高墩大跨連續剛構橋基于BIM 的管養信息可視化方法研究

■曾俊鋮 夏江泉 林志平 劉 超

(1.福建省高速技術咨詢有限公司，福州 350001；2.寧德市交通建設工程質量監督站，寧德 352100；3.福建省高速公路集團有限公司，福州 350001；4.上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092)

0 引言

BIM 的英文全稱為 “Building Information Modeling”，中文意為“建筑信息模型”。 BIM 理論起源于20 世紀70年代的美國[1]，其不僅僅是建筑項目的三維模型，同時還提供了一個可視化的、相互協調的工作平臺，使得在項目的全壽命周期中， 項目參建各方可實現數據的交流和共享。

2003 年，BIM 技術進入我國， 首先在建筑行業掀起了一股研究的熱潮[2]。 近年來，相關學者對BIM 技術在橋梁工程領域的應用進行了一些探索，取得了一定的成就。趙飛等[3]在高速公路的地質勘查中同時引入了BIM 技術和GIS 技術，建立了信息豐富的三維地質模型，并成功應用于橋梁樁長的校核中，解決了傳統校核繁瑣、效率低的問題；陳家勇等[4]依托合川渠江景觀大橋的設計，探究了景觀橋梁的BIM 設計方法和應用思路，利用BIM 協同設計平臺，以骨架模型驅動族構件，為BIM 技術在橋梁景觀設計方面的應用積累了實踐經驗；邢穎等[5]首先針對大跨度鋼桁拱橋進行了吊裝施工過程的有限元分析， 得到累計位移-時程曲線后再進行了吊裝施工過程的BIM 模擬，實現了BIM 技術與結構力學分析的結合。

對橋梁工程領域而言，BIM 技術當前在前期勘察、設計和施工中均已有所應用， 但是在項目后期管養與維護中的應用仍有待進一步探索。本文在現有研究的基礎上，以雙福高速公路桐山溪特大橋為例，搭建了BIM 信息管養一體化系統平臺，介紹了BIM 技術在高墩大跨連續剛構橋管養信息可視化方面的應用。

1 工程概況

雙福高速公路桐山溪特大橋為預應力混凝土變截面連續剛構橋，跨徑組合為(104+200+104)m，主梁左右幅分離布置。單幅箱梁頂寬12m，底寬7m，跨中處箱梁高度為4.57m，支點處箱梁高度為12.57m。 箱梁標準斷面如圖2所示。

圖1 總體布置圖(單位：m)

2 BIM 信息管養一體化系統設計

建立橋梁的長效管養機制， 是保障橋梁在運營階段安全、適用和耐久的有效手段。由于單一的橋梁長效管養方法存在一定的局限性， 基于高墩大跨連續剛構橋在長期服役階段的結構特點， 桐山溪特大橋建立了以日常巡檢、專項檢查與荷載試驗、周期性監測以及養護措施為主要內容的長效健康監測體系。

圖2 主梁標準斷面圖(單位：cm)

其中， 日常巡檢以傳統橋梁養護規范的規定為主要檢查內容。專項檢查以結構外觀狀態的檢查為主，配合橋梁荷載試驗，可綜合了解橋梁結構的實際運營情況。周期性監測則是指結構關鍵響應和環境參數的周期性采集。當通過上述三種檢測與監測手段， 發現結構性能不能滿足實際需求時，則需采取專項的養護措施。

以這一長效健康監測體系的需求為指導， 設計了桐山溪特大橋BIM 信息管養一體化系統，為桐山溪特大橋的管養提供了信息化平臺。系統的組織架構如圖3 所示，分為總體管養信息、設計與施工信息、監測信息、養護信息、用戶管理和系統設置6 個模塊。

圖3 BIM 信息管養一體化系統組織架構

3 建造信息與管養信息的可視化

通過管養一體化系統， 實現了高墩大跨連續剛構橋建造信息與管養信息的可視化， 下面分別對總體管養信息、設計與施工信息、監測信息及養護信息的更新與展示進行介紹。

3.1 總體管養信息

結構當前的總體管養信息可于系統主頁直接進行查看。 主頁當中所顯示的各類數據與信息均與最新一次上傳至系統中的管養相關技術資料相關聯， 可以實現每次上傳后數據的自動更新。

圖4 系統主頁

主頁的頁面上部為桐山溪特大橋的結構管養BIM模型。其中，左幅和右幅的主梁分別根據長效監測方案中開展專項裂縫檢查的需求，劃分為了13 個區間。 點擊主梁時，可彈出窗口顯示各區間內頂板、底板及左右側腹板的裂縫數量和裂縫發展情況，如圖5 所示。 點擊橋墩時，則可彈出橋墩的裂縫數量和裂縫發展情況，如圖6 所示。

圖5 主梁的裂縫信息

圖6 橋墩的裂縫信息

同時， 根據長效監測方案中開展專項高程檢查的需求， 在BIM 模型中的對應位置建立了專項檢查高程測點， 點擊高程測點即可彈出窗口顯示該測點的實測高程數據，如圖7 所示。

圖7 主梁的高程信息

在結構管養BIM 模型的下方， 為2 張對結構當前測點數據進行統計后繪制得到的折線圖， 分別用于展示主梁成橋實測線形與當前實測線形的關系， 以及主梁當前實測線形相對于主梁成橋實測線形的變化量，實現了高程測量數據的可視化，可直觀、清晰地展示結構當前線形的變化情況， 為結構管養策略的制定提供有效的幫助。

圖8 成橋實測線形與當前實測線形

在系統主頁的最下方， 以文本的形式顯示了桐山溪特大橋當前的總體技術狀況等級， 并可分別顯示最新一次的日常巡檢、專項檢查、荷載試驗、周期性監測與養護措施等的實施和對應技術資料的上傳記錄。

圖9 總體技術狀況等級顯示與管養措施記錄

3.2 設計與施工信息

設計與施工信息模塊用于儲存和顯示桐山溪特大橋的基本設計信息與施工建造過程中的主要數據， 為結構的管養提供基礎。

該模塊的頁面上方為桐山溪特大橋的設計與施工BIM 模型。 與結構管養BIM 模型不同，該模型中主梁按照實際施工節段進行構件劃分。點擊主梁節段時，可彈出窗口顯示該節段對應的設計信息與施工信息，如圖10 所示。 其中，設計信息包括節段的材料、長度、混凝土體積，以及節段兩側截面的梁高、頂板厚度、腹板厚度、底板厚度和截面面積等；施工信息則包括掛籃前移時間、鋼筋安裝時間、混凝土澆筑時間、縱向鋼束壓漿時間、橫豎向鋼束壓漿時間以及施工過程中的理論高程和實測高程等。點擊橋墩時，同樣可彈出顯示其設計與施工信息的窗口，如圖11 所示。

圖10 主梁的設計與施工信息

圖11 橋墩的設計與施工信息

3.3 監測信息

監測信息模塊主要對結構后期運營過程中日常巡檢、專項檢查與荷載試驗、周期性監測等信息和資料進行管理。監測信息頁面展示了當前已上傳的技術資料列表，如圖12 所示。

圖12 監測信息技術資料列表

以“專項檢查和荷載試驗”為例，介紹相關監測措施的記錄與技術資料上傳方法。點擊“添加專項檢查與荷載試驗”按鈕，可彈出添加專項檢查與荷載試驗記錄及上傳相關技術資料的對話框， 其中可選擇檢查類別為專項檢查或荷載試驗。 需填寫的信息包括檢查/試驗完成日期、技術資料名稱(如“第x 次專項檢查/荷載試驗記錄”)等，而橋梁總體技術狀況評定等級為下拉菜單，可選擇1～5 類。

專項檢查與荷載試驗記錄添加成功后， 可對該次專項檢查與荷載試驗記錄進行下載、編輯和刪除。 點擊“下載”按鈕時，可彈出專項檢查與荷載試驗技術資料的下載窗口，顯示資料上傳時的相關信息，并提供相關技術資料的下載。

圖13 專項檢查與荷載試驗技術資料的上傳

圖14 專項檢查與荷載試驗技術資料的下載

此外，當檢查類別選擇為專項檢查時，可單獨上傳專項檢查記錄表，以便于系統主頁中關聯數據的實時更新。系統中提供了專項檢查記錄表的模板， 分為裂縫檢查記錄表與高程檢查記錄表， 并對裂縫檢查區間與高程測點布置進行了示意，用戶可按照模板填寫數據后上傳。

3.4 養護信息

養護信息模塊主要對結構后期運營過程中進行的結構養護措施和資料進行記錄與管理。 養護信息頁面展示了當前已上傳的結構養護相關資料列表，如圖15 所示。

圖15 養護信息技術資料列表

與監測信息模塊類似，點擊“添加養護信息”按鈕，可彈出添加養護信息記錄及上傳相關技術資料的對話框，其中可選擇養護措施類別為構件維修、 構件更換或結構加固與改造，養護措施效果則可選為良好、一般或基本無效。需填寫的信息包括養護措施完成日期、技術資料名稱(如“第x 次構件維修記錄”)等。

養護措施記錄添加成功后， 可對該次養護措施記錄進行下載、編輯和刪除。 點擊“下載”按鈕時，可彈出養護措施技術資料的下載窗口，顯示資料上傳時的相關信息，并提供相關技術資料的下載。

4 結語

本文依托于桐山溪特大橋， 以高墩大跨連續剛構橋長期性能監測的需求為指導思路，設計了BIM 信息管養一體化系統的組織架構，并介紹了BIM 信息管養一體化系統的開發，分別針對結構的總體管養信息、設計與施工信息、監測信息與養護信息，形成了較為系統和完整的高墩大跨連續剛構橋管養信息的可視化方法，為BIM 技術在橋梁管養中的應用積累了經驗。

BIM 技術如何更好地應用于橋梁管養之中仍需一定的工程實踐，希望本文能夠為基于BIM 的橋梁管養技術提供一些新的思路。