基于BIM的橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)研究

許威 劉洋

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

近年來(lái)，我國(guó)加大了橋梁建設(shè)項(xiàng)目投資，開(kāi)發(fā)了新的施工技術(shù)，提高了項(xiàng)目施工質(zhì)量，在竣工驗(yàn)收階段得到了滿意結(jié)果，然而，橋梁投入使用后，因受周圍環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，需要做好養(yǎng)護(hù)工作[1]。目前，關(guān)于橋梁養(yǎng)護(hù)工作的開(kāi)展，定期檢查橋梁是否出現(xiàn)損壞等問(wèn)題，根據(jù)檢查結(jié)果布設(shè)養(yǎng)護(hù)工作[2]。雖然這種工作部署方式可以降低意外事故發(fā)生頻率，但是信息缺乏實(shí)時(shí)性，且監(jiān)測(cè)技術(shù)過(guò)低，本文引入BIM技術(shù)展開(kāi)研究。

1 BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的必要性分析

雖然我國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到橋梁養(yǎng)護(hù)的重要性，采用人工監(jiān)測(cè)方式挖掘橋梁?jiǎn)栴}，但是采集到的數(shù)據(jù)信息不全面，且監(jiān)測(cè)具有周期性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺乏實(shí)時(shí)性，而橋梁一旦出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，很有可能在未達(dá)到下一次監(jiān)測(cè)周期前引發(fā)安全事故[3]。因此，當(dāng)前橋梁監(jiān)測(cè)工作部署可靠性較低，需要引進(jìn)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)加以管理。

BIM技術(shù)是建筑領(lǐng)域新推出的一種信息模型，具有較強(qiáng)的周期性、協(xié)調(diào)性、可視化性，支持建筑全方位監(jiān)測(cè)管理。在實(shí)際應(yīng)用中，利用軟件構(gòu)建建筑模型，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)的控制下采集各項(xiàng)指標(biāo)信息，判斷當(dāng)前建筑是否發(fā)生異常，以便養(yǎng)護(hù)工作部署，對(duì)于橋梁養(yǎng)護(hù)工作的開(kāi)展幫助較大[4]。因此，BIM技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用具有一定必要性。

2 基于BIM技術(shù)的橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

基于BIM技術(shù)的橋梁監(jiān)測(cè)指的是一種對(duì)橋梁當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢查的重要技術(shù)，利用傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理與分析，判斷橋梁各個(gè)部位是否發(fā)生異常。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用涉及到的理論知識(shí)有傳感器技術(shù)、力學(xué)分析、數(shù)據(jù)傳輸與處理、信號(hào)分析、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。根據(jù)橋梁部位監(jiān)測(cè)需求，搭建系統(tǒng)平臺(tái)。

2.1 平臺(tái)總體框架結(jié)構(gòu)

橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)由傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)信息管理、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與預(yù)測(cè)、預(yù)警、監(jiān)測(cè)8部分組成，如圖1所示為平臺(tái)總體框架結(jié)構(gòu)。

圖1平臺(tái)總體框架結(jié)構(gòu)

圖1 中，傳感器在橋梁環(huán)境中發(fā)生形變、應(yīng)變，加速度等數(shù)值的變化同樣被錄入到傳感器子系統(tǒng)中，作為橋梁部位基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集裝置，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，加以預(yù)處理后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，采取二次處理后，根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否安全，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中部分?jǐn)?shù)據(jù)超出了限定范圍，則認(rèn)為當(dāng)前橋梁某部位發(fā)生異常，在監(jiān)測(cè)平臺(tái)中生成養(yǎng)護(hù)策略。

2.2 功能模塊開(kāi)發(fā)

依據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案功能設(shè)置不同，將平臺(tái)功能劃分為5個(gè)模塊，包括傳感器部署與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理、信息管理、信息安全評(píng)估與預(yù)警、監(jiān)測(cè)平臺(tái)，分別對(duì)這些功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）傳感器部署與數(shù)據(jù)采集

平臺(tái)傳感器部分，是對(duì)橋梁裂縫情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，挖掘橋梁結(jié)構(gòu)形變信息。在平臺(tái)搭建中，利用BIM技術(shù)，模擬橋梁周邊自然環(huán)境，構(gòu)建3D模型，通過(guò)調(diào)控橋墩、橋臺(tái)等重要結(jié)構(gòu)測(cè)量點(diǎn)，全面采集信息，連續(xù)拍攝靜態(tài)結(jié)構(gòu)照片[5]。通過(guò)分析兩張相鄰的照片，可以得到精準(zhǔn)度較高的判斷結(jié)果。這些橋梁實(shí)際地理環(huán)境對(duì)橋梁造成的影響均可以通過(guò)傳感器感知，利用數(shù)據(jù)采集裝置，下達(dá)數(shù)據(jù)采集命令，從而獲取橋梁各部位數(shù)據(jù)和照片信息，以便橋梁狀態(tài)診斷分析。

（2）數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理

考慮到橋梁現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心距離較遠(yuǎn)，且野外環(huán)境容易造成線路腐蝕，所以，無(wú)線傳輸模式是本平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖滓x擇。本平臺(tái)選取GPRSDTU模塊作為無(wú)線傳輸裝置，在橋梁監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心分別布設(shè)，作為信號(hào)發(fā)射端和接收端，實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸。

關(guān)于數(shù)據(jù)處理，采取信號(hào)放大、濾波、數(shù)據(jù)二次數(shù)據(jù)等多項(xiàng)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，使得數(shù)據(jù)融合到一起，便于總體評(píng)估分析。此環(huán)節(jié)主要作用是剔除誤差較大數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。

（3）信息管理

該模塊將接收到的信息按照類別不同，分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。前者用于統(tǒng)計(jì)橋梁各部位定期檢查數(shù)據(jù)、日常巡檢數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)都是隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化，按照時(shí)間不同記錄信息；后者是對(duì)橋梁基本信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括橋梁結(jié)構(gòu)基本信息和地理信息，便于信息安全評(píng)估。

（4）信息安全評(píng)估與預(yù)警

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)安全參數(shù)范圍，對(duì)當(dāng)前統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，判斷橋梁各個(gè)部位當(dāng)前是否發(fā)生異常，根據(jù)異常等級(jí)不同，分別為其打分。對(duì)于本平臺(tái)，橋梁異常參數(shù)越多，則打分越低，以60分為界限。低于60分，認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)異常較為嚴(yán)重，隨著分?jǐn)?shù)的下降，橋梁發(fā)生安全事故的可能性逐漸加大。

為了體現(xiàn)本平臺(tái)開(kāi)發(fā)的意義，本平臺(tái)還設(shè)置了預(yù)警模塊，用于發(fā)布橋預(yù)警信息。關(guān)于此部分功能的設(shè)計(jì)主要分為兩部分。其中一部分為提示功能，設(shè)置打分范圍60-80分。當(dāng)平臺(tái)評(píng)估分?jǐn)?shù)在此范圍內(nèi)，則認(rèn)為橋梁很有可能發(fā)生安全事故，且部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生異常。另外一部分為警示作用，

（5）監(jiān)測(cè)平臺(tái)

該模塊的布設(shè)主要用于顯示數(shù)據(jù)信息、下達(dá)橋梁養(yǎng)護(hù)工作任務(wù)。其中，數(shù)據(jù)信息顯示功能是借助計(jì)算機(jī)操控顯示屏，顯示平臺(tái)各個(gè)模塊相關(guān)數(shù)據(jù)，便于管理員實(shí)時(shí)查看橋梁信息。而橋梁養(yǎng)護(hù)工作任務(wù)下達(dá)命令的設(shè)置，是根據(jù)橋梁評(píng)估結(jié)果，鎖定橋梁結(jié)構(gòu)異常點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算所需養(yǎng)護(hù)材料類型及用量、養(yǎng)護(hù)工具、工作時(shí)間等參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行整理，生成養(yǎng)護(hù)工作任務(wù)，下發(fā)到各個(gè)基層，從而更好地開(kāi)展橋梁養(yǎng)護(hù)工作。

3 實(shí)踐應(yīng)用

為了探究本文開(kāi)發(fā)的橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)方案的可靠性，本文以滬通長(zhǎng)江大橋?yàn)槔瑢⑵渫度氲綄?shí)踐應(yīng)用中，構(gòu)建BIM橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)模型，并觀察測(cè)試結(jié)果。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸

利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建如圖2所示的BIM橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)模型，模擬周圍環(huán)境，在橋梁重要部位布設(shè)多種傳感器等儀器設(shè)備，用于采集橋梁結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)GPRSDTU模塊傳輸。如果發(fā)送端的數(shù)據(jù)與接收端的數(shù)據(jù)一致，則認(rèn)為平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸功能滿足可靠性要求。

圖2 BIM橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)模型

利用圖2所示的模型對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如表1所示的測(cè)試結(jié)果。

表1 平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸功能測(cè)試結(jié)果

表1中，以編號(hào)為1-3傳感器部署部位為例，觀察橋梁是否出現(xiàn)裂紋。測(cè)試結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送端的數(shù)據(jù)與接收端的數(shù)據(jù)一致，符合橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸要求。另外，2號(hào)傳感器采集到的橋結(jié)構(gòu)與病害信息在橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面中的顯示如圖3所示。

圖3 基于BIM橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作界面顯示結(jié)果

通過(guò)觀察圖3中的系統(tǒng)界面顯示結(jié)果可知，本系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)橋梁養(yǎng)護(hù)情況，并生成BIMBIM橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)畫(huà)面。

3.2 預(yù)警管理

本次測(cè)試選取4、6、12號(hào)傳感器作為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)觀察平臺(tái)打分、預(yù)警狀態(tài)、預(yù)警位置信息、養(yǎng)護(hù)命令下達(dá)信息，判斷預(yù)警管理功能模塊設(shè)計(jì)方案的可靠性。如表2所示為平臺(tái)預(yù)警管理結(jié)果。

表2 平臺(tái)預(yù)警結(jié)果

表2中，當(dāng)打分低于80分，且高于60分，開(kāi)啟預(yù)警提示狀態(tài)，能夠鎖定異常橋梁部位，根據(jù)具體信息，下達(dá)養(yǎng)護(hù)命令。當(dāng)分值低于60分時(shí)，開(kāi)啟預(yù)警警示狀態(tài)，加大了養(yǎng)護(hù)工作量及時(shí)效要求。由此推斷，本平臺(tái)可以根據(jù)橋梁部位狀態(tài)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并下達(dá)養(yǎng)護(hù)命令，對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)工作的開(kāi)展幫助較大。

4 總結(jié)

本文圍繞橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究，選取BIM技術(shù)作為重要工具，開(kāi)發(fā)橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，利用此平臺(tái)采集橋梁各個(gè)部位狀態(tài)信息，根據(jù)安全運(yùn)行范圍進(jìn)行評(píng)估，并生成評(píng)估、預(yù)警、養(yǎng)護(hù)結(jié)果。實(shí)踐測(cè)試結(jié)果表明，該平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)采集、統(tǒng)計(jì)橋梁各個(gè)部位狀態(tài)信息，生成準(zhǔn)確判斷結(jié)果、養(yǎng)護(hù)指揮命令，可以為橋梁養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展提供可靠性工具。