基于BIM 技術(shù)的拱橋運(yùn)營(yíng)狀況可視化研究

童光旭，謝艷，宋華，常軍

（蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇蘇州 215011）

0 引言

橋梁作為道路建設(shè)的重要組成部分，與人們的生活密切相關(guān)。中國(guó)數(shù)以萬計(jì)的橋梁在建設(shè)和日常運(yùn)營(yíng)過程中，其平均壽命往往會(huì)因?yàn)樽匀粸?zāi)害、惡劣天氣、交通事故以及在建設(shè)施工階段和運(yùn)維管理不完善等原因而降低，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)安全事故。因此，主動(dòng)預(yù)防式橋梁健康監(jiān)測(cè)成為工程師當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。

王超［1］提出了對(duì)橋梁的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)SQL Server 數(shù)據(jù)庫，通過BIM 建模軟件Revit 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與可視化；Cheung 等［2］利用無線傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)信息與模型的連接，利用傳感設(shè)備將實(shí)橋上采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至BIM 模型，實(shí)現(xiàn)了健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連接；王長(zhǎng)祺［3］提出了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)BIM 模型進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，從而在Web 端展現(xiàn)了橋梁的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)警信息等。

傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以人工攜帶儀器對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)和傳感器監(jiān)測(cè)為主，通常檢測(cè)結(jié)果會(huì)局限于橋梁的結(jié)構(gòu)表面，橋梁內(nèi)部出現(xiàn)的問題很難被發(fā)現(xiàn)，且人為影響因素較高，如漏檢、誤檢等。通過數(shù)量繁多的傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集，并通過數(shù)據(jù)庫管理軟件對(duì)其處理。然而隨著時(shí)代的發(fā)展，這種情況已經(jīng)不再滿足橋梁健康監(jiān)測(cè)的需求，并且現(xiàn)代橋梁逐步往智能化、自動(dòng)化、信息化方向發(fā)展。

盡管國(guó)內(nèi)外許多橋梁已經(jīng)運(yùn)用了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然而，研究發(fā)現(xiàn)，這些橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是單方面向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的，且大多數(shù)僅僅是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與保存，在以下幾方面仍然存在許多問題：健康監(jiān)測(cè)信息可視化；橋梁安全預(yù)警實(shí)時(shí)性；人工巡檢電子化。

健康監(jiān)測(cè)的核心任務(wù)是獲得環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及局部損傷等信息，在對(duì)監(jiān)（檢）測(cè)信息進(jìn)行綜合評(píng)估的基礎(chǔ)上保障橋梁在日常行車和結(jié)構(gòu)處于雙重安全狀態(tài)。BIM 作為一種新型的管理方法，貫穿整個(gè)工程項(xiàng)目的生命周期。BIM 的優(yōu)勢(shì)在于其高度的可視化功能，可以為結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)提供良好的可視化表達(dá)環(huán)境。當(dāng)前，BIM 應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域較少。區(qū)別于傳統(tǒng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，BIM強(qiáng)大的可視化功能可以很好地表達(dá)橋梁健康監(jiān)測(cè)的信息，可以更直觀地顯示出監(jiān)測(cè)信息，降低其理解難度，提高監(jiān)測(cè)效率和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的交互性。因此，本文提出BIM 技術(shù)與橋梁健康監(jiān)測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)橋梁在日常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)預(yù)警以及電子化人工巡檢功能，為拱橋在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的可視化管理提供新的方法。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)

根據(jù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求以及設(shè)計(jì)原則，以Revit 技術(shù)作為開發(fā)的核心平臺(tái)，Micro-soft.NET 4.8 為框架，Visual Studio 2019 為開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)庫管理軟件采用SQL Server 2012，開發(fā)語言為Visual C#、Javascript、Asp.net。基 于Revit API 的 二 次 開發(fā)［4］，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從邏輯上分為采集層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層，采用插件架構(gòu)方式集成，開發(fā)了橋梁健康監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)橋梁監(jiān)測(cè)信息的可視化要求，系統(tǒng)功能模塊可分為數(shù)據(jù)管理、模型管理、監(jiān)測(cè)管理、預(yù)警管理、人工巡檢管理等模塊，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能

1.3 參數(shù)化BIM 模型

BIM 包含了項(xiàng)目所有數(shù)據(jù)，可以為各種信息交互共享提供數(shù)據(jù)。建立基于BIM 的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)BIM 模型的建立，BIM 模型的內(nèi)容主要包含橋梁模型和傳感器模型，兩者均通過Revit 族建立。然后通過族的共享參數(shù)設(shè)置，將橋梁的實(shí)際物理信息和幾何信息輸入到BIM 模型中，之后在運(yùn)維管理中將模型數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合，從而提高監(jiān)測(cè)信息的管理效率［5］。

1.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與傳輸

橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊為核心的全自動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)傳感器獲得橋梁信息數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)理，模數(shù)轉(zhuǎn)換及網(wǎng)絡(luò)傳輸，是連接橋梁外場(chǎng)與監(jiān)控中心的紐帶，數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)采集軟件及其他附屬設(shè)備組成數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模塊則是對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊的整合。數(shù)據(jù)采集模塊是通過給橋梁的自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)定固定頻率并使用高速連續(xù)的頻率對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這樣的采集方式不僅精確、同步，而且為后期橋梁狀態(tài)的安全評(píng)估提供可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊，從通信的實(shí)效性和穩(wěn)定性考慮，數(shù)據(jù)傳輸一般租用電信公司的光纖網(wǎng)絡(luò)，由電信公司組建虛擬的VPN 網(wǎng)絡(luò)鏈接，利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型傳感器采集到的數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)，再通過數(shù)據(jù)采集單元傳輸至數(shù)據(jù)處理與控制服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接上BIM 模型，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

1.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理，是長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)形成的對(duì)大量數(shù)據(jù)的有效管理。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不僅數(shù)量多，而且數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，在處理過程中，由于數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存形式和管理需求均不同，把整個(gè)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫劃分為9 個(gè)子數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫、原始數(shù)據(jù)庫、處理后數(shù)據(jù)庫、健康狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、超閾值事件數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)庫、管養(yǎng)檢查數(shù)據(jù)庫。利用統(tǒng)計(jì)法、時(shí)間序列法等方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)預(yù)處理分析。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)BIM 可視化

通常，橋梁的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在日常監(jiān)測(cè)中都是相對(duì)穩(wěn)定的，但是如果碰到一些特殊情況，如船撞、超載、交通事故等，橋梁的某些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生突變。這樣，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)異常情況的及時(shí)應(yīng)對(duì)。

以前采用的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)復(fù)雜，且枯燥，可視化程度不高。BIM 的高可視化技術(shù)優(yōu)勢(shì)很容易解決這個(gè)問題。BIM 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)索力、環(huán)境、撓度、振動(dòng)、應(yīng)變等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以借助模型全方位地展示出橋梁各個(gè)部位的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后會(huì)被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，BIM 模型可以在數(shù)據(jù)庫中獲取這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的構(gòu)件上，從而利用BIM進(jìn)行展示，監(jiān)測(cè)內(nèi)容及傳感器類型見表1。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.2 實(shí)時(shí)預(yù)警

基于BIM 的實(shí)時(shí)預(yù)警模塊是用戶與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行交互的界面［6］，該功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示的橋梁安全狀態(tài)、報(bào)警信息查詢。預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)為橋梁后期的評(píng)估提供了有效的依據(jù)。

2.2.1 傳感器閾值的設(shè)定

能夠進(jìn)行合理預(yù)警的關(guān)鍵是要確定傳感器預(yù)警的預(yù)警閾值。通過理論分析獲得每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警值［7］，關(guān)鍵位置的傳感器的閾值則不僅需要通過理論計(jì)算，還需與有限元軟件模擬結(jié)果相結(jié)合得出。本文使用Midas Civil 有限元軟件，利用BIM 軟件與有限元軟件的模型轉(zhuǎn)換接口插件（圖4），獲取BIM 橋梁模型的幾何信息和物理信息，將BIM 模型轉(zhuǎn)換到Midas Civil 中進(jìn)行有限元分析。在Midas Civil 中設(shè)置荷載組合，采用移動(dòng)荷載和靜力荷載最大值工況，從而獲得橋梁跨中的理論應(yīng)力值，該值則為橋梁應(yīng)力閾值。將計(jì)算得出的閾值錄入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)傳感器的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫后，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，上傳后數(shù)據(jù)將會(huì)與閾值進(jìn)行比較，達(dá)到閾值的某一程度便會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以不同的顏色來表示橋梁的安全狀態(tài)。

圖4 BIM 模型向Midas Civil 轉(zhuǎn)換程序

2.2.2 預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)

本文的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警等級(jí)劃分是參考相關(guān)的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的情況，將預(yù)警等級(jí)劃分為4 級(jí)，分別為正常、警示、臨界和超限。當(dāng)測(cè)點(diǎn)在閾值區(qū)間的80%，表示測(cè)點(diǎn)狀態(tài)處于正常，構(gòu)件顏色為綠色；當(dāng)測(cè)點(diǎn)在閾值區(qū)間的80%～90%，該測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)應(yīng)引起警示，構(gòu)件顏色由綠色變?yōu)辄S色；當(dāng)測(cè)點(diǎn)處于閾值的90%～100%，該測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)應(yīng)引起高度重視，構(gòu)件顏色變?yōu)槌壬?；?dāng)測(cè)點(diǎn)超過閾值時(shí)，應(yīng)迅速報(bào)警，構(gòu)件顏色變?yōu)榧t色，如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)預(yù)警

2.3 人工巡檢

傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別對(duì)于橋梁構(gòu)件的局部表觀損傷識(shí)別還無法實(shí)現(xiàn)。所以，在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中引入人工巡檢也是對(duì)其的補(bǔ)充和完善，而且BIM 的可視化能夠和人工巡檢相輔相成，能夠讓檢測(cè)人員更直觀地發(fā)現(xiàn)橋梁局部構(gòu)件的表觀損傷并及時(shí)維護(hù)。

2.3.1 巡檢信息采集

巡檢信息采集模塊是基于BIM 橋梁三維模型的病害信息錄入系統(tǒng)，能夠?yàn)闃蛄汉笃谠u(píng)估提供有效的依據(jù)，檢測(cè)人員在橋梁巡檢時(shí)對(duì)橋梁病害信息進(jìn)行采集［8］。檢測(cè)人員在巡檢過程后將病害記錄緩存至采集設(shè)備的本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在Revit 中獲取病害信息采集模塊的子數(shù)據(jù)庫［8］，得到不同時(shí)間記錄的橋梁病害信息。

2.3.2 巡檢信息管理

巡檢記錄管理模塊是利用BIM 技術(shù)的高可視化優(yōu)勢(shì)對(duì)管養(yǎng)檢查數(shù)據(jù)庫中的巡檢記錄進(jìn)行可視化的管理［9-10］。該模塊主要是對(duì)病害信息展示，對(duì)管養(yǎng)檢查數(shù)據(jù)庫中的病害記錄通過Revit 平臺(tái)展示。展示方式包括：圖片化顯示巡檢信息、病害信息的詳細(xì)查看、橋梁所有病害信息總覽。

巡檢記錄管理模塊以Revit 平臺(tái)作為病害記錄的管理入口，管理病害可視化信息。實(shí)現(xiàn)全橋的病害歷史記錄查詢，即能夠?qū)⒉『π畔?duì)應(yīng)到BIM 模型相應(yīng)位置上，從而表示出整個(gè)橋梁的病害情況，為后期在橋梁評(píng)估提供便利。

3 工程實(shí)例

案例項(xiàng)目為上海平申線大橋（紫金大橋），平申線大橋?yàn)橹骺?88 m 的下承式系桿拱橋，主拱與主梁通過整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造連為一體，拱肋推力由主梁承擔(dān)，不對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生水平推力，主橋橋面寬40 m，下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本橋約束體系采用簡(jiǎn)支支撐體系。由于平申線大橋是上海市金山區(qū)交通主干道的重要節(jié)點(diǎn)，對(duì)區(qū)域發(fā)展具有重大影響，由于橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)受到連續(xù)荷載反應(yīng)、疲勞反應(yīng)等負(fù)面因素的長(zhǎng)期影響，最終出現(xiàn)不同程度的損傷，因此在橋梁運(yùn)維過程中需對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用本文提出的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，有利于及時(shí)掌握橋梁的承載能力。其中在橋梁跨中布置了8 個(gè)位移傳感器，14 個(gè)豎向拾振器，36 個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)，18 臺(tái)索力測(cè)試計(jì)，為橋梁運(yùn)維管理提供實(shí)測(cè)值，該項(xiàng)目的BIM 三維模型如圖5 所示。

圖5 紫金大橋BIM 模型

采用本文提出的系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)時(shí)，可以根據(jù)傳感器快速定位到所想要查詢的構(gòu)件，并查看實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)值大小，如圖6 所示。通過選擇曲線可以獲得該傳感器在當(dāng)前時(shí)間的數(shù)據(jù)曲線，如圖7 所示。

圖6 查詢傳感器所在位置

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線查看

運(yùn)用BIM 與有限元軟件的接口，將紫金大橋的BIM 模型導(dǎo)入Midas Civil 中添加靜力荷載和移動(dòng)荷載組合工況進(jìn)行有限元分析，有限元分析結(jié)果見圖8。根據(jù)有限元分析結(jié)果獲得跨中撓度的最大值，并與相關(guān)規(guī)范比較取兩者較大值作為設(shè)計(jì)閾值。根據(jù)比較，獲得該橋的索力最大值為1 570 kN，跨中撓度為161.934 mm，并以此作為紫金大橋的設(shè)計(jì)閾值。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)異常后報(bào)警，如圖9 所示，出現(xiàn)報(bào)警后查看構(gòu)件的超限情況，如圖10 所示。

圖8 有限元分析結(jié)果（單位：mm）

圖9 實(shí)時(shí)預(yù)警

圖10 超限構(gòu)件的查看

在橋梁的日常運(yùn)維過程中，不僅需要看到橋梁的實(shí)時(shí)狀態(tài)，后期專家在對(duì)橋梁評(píng)估過程中需要針對(duì)橋梁出現(xiàn)超限的時(shí)間點(diǎn)和位置進(jìn)行評(píng)估，本文所提出的系統(tǒng)則在出現(xiàn)預(yù)警后記錄下來，以供專家評(píng)估，如圖11 所示。

圖11 報(bào)警記錄查詢

人工巡檢功能的引入能夠更加方便專家對(duì)橋梁的評(píng)估［11-15］，檢測(cè)員在檢測(cè)完橋梁后將病害信息錄入數(shù)據(jù)庫并與BIM 連接。BIM 的可視化，可以使專家在評(píng)估時(shí)能夠更加直接地根據(jù)BIM 模型對(duì)應(yīng)到實(shí)際橋梁進(jìn)行評(píng)估，如圖12 所示。

圖12 人工巡檢信息

4 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前橋梁在運(yùn)維過程中健康監(jiān)測(cè)可視化程度不高的問題，提出基于BIM 的橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警架構(gòu)以及相應(yīng)的人工巡檢管理機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)，開發(fā)基于BIM 的健康監(jiān)測(cè)運(yùn)維管理系統(tǒng)。結(jié)合BIM 模型，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和定期的人工巡檢報(bào)告，獲得橋梁的健康信息，掌握橋梁在運(yùn)維過程中的實(shí)時(shí)狀況以及損傷情況，保證橋梁健康安全運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。同時(shí)，針對(duì)橋梁的健康狀況給出評(píng)估，在災(zāi)難來臨之前給出預(yù)警。