基于BIM的橋梁健康監測系統設計與應用

程源浩

（安徽省七星工程測試有限公司，安徽 合肥 230088）

近年來，我國的橋梁工程遍地開花，建設施工范圍不斷擴大，但是，由于現場環境惡劣、技術發展限制等原因，也大大阻礙了橋梁的建設與發展，尤其與安全質量水平密切相關的健康檢測系統技術。如何在橋梁的健康檢測系統中積極融入新型的BIM技術，促進我國橋梁健康檢測系統的運用和推廣，是值得不斷深入探究的重點內容之一。

1 我國傳統的橋梁健康監測系統的現狀

1.1 缺乏監測數據的自我診斷和在線處理功能

在我國的橋梁健康監測系統中，收集到的監測信息量龐大，并且具備了繁瑣性、隨機性、海量性等特征，因此，也會產生很多與之無關的干擾類數據，從而造成檢測數據缺乏精準性。造成這種現象的原因就是沒有高效、先進的傳感設備，缺乏高效處理信息傳輸和接收的環節，所以，如何更好地進行監測數據的自我診斷與在線處理技術至關重要。

1.2 缺乏對健康監測數據的可視化功能

橋梁健康監測系統屬于是一個專業度較高的技術系統，具備4個明顯的特征：海量性、高效性、多樣性與價值性，是一種集合式的大數據系統。對于橋梁管理部門來說，進行檢測數據的分析工作十分繁瑣且枯燥，并且監測數據分析結果缺乏直觀性，專業性的圖表較多，所以理解起來較為困難。基于此，如何建立橋梁健康檢測數據的可視化，使檢測結果更加直觀、明了，且滿足更多人的需求也是至關重要的。

1.3 缺乏對橋梁結構的安全預警監測

由于橋梁的使用年限較長，在長期的運營使用中，會開始出現各類問題，尤其是關于橋梁結構性能的變化問題，嚴重影響了橋梁的正常使用，甚至會出現更多安全質量問題。因此，如何做好對橋梁的整體結構或者部分構件的質量安全監測，并且做好安全預警、質量控制、問題處理等環節不容忽視，這也是目前我國傳統的橋梁健康監測系統中十分缺乏的功能。

1.4 缺乏突發事件下的安全評估

在我國的橋梁運營中，會發生很多不可預估的突發事故，例如狂風暴雨、龍卷風、被船舶撞擊、地震等等災害，這些突發事故也會對橋梁的正常運營產生較大的危害。所以，在監測橋梁的時候，也需要對這些可能出現的突發事故進行預先的安全質量評估，建立全面的安全運營管理平臺，并且可以實現對橋梁正常運營中出現的各類動畫、聲音、電子郵件、短消息等多種形式的全面、可視化的動態監管。但是，目前的健康監控系統并沒有完全實現此類功能。

2 BIM技術的優勢

2.1 可視化功能

在橋梁的健康監測系統設計中，BIM可視化就是指通過先進的技術將已經建好的橋梁，利用建模軟件3D三維模擬進行繪制，將點、線、面等幾何元素按照設計圖紙進行立體化展示，實現對橋梁健康系統的可視化，在橋梁模型里體現出健康監測系統的測點位置及理論數據情況。

2.2 對全周期信息數據的監控

BIM技術的運用是對橋梁的日常管理與運營進行全周期監控，例如前期結構的設計、施工材料的使用、投入的成本與支出、建設過程中的檢測數據（原材料試驗數據、施工監控、交工檢測數據以及成橋荷載試驗）等內容，從而確保橋梁正常運營的安全性與穩定性。

2.3 對各類信息數據的優化

在開展橋梁建設工程的時候，會涉及很多環節，并且產生海量的數據，因此，利用BIM技術可以開展高效的數據管理，并且形成龐大的中央數據庫，從而實現對橋梁健康檢測中產生的各類信息數據的處理和優化作用。其中，基于BIM技術開展的數據管理工作，可以確保數據的完整性、及時性、安全性、便捷性及共享性，從而為橋梁建設提供更多幫助和支持。

2.4 提升了工作的協同性能

在橋梁的健康監測系統中運用BIM技術，可以提升橋梁工程質量水平。在進行前期的設計階段，合理運用BIM模型，可以對施工之前出現的各類問題進行預判和檢測，如果發生了問題，可以快速找到合適的解決方式。其次，在中期的施工階段，BIM技術可以為設計方、施工方、監理方、業主等多方提供有效的信息和資料，更好地促進各方的工作開展，增加了工作協同性能。

3 基于BIM的橋梁健康監測系統架構

在橋梁健康檢測系統中運用BIM技術構建BIM模型，可以為橋梁的健康檢測提供更多的服務和幫助，例如數據收集與儲存、數據傳輸與共享、數據整理與分析、健康狀態評估與預警評估等，從而確保橋梁處于正常的運營狀態；BIM模型還可以為使用健康檢測系統的用戶提供集成平臺，例如監測系統實施單位、大橋管養單位、政府管理部門、第三方專家評估等，提供更多開放式和協同管理權限，使得橋梁健康檢測系統管理更加及時、高效、精準。

基于BIM的橋梁健康監測系統主要由健康監測模塊、擴展計算模塊及BIM模塊3個部分組成，BIM模塊是與上述數據庫相接連而形成。健康監測模塊在整個系統中主要發揮著數據監測、收集以及數據分析的作用，例如對橋梁的應力、位移等數據進行監測，并將監測數據保存到數據庫中。擴展計算模塊主要是根據監測的項目采用不同的算法把單個傳感器的計算結果擴展至全橋，再依據構件的類別儲存在擴展數據庫中。BIM數據庫就會將前面兩個數據庫的數據相連接，從中間數據庫采集結果并且進行儲存，并且以BIM模型進行立體展示。BIM模型主要由4大模塊組成：傳感器自診斷和維護模塊、健康監測數據BIM可視化模塊、日常運營下統計分析與預警模塊以及極端事件下聯動分析與評估模塊，如圖1所示。

圖1 BIM在橋梁健康監測系統

4 基于BIM的橋梁健康監測系統的設計與運用

4.1 監測數據自我診斷和在線處理

大多數情況下，如果橋梁健康監測系統中的數據出現了失誤或者誤差，一般是都是傳輸與獲取信息數據的設備造成的，很容易給橋梁健康檢測系統的正常運作帶來不利影響，尤其是關于橋梁的安全預警與評估效果。基于此，運用BIM技術可以有效解決這個問題。首先，BIM技術中涵蓋了傳感器維護模塊，不僅可以準確找到傳感器位置，檢測起來更加直觀，還可以便于統計傳感器的類別、狀態等，并且也可以精準找到損壞的傳感器，便于后期的維修和保養。其次，建立一套監測數據的自診斷和在線預處理方法，可以準確找到監測數據中出現的各類問題，然后與BIM數據庫相結合，編制出了一套科學合理的監測數據的預處理程序。此套程序的主要作用就是實現對橋梁健康檢測數據的智能化鑒別，并且在真實數據上進行自我調整和修正。

4.2 健康監測數據的BIM可視化

以往采用的健康監測系統監測到的數據專業度較高，理解起來較為困難，并且十分繁瑣枯燥。為了很好地解決這個問題，需要通過利用BIM技術可視化的優勢，同時對溫度、撓度、振動、加速度等健康數據進行監測，以全面化地展示橋梁的各個結構的健康檢測數據，并對數據進行分析，獲取橋梁各個部位的數據預估；然后擴展到全橋的數據預估，再將這些預估數據儲存在擴展數據庫中；隨后，BIM數據庫再從擴展數據庫中讀取數據信息，然后以構件形式進行儲存，并通過與BIM相關聯進行展示。例如，在我國橋梁的日常運營中，車輛超載的現象較為嚴重，因此，可以借用BIM技術設計出一種車輛超載的自動識別系統，即車輛在橋梁上行駛的時候，可以進行健康檢測數據的采集，先存儲車輛通過橋梁結構時的結構靜動力響應，然后對其進行分析及計算，對車輛經過時采集到的數據進行匹配，得到車輛荷載效應。根據分析結果，在BIM模型中進行可視化展示，如果有超載的情況，那么BIM模型中的可視化結果是一目了然的。

4.3 日常運營下統計分析與實時預警

在設計橋梁結構安全預警的過程中，利用多元神經元模型，建立涵蓋風、溫度和車輛荷載與橋梁頻率、應變和變形等的多元映射數學模型。該模型針對不同的外界環境，橋梁的荷載承載特性與結構響應的強相關性和弱相關性之間所表現出的特征和關系，接著利用貝葉斯正則化技術對耦合環境荷載場的權重進行優化。BIM技術正是基于此類方法，實現對橋梁的全橋構件的整體性能的監督與實時安全預警。同時，利用BIM碰撞檢查功能，研發出新型的安全預警技術——BIM碰撞檢查關聯技術。例如，為了避免豎向變形的出現，應該在設計階段就按照預期變形量的最大值進行設計，建立變形完成后的模型，然后通過全橋插值技術，繪制出橋梁運行期間的實時線形模型，將兩個模型進行碰撞檢查，如果有位置發生了碰撞，那么會發生警報，從而快速找到變形的位置進行修補和調整。

4.4 極端事件下聯動分析與安全評估

如果在橋梁上發生很多突發事故，例如船撞、火災、暴雨等，那么在此類突發事件下的分析與預先安全評估就尤為重要。在BIM技術的基礎上，在進行橋梁健康檢測系統設計的時候，也需要充分利BIM技術的模擬、可視化等優勢，將可能發生的各類極端事故預先進行設想和處理。首先，利用BIM技術，評估船撞、臺風、地震等惡性事件的安全性，將其與惡性事件發生后監測到的數據與正常運轉下監測的數據進行對比和分析，根據對比結果，判斷橋梁狀態。其次，使用BIM疏散模擬技術，設想如果發生了各類安全事故以后，橋梁的正常交通出行將如何進行管控和處理，并且制定可視化方案，從而確保橋梁的正常運營。

5 結束語

綜上，由于我國傳統的橋梁健康檢測系統具備了海量數據處理能力差、無法及時預警等缺點，因此，需要積極引進BIM技術，充分利用其信息化、可視化、協同性等優勢，推動健康檢測系統的技術研發與運用，從而確保我國橋梁可以正常、安全地運營下去，提升其使用壽命與使用年限。