)數(shù)據(jù)信息的保密性。（2）模型三維瀏覽導(dǎo)航：導(dǎo)入的模型使用系統(tǒng)平臺自帶的模型瀏覽導(dǎo)航工具對項(xiàng)目模型進(jìn)行瀏覽觀察。（3）集成：模型構(gòu)件信息可與結(jié)構(gòu)信息、監(jiān)測信息等進(jìn)行集成合并，實(shí)現(xiàn)多維信息與BIM 模型的管理與集成。

1.5 BIM監(jiān)測管理

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)基于BIM技術(shù)建立三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測的可視化管理，通過橋梁的三維BIM模型顯示監(jiān)測相關(guān)信息，包括傳感器的編號、狀態(tài)（正?；虍惓＃⑽恢?、類型（傳感器名稱）、數(shù)據(jù)（當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）、監(jiān)測參數(shù)名稱等信息。

2 橋梁概況

張家港特大橋位于G15W-常臺高速，建成于2003年12月，全長1007.56m，全橋共計(jì)37 跨，橋布置為7×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+7×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+7×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+（40+70+40）m 預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁+7×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁+6×25m 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

上部結(jié)構(gòu)：預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁、預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，GJZF4350×650×67 支座、GPZ12500DX 支座、GPZ12500GD 支座、TCYBF4Φ350×53 支座、TCYBΦ 400×75支座。

下部結(jié)構(gòu)：樁柱式橋臺，鉆孔灌注基礎(chǔ)。

墩伸縮縫：瀝青混凝土鋪裝，D80、D160 型毛勒伸縮縫。

從2006年至今，我國秸稈直燃發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模每年以26%的平均增速快速上升。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，行業(yè)集中程度逐漸提高，先后形成以凱迪、國能為龍頭，琦泉、光大、理昂等規(guī)模較大的企業(yè)、5大電力集團(tuán)下屬新能源企業(yè)以及眾多參與者并存的市場格局。2015年，隨著地方政府加大環(huán)境治理和秸稈田間禁燒力度，在鼓勵(lì)秸稈綜合利用政策的驅(qū)動下，秸稈直燃發(fā)電技術(shù)再次受到關(guān)注，除老牌企業(yè)繼續(xù)擴(kuò)張外，長青集團(tuán)、上海電氣、理昂生態(tài)、光大國際、北控集團(tuán)等企業(yè)均加入了市場布局[20-23]。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 模型建立

根據(jù)《省道主干線高速公路蘇嘉杭線（B4標(biāo)）K18+100～K23+000工程竣工圖第三冊》（路橋集團(tuán)第一公路工程局，2003.5），采用有限元軟件，建立了張家港特大橋計(jì)算分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。有限元模型如圖1所示。

圖1 張家港特大橋結(jié)構(gòu)有限元仿真分析模型

模型參數(shù)如下：（1）主橋箱梁采用C50 混凝土，主墩墩身采用C30 級混凝土，樁基采用C25 級混凝土；（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用Φj15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa）。

3.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征

張家港特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測針對運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測管理，傳感器布置的初始狀態(tài)即為結(jié)構(gòu)的成橋狀態(tài)，因此，單就各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目而言，相關(guān)監(jiān)測物理量均為成橋狀態(tài)下的變化量。因此，在布置相關(guān)測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)成橋內(nèi)力狀態(tài)，并以后期運(yùn)行荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為明顯區(qū)域?yàn)橹赶蜢`活布置。

張家港特大橋在活載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征主要包括如下方面。（1）張家港特大橋邊中跨比略偏小，導(dǎo)致活載作用下中跨跨中正彎矩偏大，中跨下?lián)陷^明顯。（2）在活載作用下，結(jié)構(gòu)正彎矩以中跨跨中截面、邊跨跨中附近截面最大，中跨L/4截面次之；結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩以中支點(diǎn)截面最大。（3）在活載作用下，結(jié)構(gòu)正應(yīng)力以邊、中跨跨中區(qū)域最大。（4）在活載作用下，結(jié)構(gòu)撓度以中跨跨中截面最大，中跨L/4截面和邊跨跨中附近截面次之。（5）使用荷載作用下，結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力在中跨L/4附近截面最大，邊跨L/4附近截面次之。

根據(jù)有限元模型分析結(jié)果及定檢資料整理結(jié)果，張家港特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測重點(diǎn)區(qū)域?yàn)橹骺缈缰泻退姆贮c(diǎn)、邊跨跨中附近、中支點(diǎn)墩頂?shù)葏^(qū)域。

4 測點(diǎn)布置

張家港特大橋各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目主要使用的監(jiān)測設(shè)備如表1所示。

表1 張家港特大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要設(shè)備表

4.1 應(yīng)力（溫度）監(jiān)測

根據(jù)張家港特大橋結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果、實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范要求，選取監(jiān)測橋梁主跨跨中、1/4和3/4 跨截面、邊跨跨中截面等5 個(gè)截面，每個(gè)截面布置5 個(gè)測點(diǎn)，左右幅橋梁對稱布置，全橋共計(jì)50 個(gè)測點(diǎn)。

4.2 橋梁線形監(jiān)測

張家港特大橋根據(jù)結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)特征分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)線形監(jiān)測測點(diǎn)應(yīng)確保對應(yīng)監(jiān)測結(jié)果能表征最大變形量。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析、儀器算法校準(zhǔn)，本橋在主橋中跨8 分點(diǎn)布置實(shí)時(shí)線形監(jiān)測測點(diǎn)，即每一幅橋梁中跨布置測點(diǎn)9個(gè)，全橋共計(jì)布置18個(gè)橋梁線形監(jiān)測測點(diǎn)。

4.3 結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測

既有結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測測點(diǎn)現(xiàn)場布置按照以下條件優(yōu)選。（1）應(yīng)優(yōu)先選擇形態(tài)相對嚴(yán)重的裂縫，如縫寬較大、縫長較長等。（2）應(yīng)優(yōu)先選擇與結(jié)構(gòu)受力性能相關(guān)的裂縫。

結(jié)合本次定期檢測的結(jié)果，選擇結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力較大區(qū)域（邊、中跨L/4 截面附近）、正負(fù)彎矩較大區(qū)域（邊、中跨跨中截面附近，中支點(diǎn)截面附近區(qū)域）布設(shè)裂縫計(jì)，全橋共計(jì)30 個(gè)測點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4.4 交通荷載監(jiān)測

交通荷載監(jiān)測現(xiàn)場布置按照以下條件優(yōu)選。（1）斷面布置于橋頭附近斷面（路面）處。（2）斷面所在路面縱坡宜與橋上相近。（3）斷面所在道路前后100m 范圍路面平整度等行駛條件與橋上相同。（4）斷面不宜布置于彎道、車流匯交口、交叉路口、車輛變道區(qū)等影響車輛正常行駛的區(qū)域附近。

根據(jù)現(xiàn)場道路交通環(huán)境踏勘結(jié)果，結(jié)合橋梁通行車輛交通流向分布情況，張家港大橋所處道路整體平曲線較大，無急彎，西側(cè)（大樁號側(cè)）整體道路平順，東側(cè)（小樁號側(cè)）橋頭已有交警監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)避免設(shè)備設(shè)置沖突。因此，在張家港特大橋西側(cè)橋頭道路區(qū)段布置交通荷載監(jiān)測系統(tǒng)，含行車道和緊急?？寇嚨?，共計(jì)雙向6 個(gè)車道，對應(yīng)稱重?cái)嗝婢嚯x橋梁伸縮縫距離約20m，樁號K17+050。

5 監(jiān)測系統(tǒng)用戶界面

監(jiān)測系統(tǒng)由諸多子系統(tǒng)及功能模塊組成，若各子系統(tǒng)及功能模塊均采用各自的用戶界面子系統(tǒng)，用戶操作就極為不便，因此，必須建立統(tǒng)一的用戶界面子系統(tǒng)?；贐IM的用戶界面子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如向用戶提供操作及管理界面、向用戶提供數(shù)據(jù)展示、提供系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問接口、向用戶提供報(bào)告等功能。

基于BIM 的用戶界面子系統(tǒng)本著功能強(qiáng)大、使用方便、簡潔高效、面向管理、兼顧專業(yè)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，該子系統(tǒng)中主要包含一個(gè)界面框架和多個(gè)功能模塊，分別是設(shè)備狀況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測預(yù)警情況查詢、數(shù)據(jù)分析功能、年度報(bào)表功能等。

該子系統(tǒng)部署在Web 服務(wù)器上，采用Java 語言開發(fā)，該軟件系統(tǒng)運(yùn)行在WebLogicJ2EE 容器中，通過集群方式，提高系統(tǒng)并發(fā)的訪問能力。由于基于BIM 的用戶界面子系統(tǒng)需要用戶遠(yuǎn)程訪問，所以，該子系統(tǒng)采用基于B/S 軟件架構(gòu)方式，能夠滿足系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和功能要求。張家港大橋BIM監(jiān)測系統(tǒng)用戶界面如圖2所示。

圖2 B IM 的用戶界面子系統(tǒng)

6 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

本階段，張家港特大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)等均正常工作。融合結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)及人工外觀檢測結(jié)果，張家港特大橋主橋總體技術(shù)狀況評定為2 類。各監(jiān)測項(xiàng)及人工檢查結(jié)論如下。

（1）結(jié)構(gòu)線形：實(shí)時(shí)位移測點(diǎn)數(shù)值穩(wěn)定，將濾波分析得到的車載位移實(shí)測值和監(jiān)測車載位移理論值進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果表明，與設(shè)計(jì)剛度相比，橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度具有一定的安全儲備。（2）橋面線形：橋面線形測量值與歷年橋面線形測量值相比有所波動，但變化量較小，變形趨于平穩(wěn)。（3）結(jié)構(gòu)應(yīng)力（溫度）：當(dāng)前荷載作用下，各應(yīng)力測點(diǎn)數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)隨環(huán)境變化正常。（4）結(jié)構(gòu)裂縫：既有裂縫監(jiān)測測點(diǎn)數(shù)據(jù)平穩(wěn)，未見裂縫進(jìn)一步發(fā)展。（5）交通荷載：結(jié)構(gòu)關(guān)鍵控制截面效應(yīng)計(jì)算結(jié)果分析表明，當(dāng)前階段，橋梁實(shí)際車輛荷載通行水平未超出設(shè)計(jì)狀態(tài)。（6）人工檢查：頂板存在縱向裂縫，箱外底板存在縱向裂縫、橫向裂縫，主橋箱梁腹板存在縱向裂縫、斜向裂縫，支座鋼構(gòu)件存在銹蝕，伸縮縫槽口堵塞、錨固區(qū)混凝土開裂、橡膠條損壞。

7 結(jié)語

蘇嘉杭高速公路張家港特大橋橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)平臺完畢，開始試運(yùn)行。目前，張家港特大橋橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。