基于BIM的橋梁健康監測及信息集成

（武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065）

0 前言

橋梁健康監測系統是保障橋梁安全運營的重要技術手段，已在國內外眾多橋梁工程中得到應用。然而，傳統橋梁健康監測系統存在海量數據可讀性差、突發事件下難以評估等缺點。借助BIM（Building Information Modeling）技術，提出新型“BIM+健康監測”模式下橋梁健康監測系統架構，開發了基于BM 的橋梁健康監測系統，實現了橋梁安全運營的多用戶協同管理以及監測與養護一體化運維管理。

近年來，我國的橋梁建設取得了長足發展，但橋梁的使用狀況并不樂觀。由于復雜環境負荷的持續作用而導致的退化速度遠遠超出了設計預期。如何確保橋梁結構的安全運行已成為政府，業主和公眾的難題。這是一個重要的問題。結構完整性監測系統通過實時監測外部影響和結構反作用力來評估橋梁的安全性能，并已作為國內外公認的重要技術工具應用于國內外許多橋梁，以確保橋梁的安全運行。但是，橋梁狀態監測系統中的各種傳感器每天都會收集大量的監測數據。如何科學有效地管理和使用這些監測數據以防止這些監測數據成為“表面形式”，這是橋梁條件面臨的關鍵問題。

BIM 技術在建筑行業中日趨成熟的應用為橋梁狀況監測系統和監測數據管理開辟了新思路。建筑信息模型（或建筑信息模型）技術（BIM，建筑信息模型）旨在以數字和非正式的方式代表建筑項目在其整個生命周期中的各種物理和功能特征。BIM 技術及其應用屬于一個具有廣闊發展空間的新學術領域，自ChuckEastman 在1970年代提出以來，它以其強大的可視化性能，高協調性和便捷性在工程領域引起了很多關注。畫畫。目前，BIM 技術被廣泛應用于房屋建筑領域，并且對諸如橋梁之類的基礎設施的應用研究也在逐步發展。在設計和生產階段使用BIM 技術可帶來33，360 個專業協作設計優化，復雜節點設計，管道崩潰檢查，更準確的設計審查（包括有限元動力學分析），綠色建筑模擬和更精確的工廠等優勢。預制零件的機加工。在施工階段，BIM 技術還廣泛用于施工過程模擬和施工進度管理，將3D 模型轉換為2D 工程圖，相關數據管理以及質量和安全管理。但是，除了資產管理應用程序外，在運行和營養保護階段，BIM 技術在土木結構的安全性，適用性和耐用性方面的應用相對較少。

本文在充分調研傳統橋梁健康監測系統存在的問題基礎上，結合BIM 可視化技術及其BIM 模型應用，開發了新型“BIM+健康監測”模式下的橋梁健康監測系統，建立了海量監測數據的自診斷、可視化、實時預警和安全評估的綜合管理平臺，實現了橋梁安全運營的多用戶協同管理以及監測與養護一體化運維管理，為BIM 技術在橋梁健康監測中的應用提供新思路和方法。

1 傳統橋梁健康監測系統存在的問題

結構健康監測系統最早源自于航天航空領域，20世紀80年代逐漸引入土木工程行業，在橋梁領域發展迅速。橋梁健康監測系統發展可以劃分為3 個階段。早期橋梁健康監測系統屬于單項健康監測系統，傳感器種類有限，采集設備安全度不高，監測時間有間隔，不連續。經過多年發展，橋梁第二代健康監測系統的傳感器種類大大豐富，采集系統較為完善，實現數據的連續采集，并且有數據庫管理軟件對數據進行管理。目前發展到橋梁第三代健康監測系統，在第二代監測系統的基礎上，強調對監測數據的處理，并利用監測數據進行結構健康狀態的在線評估、在線預警，并為深入地離線評估提供支持。

盡管橋梁健康監測系統已在國內外眾多橋梁中得到應用，然而，通過調研發現，國內外橋梁健康監測系統大多數只進行監測數據的采集與保存，在以下幾方面仍有諸多問題：

橋梁安全預警的實時性。橋梁在長期運營過程中，因受各種因素的影響會逐漸出現病害，其結構性能不斷劣化，進而嚴重威脅著橋梁的運營安全。為滿足橋梁長期安全服役的需求，需要對橋梁結構關鍵構件或者整體結構開展失效分析與預測，在此基礎上對橋梁可能的失效模式進行安全預警、控制和處理，實現橋梁服役失效可防、可減、可控。

突發事件下的安全評估。橋梁運營過程中不可避免發生車/船撞擊、臺風和地震作用或其他嚴重突發事件，需要及時準確地對橋梁的服役狀態進行評估并提供安全應急管理措施，保障橋梁運營暢通及通行人員的安全。為此，需要建立突發事件下橋梁安全運營管理平臺，通過動畫、聲音、電子郵件、短消息等多種形式實現橋梁安全預警的可視化綜合分析及動態管理。

2 橋梁健康監測

由于從橋梁狀態監測系統獲得的數據具有大規模，多維，復雜和隨機的特點，因此監測到的數據包含大量的無效信息和干擾信息，使得監測結果無效。因此，有必要為收集的監測數據建立一種自診斷方法，以保證監測結果的準確性。監測數據的可視化，由于所涉及的監測指示器的多樣性而對橋梁狀況的監測以及為每個指示器獲得的大量信息。從業者努力地正確理解這種監測數據。因此，有必要對監測數據進行可視化以滿足行業相關人員的需求。實時警報。橋梁將從施工開始一直運行直至達到使用壽命。為了滿足橋梁的長期安全服務需求，有必要通過對橋梁的關鍵位置進行故障分析和預測并及早預警，控制和處理可能的橋梁安全問題來實現現實。使時間警報和橋接健康問題可預防和控制。緊急情況下的安全評估。在橋梁運營期間，不可避免發生嚴重的緊急情況，例如車輛/船舶碰撞，臺風和地震。為了使橋梁平穩運行，必須及時準確評估橋梁的運行狀況，并提供安全應急管理措施。過往人員的安全。因此，有必要建立應急的橋梁安全運行管理平臺，并通過動畫，語音，電子郵件，短文本等多種形式實現橋梁安全預警的綜合可視化分析和動態管理。

如果今天提倡“ Internet+”，則工業信息化是一個普遍趨勢，BIM 技術的積極推廣和深化將有助于結構性產業的轉型和升級。結合BIM 技術，BIM數據模型，空間定位和Internet 技術進行數據收集，數據共享以及用于狀態監測的數據共享，從而形成“信息集成監測”的概念，從而得到深入應用和積極擴展。分析和健康評估等服務功能可提供全面而完整的信息解決方案。同時，實現了對監控系統實施單元，橋梁管理單元和政府管理部門第三方專家評估的開放權限，從而實現了多用戶集成平臺。基于以上分析，構建了一種橋梁工程狀態監測與BIM 技術相結合的BIM 協作平臺，通過監測數據源提供了及時，準確，可追溯和集成的狀態監測與維護能力。以及跨學科協作管理服務。

“信息集成監測”模式下的橋梁狀態監測系統包括狀態監測模塊，擴展計算模塊和通過數據庫連接的BIM 模塊。健康監測模塊收集并分析數據，獲取壓力和位移等監測項目的數據結果，并將其存儲在健康監測數據庫中。擴展計算模塊采用不同的算法，根據不同的監控項將單個傳感器的計算結果擴展到整個橋梁，并根據組件類別存儲擴展的數據庫。傳感器的測點布設如表1所示。BIM 數據庫鏈接到前兩個數據庫，并且主要檢索結果并將其存儲在中間數據庫中，并通過BIM 模型進行顯示。它的主要功能分為4 個模塊：傳感器自我診斷和維護模塊，狀態監測數據BIM 可視化模塊，日常工作中的統計分析和預警模塊，極端情況下的鏈接分析和評估模塊。

針對數據丟失，丟失，數據趨勢突然變化，數據漂移，數據奇異性，監測數據的長期干擾和噪聲干擾等失真源，建立了一系列的監測數據自我診斷和預處理方法。BIM 數據庫監測數據使用預處理程序進行編譯。該程序的主要功能是通過確保數據的完整性和可靠性來智能識別異常狀況監測數據并糾正異常值。該程序算法的特點是將許多智能和機器學習算法應用于監測數據的自診斷和校正，以及多維和多角度異常數據的識別。算法包括支持向量機，神經網絡，遺傳算法，小波分析等。

3 BIM 的應用重要性

BIM 適用于建筑物的整個生命周期，對于建筑物的設計，建造，運營和維護具有重要意義。通過建筑物BIM 形成的三維物理圖像解決了人腦難以想象復雜建筑物面對的空間的問題，因為它可以直觀地在人面前顯示復雜且不同的建筑物[2]。為了優化設計，可以將施工過程中的更改及時傳達給項目參與者，以采取行動。這減少了施工期間的返工成本，改善了項目各方之間的及時溝通，并為企業帶來了巨大的利益。通過使用BIM 模型的非幾何信息，例如建筑物設計和施工階段的數據信息，檢查信息，設備信息，可以管理建筑物的運行和維護，資產管理，防災等，以及整個建設項可以管理生命周期內生成的數據。BIM 的最大優點是改善了建設項目的信息化，并改善了項目期間信息的動態傳遞。

此外，BIM 模型還可以用作查詢，更正和刪除檢查信息的可視介質，并且可以合并在橋梁檢查過程中生成的數據信息，例如疾病描述，檢查照片和其他非幾何信息。橋梁測試計劃包括各種測試設備的布局，例如應變儀，靜態和動態負載測試負載，車輛的負載位置和負載順序。在傳統的橋梁檢查中，這只能通過各種符號表示在二維圖紙上，并且很難直觀地展示檢查計劃，現在對于已制定的計劃，監測技術通過虛擬仿真生成各種檢測設備和動載集成到BIM 模型，管理人員即使沒有前往實地參與實驗檢測也能夠通過模型直觀的評估檢查計劃的實施。

4 BIM 的集成應用

BIM 模型是自定義模型，可以根據需要自定義模型的屬性欄，從而使檢查員可以在檢查過程中根據現場的各個組件進行記錄。工作完成后，根據現場檢查數據，判斷工作狀態，并記錄檢查后的距離，為以后的檢查提供參考資料[4]。獲取所有檢查數據后，可以使用BIM 模型對數據進行清理和分析。詳細列表以表格格式顯示從項目的默認元素屬性中提取的信息。詳細表可以列出原始類型的每個實例，過濾器可以過濾所需的數據。如果橋梁檢查員需要分析特定數據，則可以選擇數據并選擇顯示功能來放大并在模型視圖中顯示組件，以查明復雜BIM 模型中的確切位置[5]。

集成系統風監測的主要功能是監測外部風的大小和方向等狀況，其架構圖如圖1所示。橋梁建造完成后，除了在外來人員和車輛通過過程中產生的負載外，它承受的外部風力也是主要負載的一部分。預警閾值具有一定的及時性，因為橋梁結構的性能具有隨時間變化的重要特征。結合實際服務狀態，必須定期檢查，補充，更正和優化各種參數的閾值。最大限度地減少預警的發生，降低結構的運營和維護成本通常，環境溫度的變化也會改變橋梁部件的溫度，并且部件溫度的變化會在部件內部產生應力。不同類型的橋組件對溫度變化的敏感性不同，導致每個橋組件在相同環境溫度下的溫度分布復雜。環境溫度監測數據的集成可以識別每個組件的溫度分布規律，并為后續數據分析提供基礎。在彎曲變形的情況下，橋梁結構的撓度是指梁軸在垂直于軸的方向上的線性位移，或在變形超過時板殼在垂直于中平面的方向上的線性位移。一種。某些值會影響腿的使用。從橋梁建造到使用過程中發生問題時的危險橋梁重建過程中，都必須準確監測橋梁撓度值，該數據是橋梁狀態監測的指標之一，具有重要的延續性參考價值。使用腿。橋梁是公路運輸船的核心結構之一。由于諸如混凝土蠕變和預應力損失等因素，應力分布與理論值有所不同，如圖2所示。由于橋梁結構的應力會影響橋梁的性能，因此需要進行適當的測量。

圖1 集成系統架構圖（來源：百度文庫）

圖2 健康監測數據分析效果對比圖（來源：百度文庫）

圖3 基于BIM 碰撞檢查的實時預警流程圖（來源：百度文庫）

從獲取檢查過程的基本數據開始，檢查人員可以基于BIM 模型獲取橋梁結構信息和歷史檢查信息，并利用BIM 技術的視覺直觀性來實現測量點布局計劃和檢查設備布局模擬。在執行現場檢查時，檢查人員將自定義屬性列添加到特定的組件模型中，例如在伸縮縫上添加間隙，以完全記錄組件的損壞狀態。檢查人員在處理檢查信息時，可以用清單或貼花的形式將檢查照片集成到模型中，根據檢查數據和技術狀態評價來判斷組件的運行狀態，并為它們著色以提示檢查人員和管理人員。操作人員可以更直觀地掌握橋梁的實際工作狀態，準確掌握橋梁監測數據的變化，減少了對監測信息的理解和分析的難度，為橋梁結構的健康評估提供了方便。最后我們使用BIM 的詳細列表功能來構建測試數據數據庫，為管理部門進行長期分析提供基礎[6]。

表1 傳感器的測點布設

5 結果與討論

考慮到現有橋梁檢查中存在的問題，深入分析了BIM 技術在橋梁檢查中的有效性和優點。我們為橋梁可變截面箱梁開發了基于BIM 的參數化建模插件，并研究了如何在橋梁BIM 模型的基礎上將BIM 應用于橋梁檢查。檢查人員在準備檢查時可以使用BIM 模型獲取橋梁的各種基本信息和歷史檢查記錄，并使用BIM 強大的可視化功能模擬檢查設備和橋梁的靜態載荷測試載荷計劃和測量點布局計劃[7]。檢查操作員在計劃和評估，溝通和協調檢查操作以及安排裝載車輛方面提供了極大的便利。組件技能狀態得分的自動計算可以通過公式編輯來實現。在檢查信息處理階段，檢查員可以以列表或貼花的形式將檢查圖片合并到BIM 模型中，從而使管理人員可以完整直觀地查看疾病位置和疾病狀態。在整個生命周期的每個階段，都使用統一的信息列表（例如工程信息，測試設備信息和測試數據）將數據和文件數字化，以便管理人員可以跟蹤和分析疾病狀況，以提出有效而合理的維護措施.BIM 使用情況可視化功能根據測試數據和技術條件的評估，更改測試設備或組件的BIM 模型的顯示模式，以反映組件的實際運行狀態[8]。

本文針對現有的基于BIM 技術，大數據可視化和集成管理理念的橋梁狀態監測系統的瓶頸，提出了一種在“集成信息監測”新模式下的橋梁狀態監測系統架構，并進行了傳感器自診斷。與維護模塊，狀態監測數據的BIM 可視化模塊，日常工作的統計分析和預警模塊，在極端情況下的聯動分析和評估模塊一起設置橋梁狀態監測系統實施單元，多用戶協作管理橋梁管理，如圖3所示。單位，政府行政部門和第三方專家。集成了維護的運維管理平臺為BIM 技術在橋梁狀態監測中的深入應用提供了新的思路和技術。