基于BIM技術的橋梁健康監測系統研究

趙芳 丁緒聰

摘 要：橋梁安全監測系統可實時掌握橋梁的安全使用狀態、輔助橋梁管養維護，BIM模型可將多元化監測信息直觀展示并反映結構信息，能夠及時發現橋梁結構存在的缺陷與質量衰變，文章通過工程案例表明BIM與橋梁健康監測系統的結合能更加高效的把握橋梁結構的信息，為橋梁全壽命周期管理提供支撐。

關鍵詞：橋梁;健康監測;BIM;橋梁管養

1 橋梁健康監測概述

近年來，隨著國家經濟的快速發展，我國在交通基礎設施方面也在不斷的發展，尤其是橋梁作為交通的咽喉工程，其數量也在不斷的增加[1]。截止到2019年底，我國公路橋梁數量87.83萬座，橋梁安全問題也是越來越突出。橋梁建成后隨著投入運營時間的推移，橋梁各構件將面臨受到各種損傷及內力狀態的改變，相應橋梁的剛度和承載力就會出現不同程度的衰減，這些損傷和內力狀態的改變如果能夠預先獲知并且進行適當的調整、維護、維修就不會危及橋梁結構的運營安全，否則將可能導致災難性事故[2]。隨著計算機、物聯網、傳感器等技術的不斷發展，橋梁安全監測系統逐步的建立起來，可實時掌握橋梁的安全使用狀態、輔助橋梁管養維護[3]。據了解，橋梁安全監測系統在合肥、武漢、佛山等地逐步覆蓋整個城市橋梁，系統在橋梁結構出現安全問題之前能及時預警，并進行安全評估，從而降低橋梁安全風險，減少人民財產損失。

2 BIM模型在橋梁監測中的必要性

如何通過監測得到的多元化信息直觀的展現出橋梁的結構信息，方便管理人員對橋梁進行管理至關重要。BIM即所謂的建筑信息模型，是具有可視化、協調性、全生命周期性的一種管理模式。通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，在這里，信息的內涵不僅僅是幾何形狀描述的視覺信息，還包含大量的非幾何信息，在計算機中建立一座虛擬建筑，一個建筑信息模型就是提供了一個單一的、完整一致的、邏輯的建筑信息庫[4]。BIM的本質是將工程結構數據化，采用三維技術解決二維的局限性，BIM技術作為建筑領域的一種新的建筑信息模型，因其較強的可視化性，以及其在項目管理過程中能否全流程的智能控制、協同工作等優點，逐步的各種工程類項目中應用起來。橋梁安全監測系統一方面需要對橋梁基礎信息進行電子化處理，包括設計、施工、竣工圖紙、維修加固報告及檢測報告。另外一方面，系統涉及到橋梁結構不同位置的各種傳感器，如索力計、應變計、水準儀及加速度計等。數據類型繁多，復雜。如何發現數據及橋梁結構本身的關系，透過大量、繁瑣和多維數據，找出其中隱含的本質問題，幫助使用者理解大量的數據信息，且以可視化的圖像方式讓用戶直觀的感受到數據自己說話，就顯得越來越為重要。

傳統的基于橋梁安全監測的MIS信息管理系統，缺乏對傳感器等設備空間位置、空間關系以及橋梁檢測報告中的病害等信息的表達，橋梁BIM三維模型作為橋梁安全監測系統的重要組成部分，一方面可以進行直觀的三維瀏覽并讀取構件、橋梁病害信息，從而幫助其它非結構專業理解結構圖紙及橋梁結構的問題;另一方面將三維圖形處理技術應用到本系統中，可以使用戶能夠直接通過橋梁三維模型與系統實現交互，大大加強人機交互直觀性[5]。

3 基于BIM技術的橋梁安全監測系統應用案例

合肥生命線橋梁監測項目共在51座橋梁上安裝了健康監測系統，該系統應采用多維度數據分析方法與安全評估方法，能夠及時發現橋梁結構存在的缺陷與質量衰變，并對應建立了BIM模型直觀展示，本文將對此項目進行介紹。

3.1 BIM模型建立

主要建模內容包括橋梁上部結構、下部結構、橋面系、橋梁附屬設施、及橋梁周邊管網等信息。根據橋梁建設圖紙和橋梁現場勘查情況，使用專業三維軟件按照1：1的比例制作三維數據，建立橋梁三維結構模型，如圖3.1所示。并根據橋梁現場實際情況，建設橋梁與公路銜接部位的三維模型，以及橋梁周邊地物的三維模型。通過對橋梁結構及其附屬設施、關鍵部件、傳感器設備進行精細化建模，實現橋梁結構及附屬設施以及監測信息的三維展示，為報警信息快速定位，橋梁全壽命周期管理提供支撐。

3.2 健康監測系統

橋梁結構安全的維護，是需要通過人工巡檢、養護以及橋梁健康系統相互結合來實現的。橋梁健康監測系統應采用多維度數據分析方法與安全評估方法，能夠及時發現橋梁結構存在的缺陷與質量衰變，并評估分析其在所處環境條件下的可能發展勢態及其對結構安全運營造成的可能潛在威脅。當橋梁出現突發事件時，系統可通過監測數據與案例數據庫、知識數據庫的數據關聯，在預案數據庫中匹配相應的處置方案，輔助事件的處置工作。同時，系統應通過監測系統消息機制來輔助橋梁的巡檢養護工作，做到日常橋梁巡檢/養護問題發現到處理的全過程、全壽命周期的閉環跟蹤管理。

橋梁健康監測診斷系統實現橋梁健康狀況的實時監測與診斷，主要由前端感知子系統、數據采集與傳輸子系統、數據處理分析子系統和應用子系統等部分組成。系統主要具有以下功能：

3.2.1 實時監測

根據橋梁常見病害，結合橋梁力學計算分析及有限元模型分析，確定橋梁的安全敏感點（如位移、應力應變最大點等），并采用智能傳感及物聯網技術，實時監測橋梁關鍵部位或截面的結構變形、荷載、環境等安全與健康指標。

3.2.2 預測預警

通過多源信息融合、分析，實現對橋梁安全診斷、超限車輛識別、橋梁事故早期預警等功能，為管理者提供交通管制和橋梁養護的決策依據。

3.2.3 數據分析

針對橋梁關鍵構件和易損部位采集的海量監測信息，通過統計分析、對比分析、趨勢分析、關聯分析、模態參數分析等，深度挖掘橋梁環境荷載作用及結構響應的長期變化規律及其相關關系，為橋梁的日常養護和運營管理提供依據[4]。

3.2.4 安全評估

基于監測數據并結合橋梁養護維修檔案等，利用橋梁結構評估模型，自動提取數據計算分析等，對橋梁安全狀態定期進行評估。

3.2.5 決策支持

針對橋梁出現的結構異常、嚴重超載、車船撞擊等突發事件，系統自動關聯預案、案例、知識、現行的處理規范、以及匹配事件處置相關的機構和人員通訊錄等輔助信息，為橋梁的搶險搶修、交通管制等提供決策依據。

3.3 BIM與監測系統結合案例

對某一座橋2019年第一季度監測數據分析發現，橋梁支座橫向位移長期趨勢異常，如圖3.2，通過BIM模型很直觀的定位到該傳感器在橋梁上的安裝位置，如圖3.3，第一時間現場勘查并聯合管養部門進行處置，利用登高車現場勘查時發現，西側橋墩處，箱梁北端與蓋梁擋塊空隙較大，約6 cm，箱梁南端與蓋梁擋塊空隙處模板未拆除，已經抵死，拆除模板后，測量空隙約2 cm，如圖3.4。該事件從發現數據異常到BIM直觀定位再至最后的快速準確處置，充分體現了橋梁三維模型與系統交互及其作用。

4 總結與展望

BIM技術作為建筑領域的一種新的建筑信息模型，可以進行直觀的三維瀏覽并讀取橋梁信息，并通過橋梁三維模型與系統實現交互，大大加強人機交互直觀性。以合肥橋梁監測工程案例表明，BIM與橋梁健康監測系統的結合能更加高效的把握橋梁結構的異常響應信息，并及時處置。為橋梁的安全預測及養護提供了 一種新思路。未來BIM技術在橋梁健康監測中將向著更加細化和數據化的方向進行，其中橋梁病害的BIM精確展示能將橋梁檢測的結果直觀體現，將作為橋梁健康監測結果的對照，為基于監測數據的結構狀態評估提供依據，基于同時利用BIM強大的數據處理能力，對收集到的數據信息進行處理和分析，實現了橋梁養護的數據化 處理、信息化管理。

參考文獻：

[1]馬繼成.受損鋼筋混凝土梁式橋承載力計算方法研究[D].西安：長安大學，2010.

[2]翁方文，朱浩，鄭建新.大跨斜拉橋全壽命安全監測系統設計[J].天津：中國港灣建設，2017，37（3）：48-52.

[3]許宏亮，唐亮.西堠門大橋及金塘大橋結構運營監測綜合管理系統總體設計[J].公路，2008（9）：354-357.

[4]張泳.建筑信息模型（BIM）的概念框架[J].價值工程，2012，31（8）：33-34.

[5]謝全寧.三維可視化橋梁遠程健康監測系統的設計與實現[D].重慶：重慶大學，2007.