BIM技術在結構健康監測中的應用

李 萃

（九州職業技術學院，江蘇 徐州 221116）

BIM技術在建筑結構的健康監測中具有獨特的優勢，其融合了計算機信息技術、大數據技術、云技術等優點，可以對建筑結構進行實時在線的監測。隨著建筑技術水平的提升，建筑結構的復雜性也顯著增加。比如北京奧運會體育館、三峽大壩工程等大型復雜的結構工程的出現頻率越來越高，但是這些建筑結構在實際的使用過程中會受到多種因素的影響，導致建筑結構的構件出現損傷。比如環境因素、材料老化、持續荷載等因素，會使建筑結構的安全隱患不斷增加，如果不及時采取有效的措施，則容易使建筑結構的安全性和可靠性受到極大影響，甚至發生結構破壞。

1 BIM技術概述

BIM技術最早出現在美國，在當地政府的支持下，BIM技術的研究力度得到了加強，隨后在西方歐洲國家開始流行起來。倫敦在建筑的健康管理上強制推進了BIM技術，旨在加強對建筑結構的健康監測。目前，我國也開始采用BIM技術來監測建筑結構的安全性和穩定性，尤其是在大型的建筑結構工程中，BIM技術應用的頻率較高。BIM結構模型如圖1所示。

圖1 BIM結構模型

經過國內數十年的發展，BIM技術在我國的研究規模不斷擴大。如出現了由BIM技術所延伸的4D虛擬施工與施工交底等相關技術，對建筑結構設計和施工等各個階段的技術性問題分析與掌握也得到了增強。轉型時期，BIM技術的應用可以降低建筑信息模型造價高、培訓難度大、建模困難、效率低下等相關問題，確保增強建筑行業轉型的驅動力。由于BIM技術在認知研究上存在一定的誤區，也使得該技術目前在我國的發展還存在較大的阻礙。受到BIM技術理念的影響，傳統的建筑作業方式發生了較大的變化，而新的組織方式和行業準則開始融入建筑設計、建造和運維中來，繼而能夠從根本上解決項目規劃設計到施工運營各個階段的信息缺失問題，提高項目生命周期管理的效率。

2 結構健康監測概述

結構健康監測指在施工現場借助埋入或者粘貼表面傳感器的方式，檢測神經系統中是否存在損傷性的結構，將建筑結構中檢測出的損傷報給控制臺，從而增強建筑結構健康狀況檢測的效率。構成結構健康檢測系統的要素包括數據采集與處理系統、傳感系統、通信系統、報警設備、監控中心。結構健康監測系統主要應用在大型的建筑結構中，如大型的橋梁、建筑等。比如在虎門大橋的健康監測系統中，可以采用GPS動態監測系統對建筑結構的健康狀況進行監測，其中建筑結構的數據從光纖各個測點傳輸到GPS接收機。在監測系統處理系統中，圖形工作站和數據庫服務器在數據傳輸時可以借助局域網來實現。但是由于部分信號線存在老化的問題，導致數據傳輸的效率大幅度降低，結構健康監測的精準性也較低。科學技術的發展使傳感技術、信號分析技術、網絡通信技術、結構分析理論等開始得到廣泛應用，建筑結構健康監測的內容也開始變得更為豐富。通過連續實時在線監測建筑結構的狀況，有利于提高建筑結構的安全性，從而增強建筑結構的管理效率。

3 BIM技術在建筑結構健康監測應用的現狀

BIM技術的核心在于將信息貫穿于建筑全部的生命周期中，通過將建筑物前期建筑施工建造與后期的維護管理結合起來，搭載三維模型，可以將建筑施工設計中所采集的數據上傳到云端數據庫，然后再將建筑結構健康監測系統上傳到BIM平臺上，能夠加快構建一套建造期模型共用的數據庫系統。

3.1 建筑結構健康監測的可視化

建筑結構健康監測信息的可視化指通過應用計算機圖像處理技術，將原始抽象的監測信息分離出來，使數據轉化到規律以及能夠進行直觀分析的圖像圖表中，從而提高信息交互處理的優勢。結構健康監測的可視化，需要借助現代信息技術、人工智能技術、三維動畫技術等來實現，從而提高數據信息直觀的理解力度，確保各方能夠更好地參與到數據信息的共享中來，加強各方的交流溝通，更好地發揮BIM技術的作用。BIM建筑的三維結構效果如圖2所示。

圖2 BIM三維效果圖

BIM技術可視化和協同化的優勢在于能夠有效降低建筑結構監測中數據信息量大、人工分析數據耗時的缺陷，從而提高建筑結構健康監測與建筑信息模型應用的效率。通過構建建筑結構健康監測與建筑信息模型，從而建立一個現場施工的建筑結構監測管理系統，能促進建筑生命周期模型的效率提升，實現建筑模型的可視化動態監測，確保建筑施工現場安全監測與預警效率提升，為搭建建筑機構健康監測預警平臺創造良好的條件。

基于BIM的建筑結構健康監測的附屬功能模塊包含場景設置、多媒體設置、輸出設置模塊。通過輸出指定點的監測結果，能夠定期獲取相應的數據檢測報告。通過BIM技術可以設置場景模塊，打造二維、三維場景，還能夠借助建筑結構現場的視頻、語音、文檔資料等來接入現場實時監控視頻畫面信息。

3.2 建筑結構健康監測信息管理

隨著大型建筑結構的數量不斷增多，城市中的高層建筑也越來越多，導致人地關系緊張。因此，加強對建筑結構的健康監測顯得尤為重要。大型建筑結構在健康監測中，可以借助傳感器的方式來采集數據信號，繼而不斷提高數據監測系統的使用效率。當前大型建筑結構的數據量巨大，數據庫已經無法滿足大型建筑結構的需要。因此，要加強大型數據庫的建立和開發，構建結構健康監測數據管理開發平臺。通過高效處理建筑結構的監測數據，實現對數據信息的采集、存儲、查詢和預警處理。

基于BIM技術的健康智能監測，采用多核學習、遷移學習的方式，獲取建筑物結構狀態感知的信息，并將建筑物結構現場監測的視頻、圖片等進行分類，從而提高建筑物結構健康監測的效率。建筑結構健康監測系統不僅能有效整合建筑結構監測和日常巡查等信息，還能及時監測建筑物結構運行狀況的影響因素。通過對比建筑物、橋梁結構的特點、氣候環境、材料性能等，結合相應的建筑物結構養護行為，建立建筑物結構生命周期態勢的個性化深度學習預測方法。

3.3 建筑結構健康監測預警指標體系

一旦建筑結構出現了問題，要及時降低對建筑結構產生的危害，構建建筑結構監測預警的指標體系。通過應用BIM技術，可以在總結和歸納以往建筑經驗的基礎上，判斷建筑結構的質量和安全性，繼而向有關部門發出危險緊急信號，減少建筑結構中存在的安全隱患，及時處理建筑結構的質量，減少對建筑結構產生的危害。建筑預警管理模塊可以提高對建筑數據的監測管理，建筑數據的預警管理包括建筑預警設置和預警管理這兩個部分。其中，預警設置是通過形狀顯示、顏色高亮顯示等方式聯動查看預警數據和預警模型，設置建筑監測的曲線、時間，這樣有利于建筑結構預警的快速構建。通過短信、微信、郵件等傳播形式將建筑結構的預警信息及時發送給現場負責人，及時規避與防范風險。而建筑預警管理是借助BIM技術來建立安全預警管理系統，對建筑結構中可能產生的非健康因素進行監測和分析，及時采取相應的防范措施，避免“危險因子”的出現，從而保障工程安全。與此同時，預警管理系統還可以根據具體情況，增強預警設置內容的科學性和可操作性，定期開展對工作人員的培訓教育，增強員工操作預警系統的水平。

3.4 BIM養護管理

BIM養護管理可以對建筑的養護進行實時動態的跟蹤管理，將建筑結構的基礎信息、環境信息、養護進度、養護工程、養護資金等信息列入基于BIM技術的建筑結構健康監測系統中，并及時發現建筑結構中的病害信息，實時三維可視化地跟蹤管理，從而促進建筑結構健康監測以及建筑結構養護檔案的逐漸發展與完善。BIM養護管理系統能夠對建筑結構中出現的病害信息進行追溯和跟蹤，自動關聯BIM構建信息中的內容，從而快速和準確地定位病害所發現的位置，最終對建筑結構的屬性信息、病害信息、維修記錄等進行記錄，便于以后的管理。要通過促進建筑工程數據信息結構化，來促進橋梁檔案信息的不斷發展和完善。

4 結束語

BIM技術在結構健康監測系統中的應用，不僅能豐富健康監測系統的功能，還能提高對建筑結構損傷等因素的識別效率。尤其是對規模龐大、種類豐富的大型建筑結構而言，采用BIM技術有利于整合建筑結構的數據信息，實時掌握建筑結構工程動態信息狀況，加強對建筑結構健康狀況的監測與管理。同時，相關部門要加快培育優秀的BIM技術應用人才，加強對建筑結構健康監測的力度，使BIM技術與結構健康監測技術高效融合。