BIM技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

楊迪、張宇峰、徐一超、吳家偉

（1.長(zhǎng)大橋梁安全長(zhǎng)壽與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

在橋梁工程建設(shè)完成之后，需要對(duì)其進(jìn)行定期檢修與養(yǎng)護(hù)。傳統(tǒng)類型的橋梁質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和專項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更多地依賴于管理人員和專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橋梁工程的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和各環(huán)節(jié)作用發(fā)揮情況進(jìn)行把握。值得注意的是，此類傳統(tǒng)管理與養(yǎng)護(hù)辦法的適應(yīng)性存在極大的局限性，尤其對(duì)于大型橋梁而言，難以真正實(shí)現(xiàn)全面把握與了解養(yǎng)護(hù)管理信息并及時(shí)反饋。對(duì)此，可以積極應(yīng)用信息技術(shù)手段，發(fā)揮BIM技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)，在信息模擬平臺(tái)中模擬當(dāng)前橋梁建筑的三維立體信息，從橋梁建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工階段開始，直至橋梁全生命周期終結(jié)，都可以在信息數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)其進(jìn)行管理，通過(guò)充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的最大價(jià)值，彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理養(yǎng)護(hù)方式的不足。

1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要結(jié)合橋梁自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所處地區(qū)地質(zhì)條件等相關(guān)因素，融合橋梁健康預(yù)警、橋梁應(yīng)用評(píng)估和管養(yǎng)決策等多方面需求來(lái)建立。當(dāng)前我國(guó)廣泛應(yīng)用的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要涵蓋自動(dòng)化傳感測(cè)試、綜合預(yù)警、結(jié)構(gòu)評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等多個(gè)子系統(tǒng)。具體工作內(nèi)容如下。

一是橋梁荷載及運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。橋梁荷載監(jiān)測(cè)需要應(yīng)用專業(yè)動(dòng)態(tài)地秤以及腐蝕傳感器、強(qiáng)震儀、風(fēng)速儀等，對(duì)橋面通行荷載以及橋梁周邊環(huán)境的地震系數(shù)、風(fēng)量、溫濕度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。

二是橋梁幾何狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中橋梁各個(gè)環(huán)節(jié)和部位在車輛荷載的影響下，容易發(fā)生位置偏移情況，因此需要對(duì)橋梁幾何狀態(tài)進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，例如針對(duì)橋梁橋臺(tái)、墩柱、錨線的沉降與傾斜程度，應(yīng)用激光撓度儀、測(cè)距器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

三是橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力反應(yīng)。在動(dòng)靜力反應(yīng)監(jiān)測(cè)中，主要針對(duì)正常通車環(huán)境、強(qiáng)風(fēng)或地震等不同荷載作用之下橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況，同時(shí)也需要對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫濕度以及地下發(fā)生不均勻沉降之后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

四是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理。在前期監(jiān)測(cè)完成之后會(huì)產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)此需要進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，結(jié)合橋梁實(shí)際使用情況建立損傷評(píng)估體系，明確不同指標(biāo)閾值或建立專項(xiàng)橋梁健康程度評(píng)估模型，確保對(duì)橋梁當(dāng)前運(yùn)行情況和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和預(yù)測(cè)[2]。

2 當(dāng)前我國(guó)廣泛應(yīng)用的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的主要問題

當(dāng)前我國(guó)很多橋梁工程中廣泛應(yīng)用的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分，分別是自動(dòng)化傳感模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和評(píng)估模塊。得益于當(dāng)前信息技術(shù)手段的飛速發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用頻率和信息化水平大幅度提升，如虎門大橋、安慶長(zhǎng)江大橋等已經(jīng)逐漸建立專項(xiàng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，此類系統(tǒng)仍舊存在一些問題。

2.1 橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果不佳

當(dāng)前仍舊有很多橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并不是根據(jù)橋梁自身特點(diǎn)及周邊環(huán)境建設(shè)需求等進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌規(guī)劃，而是直接套用其他橋梁的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，過(guò)于追求大而全，忽視了橋梁健康監(jiān)測(cè)的實(shí)際目的。例如，在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器選型和通信方式設(shè)置中，并沒有充分結(jié)合監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行優(yōu)化選擇。

一方面，傳感器種類多樣，其精度、周期壽命以及具體的安裝保存條件、維修養(yǎng)護(hù)舉措等存在極大差異，如果傳感器選型不合理，會(huì)造成過(guò)度成本投入和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失等情況。

另一方面，當(dāng)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器獲取海量數(shù)據(jù)之后，如果并未及時(shí)處理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行橋梁健康狀態(tài)評(píng)估，同樣也會(huì)導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“ 形同虛設(shè)”[3]。

2.2 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與維護(hù)存在弊端

很多橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投資相對(duì)較大，建設(shè)費(fèi)用往往在100 萬(wàn)元以上，成本投入較高，在實(shí)際建設(shè)與維護(hù)中仍存在管理模式混亂的現(xiàn)象。

第一，一部分監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器等由專業(yè)設(shè)備供應(yīng)商負(fù)責(zé)，此類供應(yīng)商大多只是結(jié)合設(shè)計(jì)方案或施工方案等內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌安排，而缺乏對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的了解和認(rèn)知，甚至出現(xiàn)僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的情況，導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在后期應(yīng)用過(guò)程中作用不大，性價(jià)比不高，造成巨大的資源和資金浪費(fèi)。

第二，在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)期間，傳感器、信息采集儀的布線、接電存在施工誤差或不良施工情況，導(dǎo)致建設(shè)成本增加。

第三，管理人員忽視橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后期專項(xiàng)維護(hù)，導(dǎo)致系統(tǒng)的使用壽命大幅度縮短。

3 BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 橋梁BIM 模型建立

從橋梁工程施工圖交付階段開始，針對(duì)工程細(xì)節(jié)建立精細(xì)的BIM 模型，同時(shí)對(duì)橋梁建設(shè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的最小構(gòu)件單位進(jìn)行逐一編碼。由于橋梁不同位置構(gòu)件的數(shù)量、種類繁多，且其整體結(jié)構(gòu)存在多種復(fù)雜因素，因此在三維空間中有時(shí)難以對(duì)個(gè)別構(gòu)件進(jìn)行定位。為了進(jìn)一步提升BIM 技術(shù)的應(yīng)用流程，提高建模速度和效率，對(duì)現(xiàn)有組合梁以及其他橋梁構(gòu)件進(jìn)行專業(yè)系統(tǒng)的拆分，有針對(duì)性地進(jìn)行構(gòu)件建模，應(yīng)用橋梁中心線綁定不同構(gòu)件，確定構(gòu)件的平面幾何關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)良好定位。隨后對(duì)橋梁的承臺(tái)、樁基等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)建模，提前根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)框架和支撐結(jié)構(gòu)等，選取標(biāo)高視圖，讓橋梁構(gòu)件能夠組合為族，進(jìn)而進(jìn)行平面創(chuàng)建。

例如，在水平方向需要結(jié)合承臺(tái)的參照面以其作為標(biāo)高，而樁基參照面則設(shè)置為承臺(tái)底部，此類結(jié)構(gòu)關(guān)系并不會(huì)因?yàn)榫唧w參數(shù)的變化而發(fā)生改變，因此在實(shí)際建模中需要根據(jù)所選標(biāo)高和構(gòu)件參數(shù)等建立參照平面視圖。

在橋墩族參數(shù)化建模中，需要對(duì)實(shí)例參數(shù)和類型參數(shù)進(jìn)行區(qū)分，其中實(shí)例參數(shù)是指不同橋墩構(gòu)件個(gè)體的參數(shù)，雖然大多橋墩構(gòu)件都是相同的尺寸，但也有個(gè)別環(huán)節(jié)的橋墩應(yīng)用了不同的尺寸參數(shù)，因此需要以實(shí)例參數(shù)為主；而類型參數(shù)則側(cè)重對(duì)同一類型的橋墩族進(jìn)行公用參數(shù)設(shè)置。同理，在橋梁箱梁族的參數(shù)化建模中，同樣可以應(yīng)用此類多元化、差異化參數(shù)設(shè)置方法。結(jié)合BIM 技術(shù)的應(yīng)用需求和特點(diǎn)，首先進(jìn)行外輪廓的設(shè)計(jì)和描畫，并添加特定標(biāo)簽，如箱梁的梁高、底板寬度等等；隨后將外輪廓復(fù)制到新建參數(shù)圖中進(jìn)行快速繪制和參數(shù)調(diào)整，提高BIM 技術(shù)的應(yīng)用效率；相關(guān)參數(shù)設(shè)置好之后，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，如果存在差異問題，要第一時(shí)間進(jìn)行修改[4]。

3.2 設(shè)置橋梁健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)

結(jié)合前期橋梁BIM 精細(xì)化模型，可以為后續(xù)橋梁運(yùn)維和養(yǎng)護(hù)管理提供重要抓手和依據(jù)，為保障橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和可應(yīng)用性，首先需要對(duì)各類傳感器進(jìn)行優(yōu)化選型和設(shè)置，其次再進(jìn)行監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

在傳感器優(yōu)化選型和設(shè)置中，需要根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行合理選擇，如針對(duì)橋梁車輛荷載情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該選擇動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備，在橋梁施工階段直接將傳感器安裝設(shè)置于混凝土鋪裝層內(nèi)，并確保其覆蓋橋梁上的所有車道，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支撐和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。進(jìn)行風(fēng)速參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，可以在橋面兩側(cè)設(shè)置風(fēng)速儀。地震運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)可以直接在橋梁所處區(qū)域安裝強(qiáng)震動(dòng)記錄儀或直接加載三向加速度傳感器，確保其能夠?qū)崟r(shí)傳達(dá)和反饋橋梁在地震時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。此外，在橋梁健康監(jiān)測(cè)中，其環(huán)境要素監(jiān)測(cè)尤為重要，需要同步設(shè)置溫度傳感器，確保能夠及時(shí)體現(xiàn)橋梁截面的溫度變化以及橋梁結(jié)構(gòu)升降溫情況。

另外，橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是橋梁健康監(jiān)測(cè)的重中之重，主要測(cè)量要素在于加速度、變形撓度等等，對(duì)此可以直接在橋梁結(jié)構(gòu)振幅相對(duì)較大處設(shè)置加速度傳感器，或在結(jié)構(gòu)變形程度大、容易發(fā)生橫向變形或傾角處設(shè)置變形傳感器，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，確保能夠針對(duì)復(fù)雜的構(gòu)件和容易發(fā)生變形問題的區(qū)域進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。

在橋梁健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵指標(biāo)提取中，可以針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)置情況和監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一是荷載與環(huán)境監(jiān)測(cè)中，需要對(duì)車重、車速、當(dāng)前橋面風(fēng)速、地震加速度、環(huán)境溫濕度以及橋梁自身結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

二是結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測(cè)中，需要分別針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形和轉(zhuǎn)角開展監(jiān)測(cè)，振動(dòng)因素主要涵蓋主梁不同方向的振動(dòng)加速度和橋墩縱向與橫向加速度，主梁、梁端、支座、橋墩等不同結(jié)構(gòu)的撓度、位移條件和傾角情況。

三是結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測(cè)中，需要針對(duì)主梁斷面應(yīng)變情況、鋼筋混凝土裂縫情況、斜拉索作用發(fā)揮情況以及鋼梁疲勞情況等進(jìn)行綜合健康監(jiān)測(cè)，此類關(guān)鍵指標(biāo)的覆蓋性廣闊，可以根據(jù)不同橋梁的實(shí)際需求進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)置[5]。

四是需要搭配視頻圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保能夠?qū)崟r(shí)反饋橋梁通車運(yùn)行狀態(tài)，真正發(fā)揮橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)有作用和價(jià)值。

3.3 橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接與業(yè)務(wù)功能分析

橋梁在長(zhǎng)期通車運(yùn)行過(guò)程中，其整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生沉降，混凝土路面容易產(chǎn)生裂縫等諸多問題，如果不能及時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)，則會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的使用壽命。

因此，可應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接與業(yè)務(wù)功能分析。首先在數(shù)據(jù)對(duì)接方面，可以對(duì)現(xiàn)有橋梁構(gòu)件變化情況、監(jiān)測(cè)傳感器反饋數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，進(jìn)而判斷相關(guān)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)值是否與理論計(jì)算相符合或出現(xiàn)異常差異情況。在橋梁運(yùn)行維護(hù)及專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)階段，需要及時(shí)將監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)反饋于BIM系統(tǒng)模型中，確保能夠及時(shí)掌握數(shù)據(jù)變化情況。其次，在進(jìn)行業(yè)務(wù)功能分析與處理時(shí)，可以結(jié)合現(xiàn)有BIM 平臺(tái)建設(shè)橋梁健康監(jiān)測(cè)專業(yè)平臺(tái)，發(fā)揮BIM 手段信息化管理的作用，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)模分離，同時(shí)兼顧工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、養(yǎng)護(hù)等多個(gè)階段的信息集成，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效串聯(lián)?？梢葬槍?duì)現(xiàn)有BIM 數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用維度拓展，以IFC 拓展為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)表達(dá)與交換水平，IFC 可以實(shí)現(xiàn)分層級(jí)分模塊設(shè)置，因此可以圍繞領(lǐng)域?qū)?、共享層、核心層、拓展層、資源層等不同層次設(shè)置功能業(yè)務(wù)模塊。領(lǐng)域?qū)又饕槍?duì)當(dāng)前橋梁總體結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備以及結(jié)構(gòu)要素分析等諸多方面；共享層涵蓋了周邊地形、共享設(shè)備以及管理元素等等；核心層與拓展層分別體現(xiàn)于產(chǎn)品和控制拓展；資源層為當(dāng)前時(shí)間氣候、橋梁屬性、成本等多項(xiàng)資源，其中結(jié)構(gòu)荷載和前期施工組織工程量管理等資源也同屬于資源層模塊之中。通過(guò)不同模塊的優(yōu)化設(shè)置和統(tǒng)籌安排，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測(cè)傳感器信息的充分管理與共享，讓數(shù)據(jù)流由下而上進(jìn)行單向流動(dòng)，上一層級(jí)可以對(duì)下一層級(jí)進(jìn)行信息資源的調(diào)用，一旦上層信息發(fā)生改變，也不會(huì)影響下一層級(jí)數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3.4 BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果

在橋梁全周期管理中，無(wú)論是前期工程設(shè)計(jì)施工階段，還是后續(xù)橋梁維護(hù)管理階段，都發(fā)揮了BIM 技術(shù)的應(yīng)有意義和價(jià)值。例如，施工階段應(yīng)用BIM 技術(shù)可以對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，保障施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，同時(shí)也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中存在的安全隱患問題并進(jìn)行專項(xiàng)處理，減少后續(xù)返工的成本投入。而在橋梁運(yùn)行維護(hù)和專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)階段，BIM 技術(shù)的價(jià)值更為凸顯，通過(guò)對(duì)不同構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置明確橋梁健康監(jiān)測(cè)指標(biāo)，合理設(shè)置和選擇監(jiān)測(cè)傳感器，并從施工階段開始，提前做好傳感器埋設(shè)和設(shè)置點(diǎn)位優(yōu)化，為后續(xù)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮作用提供重要保障。橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平成為直接影響系統(tǒng)作用發(fā)揮的核心因素，對(duì)此需要建立專項(xiàng)BIM 數(shù)據(jù)擴(kuò)展平臺(tái)，明確不同模塊的功能區(qū)間和應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)信息資源的充分管理和有效共享，大幅度提升橋梁管理與養(yǎng)護(hù)水平，同時(shí)也可以為橋梁運(yùn)維工作人員提供決策依據(jù)和工作參考。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在新時(shí)代背景下，信息化建設(shè)已經(jīng)成為越來(lái)越多行業(yè)領(lǐng)域共同的發(fā)展課題，為了保障橋梁工程正常運(yùn)行，可以應(yīng)用橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以智能化、信息化手段實(shí)時(shí)了解橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、安全行車情況以及橋梁不同構(gòu)件的病害程度，為運(yùn)維工作人員進(jìn)行專項(xiàng)決策和養(yǎng)護(hù)提供幫助。

本文深入探究橋梁健康監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測(cè)實(shí)踐中存在的問題，并探究BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)，希望能夠以此推動(dòng)我國(guó)橋梁工程建設(shè)事業(yè)健康發(fā)展。