BIM在橋梁健康監測中的應用研究

陳 虹 穎

(上海理工大學，上海 200093)

1 工程簡介

某大橋總長8 346 m，其中主橋長846 m，引橋長7 500 m，總寬度為30.35 m。主塔高154 m，為“H”形鋼筋混凝土結構，大橋主梁為鋼—混凝土疊合梁結構。

為增強結構健康監測信息與三維模型的交互，本文基于BIM建立監測信息數據庫，并對其進行管理，根據監測信息界面開發實現大橋結構健康監測的可視化，主要監測項：1)橋梁動力特性監測；2)斜拉索索力監測；3)基礎沉降監測；4)鋼梁監測；5)混凝土橋面板監測；6)塔、墩混凝土監測。本文主要由三部分組成：基于Revit建立監測信息數據庫、進行監測信息數據庫的管理、大橋的BIM集成[1]。

“橋梁健康監測預警系統”是對橋梁進行監測，實現橋梁環境和結構狀態監測、危險狀況預警、提出應對措施來保障橋梁安全和提高服役年限的系統。具體而言，該系統的總體目標是：大橋的結構健康監測系統，其成果必須直接服務于大橋結構健康與安全監控系統設計，為大橋建成后的運營維護管理服務，確保大橋安全運營。同時，可以為同類型大橋結構的健康與安全監控預警系統研究積累經驗。

2 大橋模型的建立

針對斜拉橋先建立項目樣板，運用IFC(Industry Foundation Classes建筑業國際工業標準)作為標準進行數據交換，解決不同系統應用中不同標準下模型信息的共享和修改。IFC標準是計算機可處理的建筑數據表示和交換標準，用于建筑物整個生命周期內的信息表達與交換的國際標準，Revit可以基于IFC進行數據交換和共享。打開Revit，在插入面板中選擇導入該IFC文件，成功打開后，另存為RVT格式的文件，三維模型如圖1所示。

3 大橋無線傳感器的布置

大橋的主要構件為主梁、索塔和斜拉索，考慮到結構安全性和易損性，本著技術安全可靠、性能耐久穩定、實用成本優化的原則對傳感器進行選型。測點位置的選擇主要理論來源有：1)結構仿真的模型修正方法；2)遺傳算法的測點優化布置；3)神經網絡方法的數值模擬[2]。監測系統傳感器和其數量如表1，表2所示。

表1 環境荷載監測項

監測內容類別監測參模型數傳感器種類數量風速橋面風速超聲風速儀1塔頂風速螺旋槳式風速儀1溫度空氣溫度、混凝土表面溫度、鋼結構表面溫度光纖光柵溫度傳感器24車輛車輛總重、軸重、軸數、車速光纖傳感器稱重系統1

表2 結構響應監測項

3.1 主梁的監測

大橋的主梁為鋼箱梁，主要監測項包括內力分布、斷面應變、橫向位移，還應考慮交通荷載和環境影響等作用。對主梁振動進行監測可以了解結構的動力特性參數。采用加速度傳感器進行監測主梁的橫向與縱向振動[3]。

主梁局部結構和連接處的應力應變也會隨外界荷載作用變化，通過對主梁內力的監測可以評估結構的損傷識別、疲勞壽命。采用光纖應變傳感器和振弦式應變儀進行監測。

3.2 索塔的監測

斜拉橋的索塔是主要的承重構件，不同于柔性的橋面主梁和斜拉索，有剛度大的特性，在強風、地震荷載作用下會影響索塔結構安全。縱向荷載會導致橫梁和索塔身連接處的開裂，塔墩沉降可能對主體結構內力分布有影響。基于對索塔的動力響應分析和模態分析，選取沿垂直方向的監測面，采用2個傾角儀測量塔頂位移傾角。

3.3 環境監測

環境監測主要分為風況監測、交通荷載監測。采用1個螺旋槳式風速儀測量塔頂風速和風向，采用1個光纖傳感器稱重系統監測車輛總重、軸重、軸數、車速等交通荷載。

4 基于Revit的結構監測信息處理

為了對監測信息更好地管理，以Revit為開發平臺，以C#為基礎開發語言，以RevitAPI封裝的類和函數作為開發支持，進行監測信息的應用與管理、監測數據的分析、構件的安全預警，實現BIM模型和健康監測可視化的結合應用[4]。利用RevitAPI對健康監測界面的功能進行設計，包含數據操作功能、信息分析功能、構件預警功能與安全合理措施方法改進[5]。

利用Visual Studio開發新建的項目流程，在解決方案資源管理器中添加引用PresentationCore,RevitAPI和RevitAPIUI程序集。通過Revit外部開發程序調用，實現在Revit菜單欄的附加模塊中添加新的面板應力監測、變形監測、不安全構件檢查，采用開發外部應用法，開發方法為External Application，方法為OnStartup和OnShutdown，對應參數為application和UIControlledApplication[1]。

RevitAPI中輸入CreateRibbonPanel創建面板按鈕，并添加自定義按鈕圖片，可以點擊按鈕啟動相應的程序。

基于Revit監測信息可視化，插件分為數據操作模塊、分析模塊、構件預警模塊，且均為Revit的附加模塊，每個模塊都創建了面板，還設計了操作按鈕和圖標，便于監測信息的操作，如圖2所示[6]。

4.1 數據操作模塊

大橋的監測是一個動態的過程，數據是實時更新的，通過Revit軟件將收集到的數據傳入到數據庫中，用StreamReader方法和.NET體系通過點擊選取相應文件夾自動讀取需要更新的監測數據，并用曲線圖實時顯示監測構件的變形值，最后將實時更新的數據用文件夾導出。數據操作模塊是將windows操作系統、SQL Server數據庫和RevitAPI相結合的過程，這一模塊將分為數據更新和窗口顯示表格查看[7]。

4.2 數據分析模塊

傳感器所監測到的數據會有噪聲的混入，為得到更為真實的監測信息，需要剔除監測信號中的噪聲，從而得到最真實的結構響應狀態。在監測過程中，為實現噪聲信號和真實信號的分離，于是選擇db4小波函數將原始信號中分離出高頻噪聲，對含噪聲的正弦信號四層分解，通過四層分解，得到四個低頻系數以及四個高頻系數，將每層的高頻系數閾值進行量化處理，將閾值量化后的高頻系數與第四層的低頻系數進行小波逆變換，從而得到原始數據和去噪聲后的數據信息。

4.3 構件預警功能

基于Revit開發的監測預警系統是幫助服役結構更快地提供構件是否安全的信息，如果安全，則不需要處理并繼續監測；如果構件出現了不同程度的損壞，通過監測信息可以快速發現，如索塔的沉降和傾斜，柱身、梁和拉索兩端錨固區的開裂、銹蝕、滲水，拉索減震措施失效，吊桿上端與主纜連接處的索箍松弛、銹蝕，則需要采取相應措施進行結構加固。

此程序應用RevitAPI獲取到數據庫中不安全構件的圖元ID號，創建了彈窗列出不安全構件的表格和對應圖元監測信息以及與閾值比較的結果，并在整個項目中用藍色相應高亮。

通過ExternalCommandData添加一個控件窗體，用ref語句定義一個message參數，用ElementSet elements選擇需要高亮的構件，從CommandData中取到Document，選取圖元ID號，運用條件語句if，如果數據庫表格行語句中出現“不安全”字樣，則創建交互窗體TaskDialog.Show，顯示不安全構件的圖元ID號和基本監測信息，并返回結果。

為了便于識別構件，一開始對每一個構件依據其Revit管理面板中“選擇項的ID”進行了編號。構件預警功能通過Revit平臺讀入構件的應力應變值，并與閾值作比較，如果超過了閾值則自動彈出交互窗口進行報警。如圖3所示為主梁F截面橋面板北監測結果顯示。

報警窗口選擇用表格查看監測數據，會彈出交互窗口表格顯示相應構件的應力監測、變形監測，表格會顯示動態的監測數據的更新，發生的相應變化，用戶可以選擇查看的時間有利于對這段時間內構件的變形有直觀的認知，便于掌握數據的變化過程，如圖4所示。

5 結語

本文實現了基于BIM的大橋項目監測信息開發與管理，主要完成了大橋三維模型的建立、傳感器的布置、數據庫中監測信息的應用與管理、監測數據的分析、構件的安全預警，有效地將信息管理系統運用到實際工程項目中去，對服役斜拉橋項目的監測運行管理有實際參考意義。