BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)用研究

杜德潤(rùn)，喬素新

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 前 言

隨著時(shí)代發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜多樣，隨之對(duì)安全質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁病害進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理引起越來(lái)越多的關(guān)注，橋梁工程要實(shí)現(xiàn)全生命周期的監(jiān)測(cè)目標(biāo)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，橋梁監(jiān)測(cè)朝著智能化方向發(fā)展，將BIM技術(shù)應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。BIM技術(shù)具有可視化性、周期性和協(xié)同性，支持項(xiàng)目全生命周期監(jiān)測(cè)管理。目前，BIM技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用多在前期的設(shè)計(jì)和施工階段，而后期運(yùn)營(yíng)階段的實(shí)用化進(jìn)程還處于探索階段。本文主要介紹BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)營(yíng)階段的一些應(yīng)用以及優(yōu)勢(shì)。將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程的運(yùn)營(yíng)階段，必定使橋梁的運(yùn)行更加高效、健康和安全。

1 BIM技術(shù)與監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

1.1 BIM技術(shù)介紹

BIM技術(shù)可以說(shuō)是一種多維模型信息集成技術(shù)，利用信息集成方法將所有的信息整合在3D模型內(nèi)，BIM技術(shù)的應(yīng)用涉及項(xiàng)目周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，讓不同的使用單位針對(duì)各自的需求使用。不同階段的同一模型信息可以使項(xiàng)目的所有參與單位(設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理、造價(jià)、用戶等)共享使用，實(shí)現(xiàn)在BIM模型中操作項(xiàng)目信息，提高工作效率和質(zhì)量目標(biāo)。

BIM的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，此后隨著計(jì)算機(jī)水平的提高BIM開始快速發(fā)展，在美、英、日、韓等發(fā)達(dá)國(guó)家快速推廣應(yīng)用，目前國(guó)外BIM的應(yīng)用已取得了較好的效果。我國(guó)的BIM研究起步較晚，在政府的大力推動(dòng)下，雖然在建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)各階段均應(yīng)用BIM技術(shù)還任重道遠(yuǎn)，但BIM的推廣將會(huì)越來(lái)越順利。

1.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)起源于20世紀(jì)50年代，它是一門涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程技術(shù)、傳感技術(shù)等多個(gè)專業(yè)在內(nèi)的交叉性學(xué)科。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)突發(fā)安全事故日益重視，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用從航空領(lǐng)域逐漸到土木工程領(lǐng)域，例如重要的橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑監(jiān)測(cè)等。橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位安裝各類傳感器，利用傳感技術(shù)以采集結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息，傳感器會(huì)將監(jiān)測(cè)和收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，并形成數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，計(jì)算機(jī)會(huì)用相關(guān)的算法處理釆集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)分析并預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的安全性，并以可視的界面形式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。若出現(xiàn)不利于結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行的響應(yīng)會(huì)采取預(yù)警及限定措施，以避免事故發(fā)生的可能性，是一種能夠評(píng)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)并確保結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-2]，典型的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括4個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)日益向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究也日益廣泛，并取得了一定的成果。然而，從理論研究到應(yīng)用的完善還有許多問(wèn)題需要解決，健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還未達(dá)到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)，如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的處理與特征提取以及損傷識(shí)別與評(píng)估等問(wèn)題還沒(méi)有完善的解決方法。

2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及不足

2.1 對(duì)中、小跨徑橋梁健康監(jiān)測(cè)相關(guān)的研究相對(duì)較少

隨著橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地位凸顯，當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測(cè)研究已取得豐碩的理論成果，但占據(jù)橋梁很大比例的中、小跨徑橋梁往往被忽視。目前橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是通過(guò)量身訂制實(shí)現(xiàn)一橋一系統(tǒng)管理，昂貴的監(jiān)測(cè)成本造成了在數(shù)量眾多的中、小橋中無(wú)法普及。目前中、小跨徑橋梁養(yǎng)護(hù)管理尚屬薄弱環(huán)節(jié)，但是事實(shí)上橋梁事故往往都發(fā)生在中、小跨徑橋梁，需要對(duì)中、小跨徑橋梁的狀況提高重視[3]。

2.2 缺乏有效的數(shù)據(jù)管理與分析

橋梁健康監(jiān)測(cè)的目的是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁結(jié)構(gòu)并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)診斷橋梁結(jié)構(gòu)，其中監(jiān)測(cè)信息管理是監(jiān)測(cè)階段的核心環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有一個(gè)可靠的后臺(tái)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的海量信息很難有保障。健康監(jiān)測(cè)不僅僅是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，更核心的技術(shù)是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，從而判斷橋梁的損傷位置和程度，隨著研究的深入以及健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步可以為橋梁維修、養(yǎng)護(hù)與管理提供指導(dǎo)。反問(wèn)題的求解是指通過(guò)對(duì)橋梁響應(yīng)的測(cè)試(動(dòng)力與靜力響應(yīng))，來(lái)反推橋梁各個(gè)位置的結(jié)構(gòu)特性與力學(xué)狀況，而實(shí)際獲取的響應(yīng)中不可避免地受噪音影響，這種微小的誤差也會(huì)導(dǎo)致最后分析結(jié)果千差萬(wàn)別，因而對(duì)于橋梁運(yùn)營(yíng)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方面的研究還不太完善[4]。

2.3 自動(dòng)化、智能化水平低

橋梁監(jiān)測(cè)管理的工作模式、管理方式相對(duì)滯后，比如結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)手段機(jī)械化、記錄病害平面化、資料管理靜態(tài)化，浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。對(duì)于智能化技術(shù)的應(yīng)用，僅限于某些初級(jí)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，橋梁管養(yǎng)工作的質(zhì)量和效率難以提高，橋梁管養(yǎng)水平要想進(jìn)一步發(fā)展必須提高自動(dòng)化、智能化水平，依靠高專業(yè)度的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為支撐。

2.4 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不完善

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象一般是單個(gè)橋梁構(gòu)件，每次監(jiān)測(cè)結(jié)果只能給出單個(gè)構(gòu)件的損傷情況，無(wú)法對(duì)橋梁的整體情況做出全面的評(píng)估，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏整體性?，F(xiàn)在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多都是針對(duì)某座橋梁開發(fā)的，沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏通用性。目前沒(méi)有可以作為參考的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)還未分類建立行業(yè)范圍內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)，同樣的橋梁評(píng)估，不同的專家評(píng)估結(jié)果會(huì)存在很大的不同[5]，人工評(píng)估主觀性強(qiáng)，難于量化。

3 BIM技術(shù)在既有橋梁運(yùn)維管理中的具體應(yīng)用

3.1 全景觀察

基于BIM的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分利用BIM可視化特點(diǎn)將抽象的CAD平面圖轉(zhuǎn)換成直觀、精細(xì)的三維橋梁模型。通過(guò)相關(guān)BIM軟件對(duì)項(xiàng)目整體情況進(jìn)行深度模擬，充分展現(xiàn)橋梁以及周邊的環(huán)境情況。通過(guò)基于BIM技術(shù)開發(fā)的運(yùn)維管理平臺(tái)可以讓各部門工作人員快速了解橋梁各部件的組成，準(zhǔn)確掌握橋梁的整體情況，直觀、形象的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造三維詳圖

全景觀察尤其適用于管理隱蔽工程，在橋梁監(jiān)測(cè)中會(huì)布置一些監(jiān)測(cè)設(shè)備可能在某個(gè)不被注意的位置，特別是隨著橋梁監(jiān)測(cè)年限的增加，管理人員更換造成查找不便?；贐IM平臺(tái)的運(yùn)維管理可以在三維模型上直觀顯示相對(duì)位置，便于維修和定位。相關(guān)人員也可以隨時(shí)調(diào)整這些設(shè)備信息，保證信息的完整性和準(zhǔn)確性。

3.2 巡檢模式

橋梁投入使用之后的病害監(jiān)控尤為重要，BIM技術(shù)除對(duì)橋梁工程進(jìn)行三維模擬之外，還可以對(duì)橋梁完成巡查工作?；贐IM平臺(tái)的橋梁運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)向管理者提供交互式、可視化的管理工具，橋梁維修人員通過(guò)BIM平臺(tái)可以直觀地掌握構(gòu)件的病害數(shù)量，更準(zhǔn)確地制定維修方案，有效降低修理成本并提高修理效率。

基于GPS和GIS技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建可以規(guī)范橋梁管理者對(duì)橋梁病害的記錄，利用BIM模型的三維可視化技術(shù)解決不能直觀顯示病害分布的問(wèn)題。

病害信息以圖形表示的方式顯示在BIM模型的適當(dāng)位置并用不同的顏色區(qū)分病害發(fā)生程度。維修人員檢查病害問(wèn)題、制定維修方案并且實(shí)施這一系列過(guò)程都可以完整地保存，為后續(xù)工作提供參考。

3.3 項(xiàng)目協(xié)同管理

項(xiàng)目管理一直是工程中的難題，管理落后、人員素質(zhì)不高加上我國(guó)建設(shè)的基本國(guó)情，項(xiàng)目管理面臨很多問(wèn)題。二維設(shè)計(jì)圖增加了工程施工的難度；工程成本計(jì)算不準(zhǔn)確；項(xiàng)目各方缺乏協(xié)同性使得信息傳達(dá)溝通不足，這些問(wèn)題直接影響工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。引入BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目管理上述問(wèn)題明顯地得到了改善。BIM技術(shù)可以集成整個(gè)項(xiàng)目的信息和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源共享，所有參與方都可以協(xié)同工作。

基于BIM平臺(tái)的項(xiàng)目管理具有很多方面的應(yīng)用，具體如下：統(tǒng)一管理招標(biāo)文件、工程合同、支付款單等其他工程附件；對(duì)資產(chǎn)、空間利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行管理，更好地分配資源和做出決策；準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)情況對(duì)突發(fā)事件迅速應(yīng)對(duì)和及時(shí)處理，減少不必要的損失。在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段BIM可以完成整個(gè)項(xiàng)目的管理，實(shí)施資源規(guī)劃、資金風(fēng)險(xiǎn)管理、節(jié)能降耗和提高效率等使項(xiàng)目協(xié)同管理更上一層樓。

4 BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)維管理中的優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于不同于傳統(tǒng)的工作模式和管理方式，它改變了傳統(tǒng)的粗放式管理弊端，向先進(jìn)集約式管理方式轉(zhuǎn)變，在進(jìn)度控制、可視化仿真和監(jiān)控等方面進(jìn)行了創(chuàng)新。結(jié)合BIM技術(shù)提供的信息模型，可以很方便地查找建筑構(gòu)件幾何信息以及工程項(xiàng)目信息，促進(jìn)了橋梁工程建設(shè)和管理的自動(dòng)化和智能化，降低了項(xiàng)目成本，提高了管理效率，促進(jìn)了交通運(yùn)輸可持續(xù)發(fā)展。

BIM技術(shù)可以聯(lián)結(jié)建筑的規(guī)劃、建造和運(yùn)維管理各個(gè)階段，在運(yùn)維階段，橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在BIM平臺(tái)中以橋梁三維模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可視化效果，以信息管理為技術(shù)核心實(shí)現(xiàn)橋梁信息的三維可視化管理。BIM的加入改善了傳統(tǒng)的項(xiàng)目信息管理方式，增加了各專業(yè)和各階段相互工作的協(xié)同性，大大提高了工作效率。在運(yùn)營(yíng)階段不僅提供了設(shè)計(jì)和施工階段的較為全面的信息，更在管理上提供了平臺(tái)基礎(chǔ)。首先，BIM技術(shù)使得各種橋梁信息都能夠動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)；其次，運(yùn)營(yíng)階段需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行有效的管理，BIM技術(shù)為橋梁工程的建設(shè)者、管理者和使用者提供直觀、信息化的決策依據(jù)，基于BIM的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)有效、規(guī)范的管理，有效地提高橋梁的管養(yǎng)水平。將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測(cè)不僅可以提高橋梁監(jiān)測(cè)效率，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的精確識(shí)別以及及時(shí)反饋橋梁監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的異常情況，對(duì)減少災(zāi)害損失，保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全，在發(fā)生重大事故時(shí)具有重要意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

BIM技術(shù)是工程領(lǐng)域興起的一項(xiàng)新技術(shù)，越來(lái)越多地得到工程領(lǐng)域的重視，也越來(lái)越多地應(yīng)用到道路橋梁領(lǐng)域。本文介紹了BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)營(yíng)階段的一些應(yīng)用，但是BIM技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。BIM具有巨大的潛力，隨著BIM 相關(guān)研究工作的不斷深入，對(duì)技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提高， BIM會(huì)越來(lái)越多地在橋梁建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，將會(huì)繼續(xù)給建筑行業(yè)帶來(lái)新的生命。

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