基于BIM的橋梁檢測與安全評估研究

王彩君

(威海市公路事業(yè)發(fā)展中心,山東 威海 264200)

0 引 言

近年來,基礎(chǔ)交通網(wǎng)不斷完善,公路工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。橋梁作為公路上的重要構(gòu)造物,其建設(shè)數(shù)量也越來越多。但是隨著交通量逐年增長,尤其是重載超載車輛的增加,橋梁結(jié)構(gòu)性能劣化現(xiàn)象更加突出。如果橋梁檢測方法選擇不當(dāng),可能導(dǎo)致橋梁安全性評估結(jié)果與實(shí)際不符,從而帶來一定的安全隱患,嚴(yán)重的可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。如何快速科學(xué)的檢測橋梁質(zhì)量,對其安全狀況進(jìn)行評價(jià)是公路管養(yǎng)單位需要解決的重要問題。傳統(tǒng)的橋梁檢測和安全評估是基于二維平面圖紙,存在直觀性較差、多個(gè)專業(yè)技術(shù)人員間的溝通不暢等問題。鑒于此,國內(nèi)很多學(xué)者引入了BIM理念(Building Informnation Modeling)用于橋梁檢測和安全評估,但是BIM技術(shù)在我國起步較晚,相關(guān)理論不完善,沒有統(tǒng)一的成果來指導(dǎo)橋梁管養(yǎng)[1]。因此,進(jìn)一步研究BIM技術(shù)在橋梁檢測與安全評估中的應(yīng)用意義重大。

1 BIM技術(shù)特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)

1.1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

BIM技術(shù)是交通領(lǐng)域和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一種新型建設(shè)理念。BIM技術(shù)并不是單純指某一款軟件,而是借助多個(gè)BIM軟件將不同專業(yè)間的信息集成在一個(gè)三維數(shù)據(jù)模型中,使得工程信息能在項(xiàng)目全壽命周期中傳遞和共享,以便于技術(shù)人員做出正確判斷。

BIM技術(shù)應(yīng)用在橋梁檢測和安全評估中具有以下特點(diǎn)[2]:(1)可視化。BIM技術(shù)可以對實(shí)際橋梁項(xiàng)目進(jìn)行可視化模擬,即建立三維模型,快速定位橋梁工程各個(gè)構(gòu)件的位置和屬性,使技術(shù)人員直觀、準(zhǔn)確的判定橋梁安全狀況;(2)信息準(zhǔn)確性。在橋梁工程檢測和安全評估項(xiàng)目中,會(huì)產(chǎn)生大量工程信息,利用BIM技術(shù)可將海量的信息進(jìn)行篩選、存儲(chǔ),并實(shí)現(xiàn)橋梁模型與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。一旦調(diào)整橋梁模型,其儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)也隨之動(dòng)態(tài)更新;(3)協(xié)調(diào)性。橋梁檢測和安全評估需要多個(gè)人員的參數(shù),傳統(tǒng)的溝通交流是借助EXCEL表格、Word文檔、CAD圖紙等,容易出現(xiàn)信息傳遞錯(cuò)誤,造成較大的人力和物力浪費(fèi)。而利用BIM三維模型及其儲(chǔ)存的工程信息,可以保證信息的完整性和準(zhǔn)確性,大幅促進(jìn)各專業(yè)人員的協(xié)調(diào)。

1.2 BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

大量工程實(shí)踐表明,BIM技術(shù)在橋梁工程中應(yīng)用要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。目前,BIM技術(shù)常用標(biāo)準(zhǔn)有IFC標(biāo)準(zhǔn)、IFD標(biāo)準(zhǔn)、IDM標(biāo)準(zhǔn),不同標(biāo)準(zhǔn)間的相互關(guān)系見圖1。

圖1 BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)間的關(guān)系

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)三維模型

IFC標(biāo)準(zhǔn)(Industry Foundation Classes)是實(shí)體、屬性間的集合,由資源層、核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)咏M成。在橋梁結(jié)構(gòu)管養(yǎng)期間,橋梁檢測信息將按資源層→核心層→共享層→領(lǐng)域?qū)拥捻樞蛑饘觽鬟f;IDM(Information Delivery Manual)和IFC標(biāo)準(zhǔn)呈映射關(guān)系,其功能是將工程信息整合后傳遞給技術(shù)人員。對于橋梁檢測項(xiàng)目中而言,檢測時(shí)間和安全評估時(shí)間均可借助IDM標(biāo)準(zhǔn)制定;IFD(International Framework forDictionaries)為國際字典框架標(biāo)準(zhǔn),是項(xiàng)目指定時(shí)間和地點(diǎn)基于特定目的的信息集合[3]。

2 BIM技術(shù)在橋梁檢測中的具體應(yīng)用

2.1 橋梁檢測內(nèi)容

橋梁檢測可以使公路管養(yǎng)部門及主管部門充分了解橋梁運(yùn)營整體情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁病害。根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》JTG 5120-2021(以下簡稱《規(guī)范》),橋梁檢測內(nèi)容包括經(jīng)常性檢查、定期檢查特殊檢查三類。

經(jīng)常性檢查的任務(wù)是確保橋梁功能正常使用,其檢測內(nèi)容包括橋面是否損壞、伸縮縫是否破損、錐坡和翼墻是否開裂沉陷、交通標(biāo)志和照明設(shè)施等是否完好;定期性檢查以目測為主,現(xiàn)場調(diào)查橋梁安全狀況;橋梁結(jié)構(gòu)的特殊檢查則需要借助儀器設(shè)備,以明確橋梁病害原因及損害程度,作為橋梁安全評估和加固設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.2 BIM技術(shù)具體應(yīng)用分析

將BIM技術(shù)應(yīng)用在橋梁檢測中,能夠直觀了解到橋梁現(xiàn)狀、橋梁運(yùn)營期間的各種恒載和活載、病害所在位置等,實(shí)現(xiàn)公路橋梁檢測的可視化。

(1)橋梁檢查

橋梁在檢測之前,技術(shù)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、歷史管養(yǎng)數(shù)據(jù)等制定檢測計(jì)劃,并明確檢測重點(diǎn)部位。結(jié)合相關(guān)研究成果,BIM技術(shù)用于橋梁檢查中可劃分為三個(gè)階段:預(yù)檢查、現(xiàn)場檢查、信息處理。在預(yù)檢查階段,技術(shù)人員要基于三維建模軟件內(nèi)置的編碼體系,以構(gòu)件為基本單元建立橋梁三維模型,且每個(gè)橋梁構(gòu)件都有唯一標(biāo)識(shí)碼(ID)。這樣在查找橋梁任意構(gòu)件時(shí),只需輸入ID碼,即可彈出該構(gòu)件相關(guān)信息[4]。

在現(xiàn)場檢查階段,BIM技術(shù)主要是用于實(shí)現(xiàn)定位病害和信息共享兩大功能。

定位病害:因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)的隱蔽部位多,某些細(xì)小病害可能不會(huì)引起技術(shù)人員的重視,使得細(xì)小病害不斷發(fā)育,最終危害橋梁結(jié)構(gòu)的整體安全性?；跇蛄築IM三維模型,可以直觀、全面的展示橋梁結(jié)構(gòu)的病害分布情況。同時(shí),三維模型還能以不同顏色分別標(biāo)識(shí)出不同病害及其嚴(yán)重程度。這樣即使是剛接手項(xiàng)目的技術(shù)人員,也能迅速定位橋梁檢測的重點(diǎn)和難點(diǎn),降低技術(shù)人員因經(jīng)驗(yàn)不足而未能檢測到病害的概率。

信息共享:在橋梁結(jié)構(gòu)檢測任務(wù)完成后,技術(shù)人員可將原始檢測數(shù)據(jù)及相關(guān)病害照片導(dǎo)入BIM系統(tǒng)中,BIM系統(tǒng)自動(dòng)整理各種病害信息,并將病害信息儲(chǔ)存在三維模型中。其它人員也可通過BIM系統(tǒng)中的“查詢功能”,快速獲取相關(guān)病害信息,實(shí)現(xiàn)橋梁病害信息在不同技術(shù)人員之間的快速傳遞[5]。

(2)橋梁荷載檢測

公路橋梁檢測試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)兩種,傳統(tǒng)的橋梁荷載檢測方案制定要先在CAD平面圖紙上標(biāo)注傳感器、百分表、加載車輛等的位置,直觀性較差。而利用BIM技術(shù)可在橋梁三維模型中直接設(shè)定各種檢測所需的信息。

(3)三維可視化

要想實(shí)現(xiàn)公路橋梁檢測的三維可視化,需借助無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)拍攝橋梁工程所在區(qū)域的地形地貌,并將得到高程線、坐標(biāo)值(X、Y、Z)等導(dǎo)入到三維BIM模型中。這樣技術(shù)人員可以在任意視角下觀看橋梁各構(gòu)件的信息,并能夠?qū)崿F(xiàn)飛行模擬功能。

(4)質(zhì)量、進(jìn)度、成本管理

BIM技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)橋梁工程的檢測模擬,還可以對橋梁檢測過程中的質(zhì)量、進(jìn)度、成本等進(jìn)行全面控制。

在管理橋梁檢測質(zhì)量時(shí)需從以下三方面著手:①對建立的橋梁三維模型進(jìn)行全面檢查,確保與實(shí)際情況保持一致;②將橋梁檢測關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)聯(lián)到三維模型中的相應(yīng)構(gòu)件元素上;③根據(jù)檢測時(shí)間、檢測部位、檢測人員等因素對橋梁病害信息分類歸納,為后續(xù)橋梁安全評估提供依據(jù)。

BIM技術(shù)管理橋梁工程檢測進(jìn)度的關(guān)鍵是合理規(guī)劃檢測內(nèi)容、合理分配檢測資源,減小檢測過程中的各種返工,以免延誤檢測工期。

3 BIM技術(shù)在橋梁安全評估中的具體應(yīng)用

3.1 橋梁安全評估架構(gòu)及應(yīng)用優(yōu)勢

(1)橋梁安全評估架構(gòu)

目前,公路橋梁安全性評估方法有規(guī)范法、層次分析法、模糊綜合分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等,但是上述方法所得到的評估結(jié)構(gòu)受人的主觀因素影響較大。為了解決這一問題,可在橋梁結(jié)構(gòu)安全評估中引入BIM技術(shù),以幫助橋梁管養(yǎng)人員正確認(rèn)識(shí)橋梁病害發(fā)育程度?；贐IM技術(shù)所建立的橋梁結(jié)構(gòu)安全評估系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)安全評估系統(tǒng)

應(yīng)用該橋梁結(jié)構(gòu)安全評估系統(tǒng)時(shí),病害數(shù)據(jù)庫和安全缺陷數(shù)據(jù)分析庫共同形成的專家指導(dǎo)分析庫并不是固定不變,而是隨著橋梁所處環(huán)境和新的病害形式的出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。

(2)應(yīng)用優(yōu)勢

評估自動(dòng)化:公路橋梁構(gòu)件及病害類型繁多,且檢查頻繁,根據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T H21-2011)計(jì)算橋梁技術(shù)狀況評分時(shí)耗費(fèi)人力、物力較大。雖然有部分公路橋梁檢測單位利用EXCEL編寫了橋梁技術(shù)狀況評分計(jì)算表格,實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化,但是仍需手工輸入原始檢測數(shù)據(jù),計(jì)算效率較慢。而利用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)橋梁安全自動(dòng)化評估[6]。

評估精準(zhǔn)化:傳統(tǒng)的橋梁安全評估方法難以對橋梁構(gòu)件病害進(jìn)行具體量化,即使量化也具有很強(qiáng)的主觀性,可能導(dǎo)致同一構(gòu)件經(jīng)不同技術(shù)人員評估后得到不同的評估結(jié)果。而基于BIM技術(shù)所建立的橋梁安全評估系統(tǒng),可以生成某一構(gòu)件病害的時(shí)間軸,展示該病害在運(yùn)營期間的發(fā)展情況,便于分析病害對橋梁結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí),一個(gè)橋梁構(gòu)件的病害可能有多個(gè),只用一個(gè)指標(biāo)去評估其安全狀況不是特別科學(xué)。利用BIM技術(shù)可以全方位、多角度的展示橋梁構(gòu)件病害,輔助技術(shù)人員對橋梁安全性做出精準(zhǔn)評估。

3.2 橋梁安全評估程序設(shè)計(jì)

以MicroStation軟件為平臺(tái)運(yùn)行VBA程序編輯器來設(shè)計(jì)橋梁安全評估程序。在缺省條件下,VBA的窗體是模態(tài),會(huì)阻止用戶與MicroStation平臺(tái)交互。為解決這一問題,應(yīng)以非模態(tài)方式來顯示用戶窗體,即將“DoCelllnsartion”代碼放入模塊中,實(shí)現(xiàn)評估模塊和BIM模型之間的交互。

(1)初始化文件

在利用BIM技術(shù)建立橋梁三維模型前,需在安全評估系統(tǒng)中創(chuàng)建初始文件,輸入待評估橋梁名稱、橋梁結(jié)構(gòu)類型(梁式橋、拱式橋、懸索橋、斜拉橋)、檢測人員、管養(yǎng)單位名稱等信息。

(2)評估內(nèi)容

以梁式橋?yàn)槔?從橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)三部分開展安全評估,具體內(nèi)容如表1所示。待所有橋梁部分評估完成后,得到橋梁的總體評分和安全等級。

表1 橋梁安全評估內(nèi)容

3.3 橋梁安全評估案例分析

(1)工程概況

研究對象為某公路橋梁,其設(shè)計(jì)速度為80 km/h,設(shè)計(jì)荷載為公路I級,抗震設(shè)防烈度為VI度,可不考慮地震力影響。橋梁主橋長270 m,跨徑組合為(70+130+70)m,上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,下部結(jié)構(gòu)主墩墩身為雙薄壁空心墩,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。

(2)橋梁評估結(jié)果

橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的評估結(jié)果。

可知:該橋梁上部結(jié)構(gòu)評分為98.5,結(jié)構(gòu)等級為1級;下部結(jié)構(gòu)評分為98.0分,結(jié)構(gòu)等級為1級;橋面系評分為76.5分,結(jié)構(gòu)等級為3級。由此可知,該橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)安全性較好,橋面系經(jīng)多年運(yùn)營損傷較嚴(yán)重,需加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)管理。

4 結(jié) 語

分析了BIM技術(shù)特點(diǎn)及其在橋梁檢測、橋梁安全評估中的應(yīng)用,主要得到以下幾個(gè)結(jié)論:(1)BIM技術(shù)應(yīng)用在橋梁檢測和安全評估中具有可視化、信息準(zhǔn)確性、協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢,常用建模標(biāo)準(zhǔn)有IFC、IFD、IDM三種;(2)BIM技術(shù)用于橋梁檢查中可劃分為預(yù)檢查、現(xiàn)場檢查、信息處理三個(gè)階段,同時(shí)還可模擬橋梁荷載試驗(yàn),控制橋梁檢測的質(zhì)量、進(jìn)度和成本;(3)基于BIM技術(shù)建立橋梁安全評估系統(tǒng)具有評估自動(dòng)化和評估精準(zhǔn)化優(yōu)勢;(4)橋梁結(jié)構(gòu)安全評估可從橋面系、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)三部分開展,并將其劃分為1～5級。