基于建筑信息模型技術(shù)的剛構(gòu)橋檢測分析一體化研究

姜震宇 解會兵

(1.中路高科檢測檢驗認證有限公司,北京 100088；2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

近幾年，建筑信息模型(BIM)技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得在橋梁檢測中對病害的直觀展示和信息的自動存儲成為可能。張貴忠等以滬通長江大橋運營維護方案為依托，針對大跨徑鐵路橋梁運維需求，提出集多源信息獲取及管理、結(jié)構(gòu)智能分析與狀態(tài)評估、智能養(yǎng)修管理等功能于一身的數(shù)字化大橋運維平臺架構(gòu)[12]。胡興意等提出了一種融合BIM與影像建模技術(shù)的橋梁檢測新方法,嘗試建立了橋梁運維管養(yǎng)BIM模型數(shù)據(jù)庫[13]。趙偉等依托平塘特大橋施工過程，介紹了BIM技術(shù)在施工管理中實現(xiàn)模型應(yīng)用和協(xié)同管理平臺方面的研究[14]。張連河設(shè)計了基于BIM技術(shù)結(jié)合多種傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁工程信息監(jiān)測系統(tǒng)[15]。陳志為等針對橋梁荷載試驗及承載力評定中的信息管理問題，形成一套基于BIM技術(shù)的橋梁承載力評定系統(tǒng)[16]。覃亞偉等將三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合,提出了構(gòu)件加工質(zhì)量檢測、施工現(xiàn)場虛擬拼裝以及施工過程中實時監(jiān)測一體化的工程質(zhì)量管控方法[17]。然而，BIM技術(shù)在橋梁檢測工程的應(yīng)用中，尚未真正實現(xiàn)橋梁檢測信息的自動化存儲、顯示及性能評估。

在橋梁檢測及評估過程中引入BIM技術(shù)，以某剛構(gòu)橋為例，通過構(gòu)建BIM病害模型，打通病害信息壁壘，真正實現(xiàn)病害的直觀展示和信息參數(shù)化，達到病害級分析和管理的目標，并利用BIM加固模型，實現(xiàn)與有限元分析的結(jié)合應(yīng)用。

1 工程概況

以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋為例進行分析，橋梁全長150 m。上部結(jié)構(gòu)箱梁橫斷面為單箱單室型，箱梁底板下緣及底板上緣均采用二次拋物線變化，箱梁根部截面中心高度3.90 m，跨中截面中心梁高2.10 m，高跨比為1/34.6，箱梁僅設(shè)支點橫隔板，不設(shè)跨中橫隔板。

上部結(jié)構(gòu)主要存在的病害為：箱梁腹板斜向/水平裂縫、頂板/翼板縱向裂縫、橫隔板裂縫、節(jié)段接縫開裂及體外索齒板裂縫。該橋進行了多次維修加固，主要為裂縫封閉灌漿、增加體外預(yù)應(yīng)力束和粘貼鋼板。

2 參數(shù)化模型實現(xiàn)方法

2.1 剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)和加固模型建立

為了實現(xiàn)模型的參數(shù)化、語言化快速建立模型的目的，使用CATIA軟件建立剛構(gòu)橋本體模型。上部結(jié)構(gòu)共劃分為41個節(jié)段，下部結(jié)構(gòu)為雙肢薄壁空心墩?？傮w建模思路如下：

1)采用骨架線的方式，通過讀取參數(shù)表建立剛構(gòu)橋平曲線、道路中心線，通過提取關(guān)鍵控制點，利用EKL語言建立底板上、下表面二次拋物線，如圖1所示。

舞蹈作品是由舞蹈動作組成舞句再連成舞段再由舞段銜接成一個舞蹈作品的這樣一個過程，音樂是由音符組成小節(jié)再連成一句繼續(xù)延伸到一段再銜接成一首曲子的這樣一個過程，所以音樂與舞蹈的創(chuàng)編過程是相似的，音樂是由單個的音符、舞蹈是由單個的動作這樣往后繼續(xù)延續(xù)形成的一個作品，而且都是具有行進與推動性的，在時間值上也都具有變化，因此音樂與舞蹈都是具有節(jié)奏的這便是它們的基礎(chǔ)與共性，也因此決定了音樂與舞蹈不可分割的藝術(shù)表演形式。

2)沿著道路中心線在控制點處繪制控制斷面草圖，利用控制斷面草圖通過參數(shù)和超級副本進行參數(shù)化控制和批量生成橫斷面，如圖2所示。

3)通過多截面曲面，利用1)中建立的骨架線生成案例橋梁主梁外輪廓和內(nèi)輪廓表面。通過封閉曲面功能封閉外輪廓和內(nèi)輪廓各實體，得到總體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 剛構(gòu)橋主梁結(jié)構(gòu)整體模型示意Fig.3 The integrated global model of the girder in the rigid-frame bridge

4)利用EKL語言對案例橋梁主梁整體節(jié)段進行節(jié)段劃分和配色，得到主梁節(jié)段劃分模型如圖4所示。

圖4 剛構(gòu)橋主梁節(jié)段劃分模型示意Fig.4 The schematic diagram for segment divison of the girder in the rigid-frame bridge

5)依托4)中建立的輪廓面，以平曲線上橋梁起點作為參考點，根據(jù)體外束加固設(shè)計圖紙進行定位，建立錨固齒塊、限位梁、體外預(yù)應(yīng)力束模型如圖5所示。

圖5 剛構(gòu)橋主梁體外束加固模型示意Fig.5 The strengthened model of the girder with externally prestressed cables

6)根據(jù)設(shè)計圖紙建立下部結(jié)構(gòu)，完成剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)和加固模型，以便于后續(xù)病害自動生成作為空間位置參考和輸入條件。

2.2 病害自動化生成方法

常規(guī)病害檢測方法通常是在檢測前選取一個基準點，建立參考坐標系，進行結(jié)構(gòu)編號劃分?，F(xiàn)場借助檢測支架、橋檢車等輔助設(shè)備，使用裂縫測寬儀等設(shè)備，拍攝視頻照片，采用人工記錄表格、標注示意斷面圖等形式記錄裂縫和其他病害位置，內(nèi)業(yè)整理成Excel統(tǒng)計表格，并利用手繪二維CAD平面展開圖的形式展現(xiàn)裂縫和病害，如圖6所示。

圖6 剛構(gòu)橋第二跨裂縫展開Fig.6 The propagration of cracks in the second span of rigid-frame bridge

常規(guī)病害描述方法主要采用箱梁各表面二維展開的方式，整體可視化程度較差，尤其對于倒角處的病害，難以直觀進行展示。同時，二維CAD裂縫和其他病害展開圖僅能作為展示成果，并未攜帶更多的可用信息，也不能用于進一步對病害歸類和分析，采用BIM技術(shù)可以對病害進行直觀展示，并對病害的動態(tài)發(fā)展情況進行自動化的跟蹤與分析。對于案例橋梁，共包括裂縫970條，其中左幅箱梁外側(cè)裂縫110條，左幅箱梁內(nèi)側(cè)裂縫331條，右幅箱梁外側(cè)裂縫83條，右幅箱梁內(nèi)側(cè)裂縫425條，右幅下部結(jié)構(gòu)裂縫21條。在上述結(jié)構(gòu)和加固模型的基礎(chǔ)上，直接利用檢測人員統(tǒng)計的病害數(shù)據(jù)表格，實現(xiàn)裂縫和病害的自動化生成和屬性信息附加。主要技術(shù)思路如下：

1)整理病害數(shù)據(jù)表格。根據(jù)檢測人員記錄習慣和檢測報告數(shù)據(jù)格式，整理病害Excel表格，在不破壞原表格格式并保留檢測數(shù)據(jù)的前提下，加入病害比例系數(shù)(為了達到滿足裂縫可視化的要求)等補充參數(shù)，實現(xiàn)模型讀取Excel病害參數(shù)自動生成病害模型的目的。

2)建立病害模板。病害考慮結(jié)構(gòu)存在曲面，利用展開/折疊的方法，先將曲面展開成平面，生成對應(yīng)裂縫模型后，再折疊為既有曲面形式。對于裂縫，考慮裂縫起點X和Y坐標、裂縫終點X和Y坐標、裂縫寬度、裂縫走向、裂縫長度、照片編號、裂縫顏色、裂縫比例系數(shù)等參數(shù)。裂縫顏色根據(jù)裂縫寬度區(qū)分為3種顏色，其中紅色表示裂縫寬度在0～0.2 mm范圍內(nèi)，藍色表示裂縫寬度在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)，黃色表示裂縫寬度在0.5 mm以上。通過規(guī)則實現(xiàn)顏色的變化和裂縫形式的選擇，達到裂縫形狀隨機性和美觀的要求，如圖7所示。對于病害，考慮病害中心X和Y坐標、病害X方向長度、病害Y方向高度、病害類型、病害顏色、病害比例系數(shù)、照片編號等參數(shù)，由于部分病害如破損、滲水等，很難如裂縫般形象表達。因此本研究通過建立病害字典，以病害圖例的形式在對應(yīng)病害位置處予以生成達到病害辨識度和美觀的要求，如圖8所示。

圖7 裂縫顏色參數(shù)控制示意Fig.7 The parameter control for colors of cracks

圖8 病害圖例示意Fig.8 Legends of detects

3)批量生成裂縫和病害模型。將病害數(shù)據(jù)表格導入資源表中，通過EKL語言編寫腳本，以病害附著面、病害相對參考原點、病害自動讀取病害參數(shù)并添加到模型參數(shù)和信息中，快速建立全橋病害模型，如圖9所示。

圖9 全橋病害模型示意Fig.9 The defect model of the bridge

3 統(tǒng)計與分析

3.1 基于BIM模型的病害統(tǒng)計分析

在已經(jīng)建立的病害模型中，每個病害均作為單獨的構(gòu)件管理，且與檢測人員提供的檢測數(shù)據(jù)是互動關(guān)聯(lián)的。病害模型所建立的參數(shù)并非一串描述性的數(shù)字，而是與病害模型存在邏輯關(guān)系，即實例化后的病害參數(shù)仍然是可以隨參數(shù)驅(qū)動的，其意義在于：

1)如果發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)有誤，個別病害只需修改對應(yīng)病害參數(shù)即可；大量檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差或變更，可以通過修改關(guān)聯(lián)病害參數(shù)表格，表格驅(qū)動模型以實現(xiàn)病害的自動變更。

2)若日后裂縫發(fā)生延伸，如果需要在原裂縫基礎(chǔ)上延伸，只需修正相應(yīng)裂縫的起終點坐標參數(shù)表，若延伸裂縫和原裂縫均需要保留，只需復(fù)制裂縫，對其中一條進行修正坐標即可，亦可通過修改顏色、改變類型達到辨識新、舊裂縫的目的，如圖10所示。

圖10 裂縫延伸和屬性拓展Fig.10 Propagation of cracks and attribute extensions

3)其屬性信息可以定制拓展，如病害檢測時間、詳細描述、病害記錄人員名稱、病害構(gòu)件編碼等等。以構(gòu)件編碼為例，拓展屬性如圖10所示。拓展的屬性并非靜態(tài)的，同樣可以用于病害的歸類統(tǒng)計等進階分析。

每個病害作為一個單獨的產(chǎn)品進行實例化，即每個病害都是獨立的構(gòu)件，具有獨立的、唯一的身份標志和名稱等信息。因此通過獨立身份標志和相關(guān)參數(shù)及屬性可以對病害進一步分析。如對于裂縫走向的判斷，可以通過X和Y的坐標參數(shù)計算出裂縫角度，根據(jù)角度利用與裂縫顏色定義相似的規(guī)則約定縱向裂縫、斜向裂縫、橫向裂縫的容許范圍，進而得到各種裂縫類型的分布情況。同理可以根據(jù)病害的檢測時間，得到病害的時間分布；根據(jù)病害依附節(jié)段和病害長度屬性，得到裂縫沿橋分布情況。以案例橋梁為例，依據(jù)病害模型得到的左幅頂板裂縫縱橋向分布如圖11所示。

裂縫數(shù)量； 裂縫長度，m。圖11 左幅頂板裂縫沿縱橋向分布情況Fig.11 Crack distribution of the left top plate along the longitadinal direction of the bridge

由模型底板裂縫分布情況可以看出，底板裂縫多集中于左、右幅6、6′箱梁節(jié)段，裂縫分布較為集中。由圖12可以看出：底板裂縫集中區(qū)域正好位于體外預(yù)應(yīng)力底板束N3齒板位置附近，裂縫發(fā)展位置剛好位于粘貼鋼板加固區(qū)域以外，裂縫整體走向呈八字形分布。由裂縫走勢和分布位置可以直接由模型得到初步結(jié)論：

圖12 底板裂縫模型示意Fig.12 The schematic diagram of cracks of bottom board

1)底板裂縫的發(fā)展與加固新增體外預(yù)應(yīng)力有關(guān)；2)底板裂縫與底板粘貼鋼板加固有關(guān)，可能引起了應(yīng)力重分布，裂縫開裂處剛度相對較小，為薄弱位置，應(yīng)力傳遞路徑發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3.2 關(guān)注部位結(jié)構(gòu)分析

由上述可視化分析可以直觀得到結(jié)構(gòu)的重點關(guān)注位置，根據(jù)上述得到的結(jié)論，截取關(guān)注部位跨中兩側(cè)5號和5′號截面之間的BIM模型，利用源BIM模型數(shù)據(jù)導入ABAQUS中進行裝配，在模型兩端施加力的邊界條件，考慮恒、活載和預(yù)應(yīng)力荷載，其中預(yù)應(yīng)力荷載采用降溫法模擬[18]。BIM模型、前處理模型和網(wǎng)格劃分模型如圖13所示。

圖13 BIM模型-前處理模型-網(wǎng)格劃分模型示意Fig.13 Schematic diagrams of the BIM model,the pretreatment model and meshing model

實體模型采用的力學單位為：N，長度單位為：mm。箱梁及既有結(jié)構(gòu)齒塊材料為C50混凝土，體外預(yù)應(yīng)力束齒塊材料為C55混凝土，體外預(yù)應(yīng)力束材料為抗拉強度等級為1 860 MPa的鋼絞線，加固鋼板材料為Q345D鋼。

為驗證上述得到的初步結(jié)論，考慮以下3種工況進行對比分析。

1)工況一：僅考慮恒載和活載；2)工況二：考慮恒載、活載、體外預(yù)應(yīng)力束加固；3)工況三：考慮恒載、活載、體外預(yù)應(yīng)力束加固及粘貼鋼板加固。

三種工況下主拉應(yīng)力云圖如圖14所示，由計算結(jié)果可知：工況一下底板裂縫發(fā)展處最大應(yīng)力為0.99 MPa，工況二下底板裂縫發(fā)展處最大應(yīng)力為3.21 MPa，工況三下底板裂縫發(fā)展處最大應(yīng)力為3.73 MPa?？梢?，張拉體外預(yù)應(yīng)力束顯著增大了底板主拉應(yīng)力的大小，超出C50底板混凝土抗拉承受能力2.64 MPa，因此底板出現(xiàn)八字形裂縫。此外，鋼板加固后最不利位置主拉應(yīng)力又有所增加，其原因是跨中底板鋼板加固后，剛度增大，其應(yīng)力釋放在較為薄弱的6～7號塊附近底板處，導致其拉應(yīng)力進一步增大，其結(jié)果與根據(jù)檢測數(shù)據(jù)生成的BIM裂縫模型結(jié)果吻合。

a—工況一；b—工況二；c—工況三。圖14 主拉應(yīng)力云圖 MPaFig.14 Contours of principal tensile stress

3.3 結(jié)果反饋BIM模型

將有限元分析的計算結(jié)果反饋到所建立BIM模型中，對最不利應(yīng)力等信息進行存儲。以最不利應(yīng)力分析結(jié)果為例，根據(jù)計算結(jié)果得到的最不利應(yīng)力結(jié)果，通過表格映射的方式與BIM模型進行參數(shù)關(guān)聯(lián)，其他計算內(nèi)容如應(yīng)力云圖以超鏈接形式展現(xiàn)，如圖15所示，即實現(xiàn)檢測病害、信息、模型和計算數(shù)據(jù)整合到同一BIM模型的功能，多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合便于數(shù)據(jù)查閱和分析，為后期的扁平化管理夯實堅定的基礎(chǔ)。

圖15 基于BIM模型的計算數(shù)據(jù)整合Fig.15 Integration of analysis data based on the BIM model

4 結(jié)束語

1)利用BIM軟件實現(xiàn)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)和加固模型的快速參數(shù)化、語言化建模方法，可以復(fù)用于同類剛構(gòu)橋。

2)提出了一種基于檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)裂縫和其他病害模型自動化生成和屬性信息附加的方法。每個病害為單獨的構(gòu)件，并且與檢測數(shù)據(jù)雙向關(guān)聯(lián)。

3)基于生成的病害模型，通過獨立ID和相關(guān)參數(shù)及屬性可以進一步對病害進行分析，為檢測結(jié)論和加固措施提供依據(jù)，并可初步判別結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4)根據(jù)裂縫分析結(jié)果，對不利位置截取BIM模型進行有限元分析，分析裂縫產(chǎn)生原因，并且可以將有限元分析結(jié)果反饋至模型。結(jié)果表明：有限元分析結(jié)果與初步分析結(jié)論吻合，根據(jù)BIM模型的病害分布情況，可以直觀快速地定位關(guān)注部位并初步判斷病害產(chǎn)生的原因。

5)該方法可實現(xiàn)不增加外業(yè)人員輸入工作，外業(yè)信息通過內(nèi)業(yè)人員處理快速轉(zhuǎn)換為參數(shù)化病害模型的目的。對于實現(xiàn)檢測人員信息錄入的同時完成現(xiàn)場建模及可視化的目標將是下一階段研究的重點。