基于BIM的鋼桁梁橋裂紋病害信息數字化管理

衛 星 ，鄒建豪 ，肖 林 ，陳 楊 ，古興宇

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.浙江省交通投資集團有限公司杭金衢分公司，浙江 杭州310004）

隨著計算機、互聯網技術的飛速發展，信息化水平的高低越來越決定著一個行業的興衰更替.建筑信息模型（BIM）技術作為信息技術時代里建筑行業信息技術的重要代表，已為建筑行業帶來了深刻的變革.積極推進BIM技術在建筑工程領域的研究應用已經成為了行業共識，引入BIM技術可以有效的提高建筑工程的信息化水平，加強各生產環節的聯系，提升行業生產效率，推動行業的進一步發展.BIM技術作為一種新興的基于計算機圖形圖像的工程信息綜合管理技術，對于提升橋梁工程的信息化水平有著顯著的效果.目前BIM技術在橋梁工程領域的技術研究還不夠深入全面，實際工程應用也不夠成熟規范，特別是在橋梁運維管理階段.國外對橋梁BIM領域的研究多集中在橋梁BIM標準的基礎定義和數據格式的設計更新[1-3]，包括對橋梁BIM國際通用標準IFC-BRIDGE的更新、擴展等[4-7]，以及結合數據庫技術的參數化聯動設計[8-10]，部分學者亦對BIM技術在橋梁運維階段的管理應用進行了有益的探索[11-12].國內文獻研究多基于具體的橋梁工程項目，對BIM技術的實施框架和應用價值進行總結闡述.在國內的應用研究主要集中在參數化設計、施工過程模擬、工程量統計等方面[13-17]，運維階段的研究應用還非常少見.在與 GIS (geographic information system)等信息技術的結合過程中，BIM技術的應用有所創新[18-19]，并且有部分學者嘗試將BIM技術應用于橋梁工程教學領域[20].

本文以某鋼桁梁橋為研究對象，以BIM信息化技術為手段，對BIM技術在鋼結構橋梁運維階段裂紋病害信息管理方面的應用做了探索.

1 鋼桁梁橋BIM模型的創建

1.1 工程背景

本文以某80 m下承式正交異性鋼橋面鋼桁梁橋為工程背景.該橋上部結構主桁為一80 m無豎桿整體節點平行弦三角桁架下承式鋼桁梁，節間長度為10 m，桁高為11.6 m，整體兩片主桁之間的間距為13.4 m，道砟槽內寬為10.2 m，人行道懸于主桁外側，凈寬1 m.整體結構形式及橫截面如圖1所示.

圖1 鋼桁梁橋結構Fig.1 Steel truss bridge structural drawing

1.2 建模環境的選擇

要實現BIM技術的應用，首先需要選擇一款高效的BIM建模軟件.據不完全統計，目前國際國內共有70多款BIM軟件，我國常用的亦有30種之多.當前國內主流的建模軟件主要有Autodesk、Bentley、Dassault、Trimble 等.通過調查比選，本文選擇Autodesk公司開發的BIM系列軟件，完成橋梁模型創建及病害信息管理.

1.3 構件族庫的建立

族是Revit建模的核心概念，族的圖元結構由上至下分別為族類別（Category）、族（Family）、族類型（FamilyType）、族實例（FamilyInstance）.Autodesk Revit為用戶提供創建族的族樣板文件，用戶可以選擇不同功能的族樣板用于創建自定義族文件.本文將主要依靠“基于面的樣板”和“獨立樣板”創建鋼桁梁橋建模所需要的族文件，本文中族文件的具體創建流程如圖2所示.

圖2 族文件創建流程Fig.2 Family file creation process

Revit為用戶提供了十種幾何繪制方法，包括拉伸、融合、放樣、旋轉、放樣融合以及空心拉伸、空心融合、空心放樣、空心旋轉、空心放樣融合.本文所創建的桿件、整體節點族庫如圖3所示.

圖3 族庫Fig.3 Family library

1.4 鋼桁梁橋BIM模型的搭建

在完成構件族庫的創建后，就可以通過“搭積木”的方式完成全橋的組裝，組裝的整體流程如圖4所示.

圖4 鋼桁梁橋建模路線Fig.4 Modeling route of steel truss bridge

由于Revit是非專業的橋梁BIM建模軟件，因此為了保證建模的精度，在具體的建模過程中，特別是創建主桁架和正交異性鋼橋面時，分別利用標高、參照平面、軸網工具對構件的空間位置進行約束，完成創建的全橋模型如圖5所示.

圖5 鋼桁梁橋全橋模型Fig.5 Full bridge model of steel truss bridge

2 裂紋病害信息的引入

2.1 裂紋病害信息引入機制介紹

病害信息在橋梁運維信息管理中占有非常重要的地位，病害的尺寸形態信息、空間分布情況、歷史維修記錄，對了解結構的服役狀況、分析病害成因、制定維修方案都非常重要.傳統的橋梁病害信息的記錄方式為數據庫管理方式，這種信息的表達方式以表單為主，對病害信息的還原度不夠，瀏覽病害信息時不易獲取病害位置，病害歷史信息銜接不暢.同時，橋梁病害一般為局部現象，以局部圖片或照片形式存儲的信息可能難以在宏觀上指導運維決策的制定.

因此，為了保證運維模型信息的全面性與完整性，體現BIM技術在信息處理、圖形展示方面的技術優勢，本文以鋼桁梁橋結構信息模型為研究對象，提出了一種裂紋病害信息引入機制，大致方法是以橋梁運維檢測人員獲取的裂紋病害數據作為信息對象，并對該裂紋病害信息進行三維建模還原，將其添加到鋼桁梁橋的結構信息模型中，形成更新的橋梁運維信息模型.

基于BIM技術的鋼桁梁橋裂紋病害信息引入機制的框架如圖6所示.

圖6 裂紋病害信息引入機制Fig.6 Introduction mechanism of crack disease information

主要實現步驟如下：

步驟1在施工信息模型的基礎上，或依據設計、施工資料進行翻模，創建具有準確信息的初級橋梁運維信息模型，保證運維信息模型具有最大還原度；

步驟2通過激光掃描、高清攝影、文字記錄等方式，獲取裂紋病害的尺寸數據以及位置信息；

步驟3通過三維建模技術對裂紋病害進行建模還原，并在病害模型中添加裂紋病害參數信息，對于某些病害信息亦可以采取標記體的方式對病害信息加以表達；

步驟4將完成創建的裂紋病害模型附著在橋梁運維信息模型上，完成對模型裂紋病害信息的添加.

2.2 裂紋病害族的創建

裂紋作為鋼構件中最常見的病害之一，對其日常檢查、維修工作在鋼結構橋梁運維中占有重要地位.本文將以最常見的裂紋病害為例，介紹裂紋病害族的建模方法，并展示病害信息在橋梁運維信息模型中的引入效果.正交異性鋼橋面板結構復雜，其除作為橋面外，同時又作為主梁截面和橫梁的上翼緣，因此應力狀態十分復雜.鋼橋面板容易開裂的部位主要是各焊接部位以及開孔截面削弱處，如橫梁腹板的開孔處，本文病害信息引入亦以此為例.

裂紋病害屬于線性病害，而且在鋼結構橋梁中常呈現出貫穿性裂紋的特點，因此在裂紋族的建模過程中選用“基于面的公制常規模型”和“空心放樣”的方法來繪制與創建裂紋族，并在其中添加運維階段的病害與維修信息.

由于缺少現場數據，本文通過自擬關鍵數據進行裂紋病害模型的創建，1#、2#、3#、4# 主裂紋關鍵數據如表1所示.

表1 主裂紋信息模型關鍵數據Tab.1 Key data of main crack information model

4# 裂紋病害信息的引入效果如圖7.

圖7 裂紋病害信息添加示意Fig.7 Schematic diagram of crack disease information addition

3 裂紋病害信息管理功能二次開發

3.1 可視化編程軟件Dynamo的介紹

橋梁完成建設后，即進入運維服役階段，在橋梁工程漫長的運維過程中，會產生海量的病害損傷、維修養護信息.所以，作為橋梁管理者需要一種快速的模型信息更新方法，本文將基于可視化編程軟件Dynamo提出一種模型信息快速更新的方法.

Dynamo是一款可視化編程軟件，基于一種可視化編程思維.Dynamo以腳本的形式提供給使用者一個圖形化的設計界面，通過連結預先設計好的節點（Node）來表達數據處理的邏輯，形成一個可執行的程序，讓開發者能專注于功能開發本身，降低了程序開發的門檻.Dynamo通過功能函數的封裝，使得節點功能高度集成、易讀，連接節點完成的代碼不需要編譯，可以直接運行、調試.Dynamo可視化編程機理示意如圖8所示.

圖8 Dynamo 可視化編程機理示意Fig.8 Dynamo visual programming mechanism diagram

3.2 裂紋病害信息的批量更新與補充

橋梁進入運維服役階段后，運維信息會不斷產生，因此我們需不斷對模型運維信息加以更新與補充.但是實際上，運維巡檢資料在經過現場人員的記錄后，還需要再經過橋梁管理人員的審查與轉錄，數據經過多次轉換，過程繁復低效.所以，作為橋梁管理者需要一種快速地模型更新方法，本文就將基于可視化編程軟件Dynamo提出一種裂紋模型信息快速更新的方法，并對其具體實施路徑加以介紹.

要實現裂紋信息數據的快速更新，首先要在Excel內建立結構化的病害和維修信息框架，在創建的過程需要注意表中的數據項應與Revit中病害和維修圖元的數據項相匹配.

在完成裂紋病害信息表格的創建后，通過Excel節點可以在Dynamo環境中建立Excel的輸入端程序，將其中的信息框架引入Dynamo，而后再通過Revit節點以Dynamo為數據的中轉站將數據引入裂紋病害圖元，實現裂紋病害信息的快速批量更新，具體的步驟如下所示：

步驟1利用Excel.ReadFromFile節點從“病害信息記錄.xlsx”中讀取裂紋病害更新信息，在sheetName中輸入“裂紋1302688”，readAsString項輸入項布爾值設為True，將輸入的數據格式轉換為“String”類型，這是為了保持輸入數據與參數類型保持一致.

步驟2在Code Block節點中按順序輸入所有的參數名，共21條，注意各參數名用英文環境下的逗號和雙引號隔開，如果用中文格式對參數名進行分割，則傳入的數據可能會出現混亂.

步驟3在Revit節點分類中，有Selection節點分類，專門用于Revit模型中圖元的選擇，被選中圖元將進入Dynamo工作空間中，供用戶做下一步的編輯或信息處理.本文中選擇 Select Model Element節點，用以選擇需要更新病害信息的圖元，并將圖元信息傳入Element.SetParameterByName節點.

步驟4在完成具體變更信息、變更參數、變更圖元等信息的提取之后，利用導線將各分離的功能模塊進行連接，將所有信息匯聚到Element.SetParameterByName節點，得到如圖9所示的病害信息可視化快速更新的設計流程，并將流程編組形成格式化信息更新模塊.

圖9 病害信息更新標準化模塊Fig.9 Disease information update module

步驟 5點擊 Select Model Element節點后，返回到Revit的界面中點取我們所需要的ID號為1302688的圖元，我們就可以發現Dynamo會自動運行修改參數信息，這樣我們就在Revit圖元和Excel表格建立了格式化的聯系，當表格中發生數據變化時，Revit中的圖元會自動發生修改.

步驟6通過復制已完成的模塊化的代碼塊修改“sheetName”和“element”，并在Excel中新建相應的病害信息工作簿，利用Code Block模塊對各個標準模塊進行串聯，并統一控制，即可實現多個病害的同時修改，如圖10所示.

圖10 病害信息更新總代碼結構Fig.10 Code structure of disease information update

當現場數據表格傳回運維中心時，運維管理人員無需重新轉錄數據，只需將舊數據表格替換為新數據表格，運維系統中運維信息模型的關聯信息即可自動更新.

3.3 4D裂紋病害信息模型的創建

傳統的橋梁養護過程、病害信息等數據以二維或三維數據的形式記錄，實現記錄和展示的病害信息主要是病害的類型、尺寸、位置等信息，橋梁管理者在進行病害信息處理時，難以直觀了解到病害與病害在時間上的發生順序和內在聯系.這時，如果可以引入時間參數，形成可視化的病害時間序列，那么橋梁管理者就可以依據病害形態、尺寸、位置隨時間的變化分析病害的衍生規律和預防措施.

基于Dynamo可視化編程技術，本文通過在橋梁運維信息中引入“巡檢批次”作為時間參數的標識，實現了按時間序列排布裂紋病害信息的漸變展示，形成了鋼桁梁橋4D裂紋病害信息模型，實現了病害信息與三維圖形的動態關聯.以橫梁腹板處的裂紋病害為例，說明具體的實現方法1）～8），結果如圖11所示.

圖11 橫梁腹板裂紋Fig.11 Cracks in web of beams

1）在鋼桁梁橋運維信息模型病害信息中添加“巡檢批次”屬性，將其作為時間參數標識，形成病害信息在文本存儲過程中的時間序列.參數“2019001”中，2019代表巡檢年度，001代表當年的第一批次巡檢記錄.

2）用 Element.GetParameterValueByName節點獲取所有常規模型的“巡檢批次”信息列表.

3）用邏輯判斷節點“==”判斷出“巡檢批次”信息為“2019001”的列項，并輸出它們的布爾值列表.

4）利用第3）步輸出的布爾值列表，在所有圖元中進行篩選，通過List.FilterByBoolMask節點篩選出布爾值為“True”的圖元.

5）通過 Element.Override.ColorView節點和Color.ByARGB節點對篩選出的“巡檢批次”為“2019001”的圖元進行著色標記.Color.ByARGB節點通過 alpha、red、green、blue等 4個參數控制圖元顏色，參數值變化范圍為0到255.本文中將篩選出的圖元標記為紅色，并將此模塊組合為一標準化模塊，如圖12所示.

圖12 病害信息展示標準化模塊Fig.12 Disease information display module

6）復制標準模塊，修改“巡檢批次”判斷信息即可復制生成“2019002”“2019003”批次巡檢記錄的篩選程序，利用Code Block模塊對各個標準模塊進行串聯，并統一控制，當需要顯示批次信息時即將Color.ByARGB節點中的參數“r”改為255，若不加以顯示則將參數設置為0，如圖13所示.

圖13 連接模塊Fig.13 Connection module

7）依次修改3個批次在控制模塊中的參數值（由“0”到“255”），即可以知悉裂紋的衍生順序與發展規律，如圖14所示.

圖14 裂紋發展示意Fig.14 Schematic diagram of crack propagation

8）4D病害信息模型展示代碼是模塊化的，隨著橋梁服役時間的增長，巡檢記錄的增加，可以通過復制代碼塊的的方式實現對新增批次4D信息的更新與關聯，即便是沒有編程經驗的橋梁運維管理者，也可以輕松的掌握這種實現方法.

3.4 裂紋病害信息的快速、準確查詢

在Revit環境中創建的每一個圖元都有一個專屬于自己的圖元標識符，我們稱之為Element ID.Element ID 是一個整數，并且模型中的 Element ID總數會隨著模型的成長更新而不斷地增長.圖元在創建時即被賦予ID號，并在全生命周期中保持穩定，這也就意味著橋梁運維信息模型中創建的各種病害圖元在創建之初系統就會為其賦予一個唯一的ID，并伴隨模型終身直至模型被銷毀，這也就為我們在橋梁的全生命周期中對病害信息進行追蹤以及快速查詢提供了可能.

如果橋梁管理者需要快速查找到裂紋圖元，可以根據ID號來對裂紋病害圖元進行搜索定位，并獲取它的病害描述、維修記錄等信息.對ID號為1308548的1# 裂紋圖元進行搜索，如圖15所示，即可快速對裂紋病害進行搜索定位.

圖15 裂紋病害搜索定位示意Fig.15 Schematic diagram of crack search and location

4 結 論

本文以鋼桁梁橋為研究對象，以BIM信息化技術為手段，針對鋼橋全生命周期基本性能，探索了BIM技術在鋼結構橋梁裂紋病害信息管理方面的具體應用方法，得出了如下結論：

1）當前BIM技術在國內外的應用研究主要集中在設計、施工等前期階段，運維階段的研究應用還非常少見，BIM技術在橋梁工程運維階段有著廣闊的研究前景與應用價值.

2）基于Revit平臺，結合可視化編程軟件Dynamo建立了鋼桁梁橋的結構信息模型，證明Revit和Dynamo可以較好地實現復雜鋼桁梁橋的建模工作以及功能二次開發.

3）按照提出的裂紋病害引入機制，引入裂紋病害模塊，可將結構信息模型擴展為運維信息模型，通過可視化編程實現了Excel表格與裂紋圖元、信息的關聯，進而實現裂紋病害信息的可視化及快速、批量更新.

4）引入時間參數，可以將運維信息模型提升為4D模型，實現了裂紋病害信息與三維圖形在時間序列上的動態關聯，4D裂紋病害信息模型的建立，也為后續基于BIM技術橋梁運維管理系統的進一步開發奠定了基礎.