基于BIM的橋梁運營期健康監測系統研究應用

孫 濤， 鄧長軍， 鄒春蓉

(中鐵西南科學研究院有限公司， 四川成都 611730)

橋梁健康監測的基本內涵是通過對橋梁結構性能狀態的測量、收集、處理、分析和評估，為橋梁在特殊氣候、交通條件下或橋梁運營狀況嚴重異常時觸發預警信號，為橋梁維護管理決策提供依據和指導[1]。近年來，隨著大跨徑橋梁的輕柔化及形式與功能的復雜化，橋梁結構健康監測系統已經成為國內外學術界、工程界的研究熱點。21世紀80年代中后期以來，美國、英國等許多國家就開始在一些大跨徑橋梁上建立健康監測系統，例如美國佛羅里達州的Sunshine Skyway Bridge橋上安裝了500多個傳感器，用來監控橋梁施工和成橋狀態下的溫度、應變和位移。國內的橋梁健康監測的起步較晚但是發展速度較快，現已在蘇通大橋、潤揚長江大橋、杭州灣跨海大橋等多座大型特殊結構橋梁上建立了健康監測系統[2-3]。

隨著現代橋梁結構設計趨于大型化、復雜化，使得橋梁健康監測的測點數目和傳感器類型越來越多，導致海量的監測數據越來越難以管理與理解。并且傳統的健康監測系統多為二維模型，著重于結構監測的數據采集，對于數量龐大的監測數據如何直觀地顯示與實時動態預警管理卻涉及較少[4]。因此，本文以成都某斜拉橋為項目依托，將BIM技術三維可視化與傳統的健康監測系統相結合，研究開發了集成系統三維模型顯示、數據高效采集傳輸分析處理、多平臺實時安全預警、監控視頻互聯等技術的健康監測系統。

1 橋梁健康監測方案

1.1 工程概況

世紀城路東延線跨府河大橋(以下簡稱府河大橋)位于成都市高新區，為弧形單搭單索面斜拉橋，橋長215 m，橋寬31 m，跨徑布置為130 m+57 m+28 m。主橋橋塔側面為“人”字形獨塔體系，分為主塔和副塔兩部分，采用預應力混凝土結構，橋塔總高度為89.5 m，索塔基礎采用群樁基礎。主梁為鋼箱梁+預應力混凝土箱形梁，主跨為鋼箱梁，輔跨為預應力混凝土箱形梁，兩者之間設2 m的鋼-混凝土結合段。塔梁之間采用固結體系，斜拉索布置于橋梁中心線處，主跨和輔跨縱向非對稱布置，全橋共計斜拉索20組。

該橋索塔外形為曲線，整體造型獨特，兩側跨度的不一致、斜拉索縱向非對稱布置方式均增加了索塔受力的復雜性，為保持平衡，主塔兩側主梁材料也不一致，在結合段易出現應力集中等現象。

1.2 監測點位布設

世紀城路東延線跨府河大橋于2015年9月建成通車，同年12月建立了橋梁運營期的健康監測系統。系統共布設測點184個(圖1)，監測內容包括結構溫度、主梁主塔位移、主梁主塔截面應力監測、車輛荷載、視頻監控、橋梁結構動力性能、斜拉索拉力。

2 健康監測系統總體架構

本系統的總體架構包括建立BIM模型、數據實時采集和傳輸、數據分析處理、多平臺顯示和視頻聯動四個部分，如圖2所示。

2.1 建立BIM模型

BIM是帶有設計參數的三維模型，同時也是多用戶信息交流與共享的平臺。基于BIM的橋梁健康監測總體需求可歸納為3D-BIM建模、監測點快速定位與直觀展示、BIM模型數據與健康監測診斷數據融合等方面。集成到BIM的結構健康監測信息能夠有效降低數據的理解難度，提高監測信息的管理效率[5-6]。

綜合比較國內外多種BIM建模軟件的優缺點，本系統最終選擇當前國內使用廣泛、建模自由度高的法國Dassault system的CATIA軟件實現橋梁的3D-BIM建模。采用適用于斜拉橋結構特點和CATIA軟件的“骨架+模板”的三維建模方法。即以橋梁總體布置骨架為主導，以構件設計模板為核心，結合參數化功能，實現橋梁結構的有效建模。

圖1 府河大橋傳感器立面布置示意

圖2 健康監測系統總體架構

通過在橋梁BIM模型上建立監測點專用族庫，利用BIM 參數化建模的特點，實現橋梁應力應變、結構溫度、結構變位、動力特性、斜拉索力等監測數據與橋梁 BIM 模型的關聯集成。將監測設備融合為橋梁的一部分，進行BIM展示，可通過BIM快速查看監測設備所安裝位置，編碼等信息。同時，通過編碼原則，將所有監測設備通過編碼進行識別，便于快速了解BIM不同位置的監測設備所屬類型。圖3為府河大橋BIM模型，該模型實現了與監測點位相關聯及測點可視化顯示。

圖3 BIM模型透視圖及測點可視化

2.2 數據實時采集和傳輸

數據實時采集和傳輸主要是數據采集模塊與數據傳輸模塊兩個單元組成。

數據采集模塊主要通過給傳感器設定固有頻率與高速不間斷頻率對結構的動、靜態數據實施采集，在兼顧數據高精確性、高同步性、靈活性、以及傳感器維護性的同時，也為橋梁結構狀態安全評估提供穩定可靠的數據。數據傳輸模塊是由光纖或電纜網絡將各傳感器采集到的數據連接到數據采集單元，再由數據采集單元整合后傳輸到數據處理與控制服務器。

根據調研，按照信號輸入方式和監測的物理量不同，目前國內外傳感設備輸出信號主要有模擬信號、數字信號和光信號三種，各廠家也提供與其傳感設備配套的采集與傳輸軟件，并提供配套軟件的定制開發服務，實現基礎的數據實時采集與傳輸功能。

2.3 數據分析處理

數據分析處理系統部署于云計算中心虛擬服務器上，一端與多平臺輸出端連接，一端與分布在各橋梁的現場監測站數據采集與傳輸軟件相連。內容包括對海量數據的高效管理、對監測數據的綜合分析、對橋梁構件的安全狀態進行評估和預警，是整個健康監測系統的核心和樞紐。

橋梁結構健康監測系統布設傳感器數量眾多，所有傳感器均為24 h連續采集，預計每小時數據量在150～200 MB之間，長期采集將形成海量數據。因此必須對數據收集與整理入庫進行統一規劃。為此，在邏輯上將整個系統劃分為五大數據庫：系統參數數據庫、結構信息數據庫、原始數據庫、處理后數據庫、健康狀態數據庫。利用統計法、時間序列法、自診斷技術等手段對監測數據進行實時預處理和分析[7]。若發現健康預警指標出現明顯的異常變化，則立即發出預警信號(如光、聲、短信)，必要時刻立即中斷交通，避免二次事故的發生。

2.4 多平臺顯示和視頻聯動

為了滿足管理方多方面的監測需求，開發了三種健康監測系統顯示平臺，即橋梁三維模型仿真平臺、Web環境交互平臺、智能手機APP顯示平臺。基于C/S(客戶端/服務器)架構的橋梁三維模型仿真平臺和BIM、3D GIS等先進技術，搭建沉浸式橋梁三維仿真模型，將橋梁監測數據進行可視化展示與仿真模擬，實現監測數據與結構部位的對應分析和直觀識別，達到所見即所得的目的。隨著“互聯網+”時代的到來，將監測數據與處理結果進行云同步，開發與本系統相匹配的Web環境交互平臺和智能手機APP顯示平臺(圖4)，可實現移動端的實時監測。通過筆記本電腦、智能手機等任何可以接入4G網絡的移動設備，實時查詢監測數據，獲取橋梁結構運營狀態和健康預警信息。

圖4 手機APP應用展示

同時，為了更直觀的了解監測橋梁實際運營情況，本系統建立了視頻聯動監測模塊。通過布設于主塔上的監控攝像頭獲得橋梁現場的實時影像資料，可為進一步分析提供直觀的信息，也可以監測橋面運營狀態，并形成影視記錄，以便為橋梁健康評估提供實證。

3 系統運行狀態檢驗

3.1 系統運行狀態評定

系統在運行過程中，會由于儀器故障、傳感器或采集通道損壞、強電磁干擾等原因導致數據奇異或缺失。奇點率反映了奇異值與理論數據的百分比，奇異點即“不可能”數據點、重復數據點、鋒刺數據點，表現特征為局部時域實測數據出現特別大或者特別小的錯誤數值；缺失率反應了缺失數據與理論數據的百分比，表現特征為數據文件中長段數據被賦0值[8-9]。將缺失率與奇點率相加得到系統運行所有異常數據的百分比，將異常數據作為評定指標，通過劃分多個評判區間，將各個監測項目的運行狀態劃分為良好、正常、合格、不合格四個評定等級，如表1所示。取所有監測項目的均值，得到整個健康監控系統的運行狀態。

表2為2016年1月至2018年1月的系統運行期間所有監測點位數據統計分析，最終獲取系統整體的運行狀態。分析結果可知，除結構溫度、車輛荷載的異常數據比例較高，導致數據出現奇異和缺失外，其余監測項目的異常數據均在5%以內；系統整體的運行狀態異常數據比例也在5 %以內，表明系統所有測點的監測數據精度和準確性符合要求，可靠性較高，系統總體運行狀態良好。

表1 系統運行狀態指標劃分

表2 系統運行狀態評定

3.2 系統自診斷技術

系統自診斷技術是橋梁健康監測系統不可缺少的重要組成部分，主要實現在線對全橋傳感器系統、通訊等故障進行自我診斷，實現對監測過程中缺失數據和奇異數據進行預處理，防止系統發出錯誤、虛假和無效警報。

針對監測數據中的缺失問題，可通過線性拉格朗日插值函數補全[10]。具體方法為：首先利用傳感器的采樣頻率計算出監測數據在某一時間段的理論采集個數n1，并統計出監測數據在此時間段內的實際采集個數n2，則需要補全的監測數據采集個數為c=n1-n2，在此基礎上從實際監測數據中均勻隨機選出c個插值空位，利用線性拉格朗日插值函數計算每個插值并補全遺漏個數。針對突然出現的奇點(跳點)時，在利用改進格拉布斯判別法對異常值進行識別后直接剔除，并同時需要利用n階拉格朗日插值多項式進行補全。n階拉格朗日插值多項式為：

其中(i=0,1,2,…,n)。圖5為主梁跨中21號測點應變異常數據的修正擬合圖。

圖5 主梁21號測點應變擬合數據

3.3 安全預警

2017年10月20日23點28分，系統發出安全預警，初步分析為超載車輛過橋導致系統發出警報。通過調取當時的預警監測數據(圖6)和監控錄像(圖7)，發現在預警期間有6輛超載貨車通過主橋，主梁位移最大值超過系統設計閾值。

圖6 主梁位移超限實測數據圖

圖7 視頻監控資料調取

安全預警的有效觸發驗證了本系統通過健康監測自診斷技術，剔除了監測過程中的異常數據并進行修正擬合，實現了對超載事件的高效預警。

4 結論

本文以成都某斜拉橋為依托，建成了基于BIM平臺的橋梁運營期健康監測系統，且系統總體運行狀態良好，實現了橋梁的智能化管理。該系統在傳統監測系統的基礎上，還實現了以下功能：

(1)基于BIM平臺，實現系統三維可視化，所見即所得，界面友好、操作方便。

(2)長期、實時、同步、連續地進行數據采集，數據漂移小，數據精度和準確性符合要求，數據可靠性較高。

(3)利用統計法、時間序列法、自診斷技術等手段對海量監測數據進行預處理和分析，確保安全預警信息準確高效。

(4)開發了橋梁三維模型仿真平臺、Web環境交互平臺、智能手機APP顯示平臺，并實現了各平臺與現場視頻監控聯動，確保橋梁管理者實時掌握結構健康狀況。