嚴(yán)肖鋒, 孫賢斌, 鄒貽權(quán), 莊子婧
(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430068)
近年來,我國交通運(yùn)輸網(wǎng)的運(yùn)輸壓力與日俱增,眾多公路橋梁在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的病害劇增,導(dǎo)致了橋梁的安全性、適應(yīng)性和耐久性等功能已無法滿足正常性能標(biāo)準(zhǔn);再加上早期較低的建造標(biāo)準(zhǔn)以及缺乏養(yǎng)護(hù)意識,加劇了橋梁的病害化[1]。老舊橋梁在結(jié)構(gòu)安全性、實(shí)用性及耐久性等各項(xiàng)功能上均難以滿足現(xiàn)代交通發(fā)展的新需求[2],因此,為保障交通運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩?,急需盡快將這些老舊橋梁拆除重建。隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化時代的到來以及“智能建造”和《中國建造2035戰(zhàn)略研究》的相繼提出,以大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等為代表的一批批新技術(shù)相繼問世,它們的發(fā)展深刻影響了我們的工作、學(xué)習(xí)乃至生活,倒逼傳統(tǒng)建造行業(yè)走上轉(zhuǎn)型發(fā)展之路,形成了智能化、信息化以及專業(yè)化的發(fā)展模式[3]。而在智能化升級改造過程中,實(shí)務(wù)界與學(xué)術(shù)界紛紛看到數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢,它是在數(shù)字信息化基礎(chǔ)上延伸形成的新技術(shù),為建造行業(yè)的全方位感知,虛擬可視化操作,全面風(fēng)險管控等提供了新思路。從本質(zhì)上看,它是借助數(shù)字載體,結(jié)合物理空間建設(shè)虛擬模型,讓現(xiàn)實(shí)和虛擬之間形成映射,從而更好地對現(xiàn)實(shí)中的人、機(jī)、法、環(huán)、料等要素或系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時感知,并通過承載指令的數(shù)據(jù)實(shí)時反饋到人、機(jī)、法、環(huán)、料等要素或系統(tǒng)指導(dǎo)其決策。
劉海濤[4]拆除過程采用先進(jìn)的BIM建模技術(shù),進(jìn)行空間實(shí)體模擬講解,反復(fù)論證舊橋拆除的可行性,最大限度地降低施工風(fēng)險,保證施工安全。黃瑋征等[5]在老橋拆除施工階段運(yùn)用BIM技術(shù)明確了拆除構(gòu)件的堆放場地,調(diào)整浮吊停機(jī)位置、明確錨點(diǎn)固定設(shè)置、提前做好疏浚工作,進(jìn)一步論證了施工方案的合理性,降低施工風(fēng)險,保障施工安全進(jìn)行。孫士鵬等[6]將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市立交拆除工程中,借助BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場拆除施工情況,確保方案的可實(shí)施性,同時將建立的BIM模型,利用Navisworks軟件對項(xiàng)目實(shí)施過程進(jìn)行全過程全空間推演,對機(jī)械設(shè)備進(jìn)場線路、吊機(jī)站位及吊裝、平板車運(yùn)梁線路進(jìn)行優(yōu)化,對吊裝過程進(jìn)行碰撞檢查。
綜上分析:上述學(xué)者利用數(shù)字化技術(shù),解決了一些傳統(tǒng)工程建造過程中的重難點(diǎn),推進(jìn)了傳統(tǒng)建造行業(yè)向智能化方向發(fā)展。但是以上學(xué)者的研究,都是從某一點(diǎn)或局部出發(fā),單純的利用數(shù)字化建模,或者是運(yùn)用了數(shù)字化的單一功能到實(shí)際橋梁拆除施工中,缺少集成應(yīng)用、系統(tǒng)應(yīng)用的研究。
結(jié)合前人研究所得,引入了橋梁拆除施工的具體案例,結(jié)合工程項(xiàng)目的復(fù)雜性、信息繁冗特征,根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù),搭建了橋梁智能拆除多維模型,形成了橋梁拆除框架,提出了運(yùn)行模式和關(guān)鍵技術(shù)。從數(shù)據(jù)收集、多維模型建立、數(shù)據(jù)驅(qū)動與融合預(yù)測等方面闡述基于數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁智能拆除方法,從而為橋梁拆除工程作業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供一些新思路。
傳統(tǒng)橋梁拆除方法數(shù)字化、智能化程度低,且橋梁拆除施工具有涉及主體較多、資源配置復(fù)雜、工藝工序繁瑣的特點(diǎn),導(dǎo)致傳統(tǒng)施工過程中出現(xiàn)全生命周期管理流程割裂、資源未能最大化利用、施工安全難以保障。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于橋梁拆除實(shí)際工程中,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化管理,數(shù)字孿生具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性,可在構(gòu)建的模型基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)施工場地預(yù)布置模擬、工程量自動統(tǒng)計(jì)、交通疏散模擬以及橋梁拆除全過程模擬等,能夠?qū)?xiàng)目的難重點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控,達(dá)到橋梁智能拆除的目的。
通過研究總結(jié)[7]出橋梁拆除對數(shù)字孿生的需求:
1)工程信息共享性需求 現(xiàn)階段工程施工尚未建立統(tǒng)一的信息共享平臺,施工信息傳遞滯后,數(shù)據(jù)交互受到限制,使得項(xiàng)目施工信息共享不充分。
2)空間碰撞檢查要求 當(dāng)前的二維圖紙不能全面反映管線、堆場、設(shè)備、材料等在整體空間的布局狀態(tài)。
3)交通組織動態(tài)管理需求 施工期間應(yīng)盡可能確保交通正常通行,現(xiàn)有的施工交通組織方案以分階段靜態(tài)管理為主,交通管理仍按階段性計(jì)劃執(zhí)行,遭遇異常天氣、施工進(jìn)度等影響,交通組織缺少實(shí)時更新與全過程展現(xiàn)。
4)技術(shù)交底可視化需求 傳統(tǒng)的技術(shù)交底形式單調(diào),施工人員難以通過枯燥的文字說明深入理解施工內(nèi)容關(guān)鍵、重要的施工環(huán)節(jié)交底資料相對復(fù)雜,文檔資料缺乏生動性,不利于施工人員充分了解施工過程中的每處細(xì)節(jié),信息傳遞過程的精確性難以確保。
隨著施工工藝的不斷優(yōu)化以及三維建模仿真能力、軟硬件集成化水平的提高,使得基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋梁智能拆除成為可能。傳統(tǒng)橋梁拆除模式和智能化橋梁拆除模式對比如表1所示。
表1 傳統(tǒng)橋梁拆除模式和智能化橋梁拆除模式
根據(jù)拆除橋梁項(xiàng)目的特征、屬性,結(jié)合國內(nèi)學(xué)者陶飛等人聯(lián)合研究的“數(shù)字孿生五維模型”[8]提出了本文的研究模型,具體如公式(1)所示。
MBDT=(BPE,EPE,PPE,BVE,EVE,PVE,BSS,BDD,BCN)
(1)
式中:MBDT表示面向橋梁拆除的多維模型;BPE表示橋梁物理實(shí)體;EPE表示車載裝備物理實(shí)體;PPE表示施工人員物理實(shí)體;BVE表示橋梁虛擬模型;EVE表示車載裝備虛擬模型;PVE表示施工人員虛擬模型;BSS表示面向全過程橋梁智能拆除服務(wù);BDD表示與橋梁拆除相關(guān)的數(shù)據(jù);BCN表示各組成部分的連接。
物理建造實(shí)體(PE)是五維模型的構(gòu)成基礎(chǔ),對物理建造實(shí)體(PE)的準(zhǔn)確分析與有效維護(hù)是建立MDT的前提[8]。物理實(shí)體包含的信息要素眾多,在該框架下BPE的信息主要包含待拆橋梁本身的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件以及橋梁的跨徑、重量等相關(guān)信息;EPE主要包含車載裝備的結(jié)構(gòu)組成,使用功能以及承載能力等信息;PPE是施工過程中對施工人員的總概括;除此之外,物理建造實(shí)體(PE)還需包括物料、工法、環(huán)境等對象的相關(guān)要素信息。
虛擬模型(VE)是對物理實(shí)體的一一映射,需要與物理實(shí)體保持良好的時空一致性,這就需要在模型的建立時,對物理實(shí)體的細(xì)節(jié)層次更加接近。目前在工程領(lǐng)域研究較多且應(yīng)用廣泛的模型類型主要有BIM模型、有限元模型、點(diǎn)云模型等,虛擬模型不僅包含了物理實(shí)體的幾何參數(shù)(如形狀、尺寸、功能、位置等),還包含了物理實(shí)體的物理屬性、約束以及特征等重要信息。
橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)(BSS)具有強(qiáng)大的處理功能,結(jié)合現(xiàn)實(shí)場景中的需求,通過數(shù)據(jù)模型、運(yùn)行算法、仿真實(shí)驗(yàn)等,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生內(nèi)部所需的各項(xiàng)功能性需求;同時又能以應(yīng)用軟件、客戶端APP以及Web端應(yīng)用程序等形式為施工管理決策人員提供智能決策服務(wù)。
孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(BDD)是數(shù)字孿生的驅(qū)動,數(shù)據(jù)主要來源包括待拆除橋梁以及施工人員、機(jī)械設(shè)備、工藝工法、施工環(huán)境、物料五大要素,通過實(shí)時數(shù)據(jù)交互反饋,對當(dāng)前施工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,不斷將真實(shí)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)系統(tǒng)端,利于施工管理決策人員在線實(shí)時決策,同時,將決策信息同步反饋給施工現(xiàn)場,便于施工進(jìn)程安全、流暢進(jìn)行。
連接模塊(BCN)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互反饋,是各模塊之間聯(lián)系的紐帶,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)物理世界與虛擬數(shù)字世界的互聯(lián)互通。
結(jié)合高速公路跨線橋梁拆除的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和應(yīng)用要求,本文提出了數(shù)字孿生驅(qū)動的橋梁拆除應(yīng)用思路與方案,該框架總體架構(gòu)布局由橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、物理實(shí)體、虛擬模型和連接模塊構(gòu)成,如圖1所示。橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)是直接面向用戶,包含了橋梁及拆除設(shè)備數(shù)據(jù)管理功能、可視化橋梁拆除預(yù)警功能、可視化拆除引導(dǎo)功能等,當(dāng)然,用戶可根據(jù)自身需求,開發(fā)其他功能模塊。
圖1 基于數(shù)字孿生的橋梁智能拆除方法框架
橋梁數(shù)字孿生體的運(yùn)行需要孿生數(shù)據(jù)的實(shí)時驅(qū)動,橋梁物理實(shí)體、虛擬橋梁模型和橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時交互、持續(xù)優(yōu)化任務(wù)。
1)橋梁數(shù)字孿生體的迭代優(yōu)化過程,是橋梁物理實(shí)體與橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互過程,數(shù)據(jù)通過感知系統(tǒng)獲得,感知系統(tǒng)由分布在橋梁物理實(shí)體上的各類傳感器組成。當(dāng)橋梁數(shù)字孿生體運(yùn)行橋梁拆除任務(wù)時,橋梁拆除服務(wù)系統(tǒng)在孿生數(shù)據(jù)中調(diào)運(yùn)資源數(shù)據(jù)(包括施工人員、機(jī)械設(shè)備、工藝工法流程狀態(tài)、施工環(huán)境以及物料數(shù)據(jù))的驅(qū)動下,會自動識別任務(wù)內(nèi)容并匹配到滿足任務(wù)要求的初步橋梁拆除方案。并將該方案以指令的方式傳達(dá)給物理實(shí)體。物理實(shí)體根據(jù)系統(tǒng)指令進(jìn)行調(diào)整,同時將實(shí)時數(shù)據(jù)不斷反饋給橋梁智能服務(wù)系統(tǒng),反復(fù)迭代分析,達(dá)到最優(yōu)拆除要素,從而得到初步橋梁拆除方案。
2)在對橋梁拆除方案的迭代優(yōu)化過程,也是橋梁數(shù)字孿生體中橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)與虛擬物理實(shí)體的交互過程。虛擬物理實(shí)體根據(jù)初步橋梁拆除方案,結(jié)合橋梁孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺中的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、對橋梁拆除方案進(jìn)行仿真、預(yù)測及優(yōu)化,并將結(jié)果反饋至橋梁智能服務(wù)系統(tǒng),從而對橋梁拆除初步方案進(jìn)行修正和優(yōu)化,并反復(fù)迭代優(yōu)化,得到最優(yōu)結(jié)果?;谧罱K方案生成拆除過程操作指令。
3)對橋梁拆除過程的實(shí)時迭代優(yōu)化過程,也是橋梁數(shù)字孿生體中物理實(shí)體和虛擬模型的交互過程。在橋梁孿生數(shù)據(jù)平臺中,經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后得到最優(yōu)閾值,在橋梁物理實(shí)體與虛擬物理實(shí)體交互過程中,將實(shí)際數(shù)據(jù)與最優(yōu)閾值進(jìn)行對比,當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)接近閾值時,系統(tǒng)會彈窗提示,并讓技術(shù)人員做相應(yīng)的選擇措施(比如:停止正在進(jìn)行的步驟或?qū)υ摬襟E進(jìn)行調(diào)整);當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)超過閾值時,系統(tǒng)會自動停止當(dāng)前正在進(jìn)行的操作,同時彈窗警告。
基于數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁智能拆除方法具有很多優(yōu)勢,如:自動感知、可識別、運(yùn)算分析、智能決策執(zhí)行等等。此外,還涉及到物理空間模型的建立,數(shù)據(jù)信息傳輸分析等,運(yùn)用到的關(guān)鍵技術(shù),以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為主。值得一提的是,在模型中還增加了復(fù)合導(dǎo)航、無人駕駛技術(shù)。這些均是傳統(tǒng)拆除方法無法企及的。
1)多維多尺度虛擬建模 在數(shù)字孿生框架中,虛擬模型起至關(guān)重要的作用,虛擬模型的精細(xì)化程度決定了施工信息量的多少,建立精細(xì)的虛擬模型才能最大程度保留工程的有效信息,且盡可能的減少信息的冗余和錯誤。虛擬模型需要反映物理實(shí)體的幾何尺寸、空間大小、物理形狀、位置關(guān)系等信息,橋梁虛擬模型的建立離不開BIM技術(shù),BIM模型的創(chuàng)建又依賴于BIM核心軟件,所以應(yīng)當(dāng)選擇合適快速的BIM軟件。當(dāng)前,國內(nèi)工程領(lǐng)域的主流BIM軟件包括美國的Bentley系列和Autodesk系列、芬蘭的Tekla、法國的Dassault以及McNeel公司的Rhino軟件。由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性,參數(shù)化軟件對于橋梁虛擬模型的建立是最好的選擇,Revit內(nèi)置有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫,同時還可以根據(jù)需要自定義構(gòu)件族或者創(chuàng)建新的族文件;Rhino具有很好的曲線建模功能,且內(nèi)置許多插件,是很好的復(fù)雜構(gòu)件和復(fù)雜曲線橋梁建模軟件,如圖2為建立的橋梁及車載裝備虛擬模型。
圖2 橋梁及車載裝備虛擬模型
2)感知傳輸與數(shù)據(jù)識別 整個數(shù)字孿生系統(tǒng)體系的基礎(chǔ)是高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸,監(jiān)測內(nèi)力、位移、溫度等多種功能的傳感器,它可以最大程度地還原物理實(shí)體系統(tǒng)運(yùn)行的情況,通過全面、精準(zhǔn)及快速布局傳感器,形成一個龐大網(wǎng)格,隨時捕獲物理量信息[9]。對于橋梁拆除工程,本身就具有復(fù)雜性和變化性,其物理空間環(huán)境變化隨著拆除跟進(jìn)也會發(fā)生復(fù)雜性變化。眾所周知,影響工程質(zhì)量的獨(dú)立因素有五大要素、智能感知以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)識別,其中:數(shù)字孿生系統(tǒng)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源五大要素,通過多種類型、多種功能的傳感器感知要素信息,采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù),將其闡述給中央控制系統(tǒng),為此需要在網(wǎng)絡(luò)模型中統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口、通訊協(xié)議,并針對不同類型、不同來源的信息進(jìn)行統(tǒng)一化處理,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行傳輸,最終將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至虛擬空間。具體原理參考下圖3所示。
圖3 感知傳輸與數(shù)據(jù)識別流程
3)數(shù)據(jù)驅(qū)動與輔助決策 數(shù)字驅(qū)動就是運(yùn)用最新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),對模型不斷更新和調(diào)整,考慮到系統(tǒng)機(jī)理特征、運(yùn)行數(shù)據(jù)特征, 找數(shù)據(jù)驅(qū)動和解析模型契合之處,并通過解析模型,結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動原理,對模型進(jìn)行補(bǔ)充和優(yōu)化。在物理實(shí)體上分布了很多傳感器,它們采集了很多實(shí)體數(shù)據(jù),由多數(shù)據(jù)融合算法,根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)所承受的各類工況參數(shù),可以精確預(yù)測橋梁及設(shè)備受力限值,融合型預(yù)測方法的實(shí)施流程如圖4所示。
圖4 融合型預(yù)測方法的實(shí)施流程
基于上述研究方法,以上海某項(xiàng)目為例進(jìn)行研究。該高架橋接地段因道路改造規(guī)劃,需將三跨連續(xù)梁拆除,待拆除橋梁截面形式為等截面單箱三室直腹板鋼筋混凝土箱梁,橋面寬18 m,頂板寬度17.7 m,底板寬度為10.4 m,梁高2.2 m。下部結(jié)構(gòu)為整體式鋼筋混凝土基礎(chǔ),分離式雙柱式橋墩。
1)多維多尺度虛擬建模 選用Rhino軟件對施工現(xiàn)場的外觀進(jìn)行建模,待拆除橋梁用ANSYS軟件建立,轉(zhuǎn)化為荷載形式作用在車載裝備(模塊車組+支撐結(jié)構(gòu))上,得出車載裝備可能出現(xiàn)的所有參數(shù)變化。將參數(shù)變化模塊化,建立動態(tài)可擴(kuò)展的數(shù)字庫,打包封裝程可調(diào)用的文件包。通過在WEB端建立可視化的孿生數(shù)據(jù)平臺,進(jìn)行橋梁拆除模擬仿真展示。
圖5 WEB端可視化平臺
2)感知傳輸與數(shù)據(jù)識別 橋梁體量大,拆除過程不可控因素較多,而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可對橋梁進(jìn)行全面感知。物理實(shí)體模型、數(shù)字孿生虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺通過低延遲、高速、高穩(wěn)定性的HTTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及bluetooth、WIFI等方式,為數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)軟硬件保障。
3)數(shù)據(jù)驅(qū)動與輔助決策 通過對該項(xiàng)目橋梁拆除過程建立數(shù)字孿生模型,與此同時搭建了安全風(fēng)險預(yù)測控制平臺,實(shí)時分析拆除過程的信息,并在平臺上進(jìn)行可視化展示,分析虛擬模型所存儲以及物理拆除過程實(shí)時采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對吊裝安全風(fēng)險的實(shí)時預(yù)測,并對吊裝過程風(fēng)險演化規(guī)律進(jìn)行分析,在智能安全管理平臺上顯示所收集的拆除多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以及風(fēng)險預(yù)測結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了對整個拆除過程數(shù)據(jù)全面獲取并保證了施工過程的安全性。
隨著信息化和人工智能時代的到來,橋梁拆除施工必須向著數(shù)字化、智能化的方向前進(jìn),橋梁拆除智能化不僅能夠提高橋梁拆除施工效率、節(jié)約成本,還能更好地進(jìn)行工地管控,使得橋梁拆除工程向著智慧工地邁進(jìn)。
1)根據(jù)已有研究成果,提出了智能化橋梁拆除多維模型,通過模型生成了拆除框架,結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),對整個拆除橋梁過程實(shí)施閉環(huán)管理,及時反饋跟進(jìn)情況,提高作業(yè)質(zhì)量、效率,減少成本和誤差。今后在大數(shù)據(jù)集成的環(huán)境下,通過高精度的傳感器采集設(shè)備,對施工過程的全要素進(jìn)行感知分析,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在虛擬模型中的真實(shí)映射。
2)橋梁智能拆除的實(shí)現(xiàn),還需要更多的保障措施,如:完善的理論基礎(chǔ);先進(jìn)的軟件條件;優(yōu)勢的硬件系統(tǒng)等,而本文研究僅從理論體系入手展開研究,分析了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,后續(xù)研究將會進(jìn)一步討論軟件、硬件系統(tǒng)開發(fā)以及成本維護(hù)的相關(guān)內(nèi)容,以此補(bǔ)充本文研究的不足。
3)傳統(tǒng)橋梁拆除方法數(shù)字化、智能化程度低,將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于橋梁拆除實(shí)際工程中,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息化管理,數(shù)字孿生具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性,可在構(gòu)建的模型基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)施工場地預(yù)布置模擬、工程量自動統(tǒng)計(jì)、交通疏散模擬以及橋梁拆除全過程模擬等,能夠?qū)?xiàng)目的難重點(diǎn)實(shí)時監(jiān)控,達(dá)到橋梁智能拆除的目的。