基于BIM 技術的無砟軌道健康監測方案應用研究

路宏遙，許玉德

（1. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室, 上海 201804；2. 同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室, 上海 201804）

隨著我國高速鐵路的發展，如何保障無砟軌道在高速列車行駛下的安全性、 適用性和耐久性，是當前高速鐵路建設與養修中備受關注的問題。 無砟軌道作為暴露在自然條件下的層狀混凝土結構，在列車與環境荷載耦合作用下易發生翹曲變形與離縫脫空等病害，影響無砟軌道線路的平順性，危及行車安全[1-2]。 而高速鐵路的維修天窗均為夜間，傳統人工巡檢的方式受到光線條件差與檢查時間短的限制，難以及時發現軌道結構的病害，且對既有病害的發展規律認識難以定量分析。 傳統的周期性維修模式已不能滿足無砟軌道高安全性與精細化維修管理的需要， 搭建無砟軌道健康監測設備，獲得結構實時狀態數據并設置預警指標[3]，有針對性的制定養修計劃與調配維修資源[4]，實現“預防性”狀態修已成為必然要求[5]。

為實現無砟軌道結構的健康監測，需在關鍵位置布置智能傳感器， 通過先進的數據分析手段，結合實時數據對結構的服役狀態進行分析與評估[6]。然而，在夜間天窗條件下，傳感器安裝布點時存在傳感器布設效率低、作業工序不合理等問題，在有限天窗時間內難以完成傳感器的安裝調試。 同時，健康監測所需的傳感器通道數量多[7]，傳統管理模式下難以實現多維監測數據的有效傳遞與整合，對指導養護維修工作的作用有限。 建筑信息模型（building information modeling，BIM） 技術可為鐵路結構的設計[8]、施工[9]與監測提供可視化、信息化的管理手段[10]，應用于無砟軌道結構健康監測體系之中，可實現傳感器布點安裝、監測方案優化，有效地數據集成和綜合管理，實現無砟軌道服役性能的智能化監控[11]。 基于BIM 技術的反饋性與實時性，在數據庫中融入狀態評價算法可對結構服役狀態進行判斷，同時將實時狀態數據反饋至力學分析模型中， 實現無砟軌道全生命周期健康監測體系的構建，充分調配資源實現科學養修[12]。

在鐵道工程領域BIM 技術應用方面，郝蕊等[13]利用GIS-BIM 技術， 構建工程建設環境與三維場景，實現鐵路工程建設項目信息化管理。 王同軍[14]基于BIM 技術提出一種基于工程數據對象的鐵路工程建設協同管理模式。 連茜椰等[15]應用BIM 技術對多專業協同管理， 將既有鐵路車站綜合體改擴建工程施工進度管理進行優化。 在BIM 技術與監測技術結合方面，張宇昕等[16]建立高速鐵路沉降監測BIM 模型， 實現沉降監測點數據可視化分析。 鄭明新等[17]應用BIM 技術搭建框架橋下穿既有鐵路監測平臺， 對監測數據實時分析擬合與變形趨勢預測。 沈勁松等[18]將高速鐵路大橋運營監測系統與BIM 模型結合， 實現結構信息的可視化，分析橋梁實際運營狀態。 趙亞寧等[19]將高鐵連續梁應力監測數據與傳感器模型關聯， 對監測數據實現閾值預警。

現階段BIM 技術在鐵道工程領域上已經開展一系列研究，但是在高速鐵路無砟軌道結構健康監測方面研究尚少，且存在一定的局限性。 一方面，應用BIM 技術未能科學指導軌道健康監測傳感器的布置工作，仍存在工序方法不合理，安裝精度與效率較低的問題，導致在較短的天窗時間內難以順利完成監測布點任務；另一方面，實時監測的數據未能與BIM 模型進行聯動， 缺少有效的病害預警方案，難以滿足日益嚴格的養護維修要求。

本文應用BIM 技術，構建無砟軌道結構健康監測體系，監測數據可通過網絡傳輸至后臺數據庫管理系統。 將實時監測數據與所建立的健康監測BIM模型發生聯動，設置合理預警條件，可進一步完善高速鐵路無砟軌道安全評價標準體系， 科學調配養護維修資源， 實現服役狀態下無砟軌道的科學管理[20]。

1 軌道健康監測需求分析

1.1 無砟軌道病害成因

無砟軌道結構長期暴露于自然環境之中，由于軌道板邊界受到約束作用而不能自由變形，在溫度與列車荷載等耦合作用下， 在軌道板與砂漿層、板間接縫等位置容易產生較大應力與變形，出現離縫或掉塊等結構病害，嚴重影響線路的平順性。

1.2 無砟軌道健康監測需求分析

結合高速鐵路無砟軌道的結構特點和實際養修需求，健康監測內容主要包括：

1） 氣象參數與軌道板溫度場。無砟軌道結構直接暴露于大氣環境中，氣象參數發生變化時，受到約束的無砟軌道結構內部溫度場發生改變，易造成軌道結構開裂與上拱等問題。 對氣象參數的監測采用包含環境溫濕度與風速等指標的氣象站，對無砟軌道結構溫度場監測采用關鍵位置埋入溫度傳感器的方案實現。

2） 關鍵位置位移。 列車與溫度荷載作用下，無砟軌道產生不均勻的伸縮與翹曲變形，直接影響高速鐵路的軌道幾何形位。 為獲得無砟軌道結構變形的關鍵信息，監測內容需包含板端與板中位置軌道板與砂漿層的垂向相對位移，相鄰板間接縫處縱向相對位移等參數。

3） 薄弱位置裂縫擴展。 無砟軌道薄弱位置（如不同層間黏結處、預設夾縫處等）在周期性疲勞荷載作用下，出現局部開裂后將極大影響結構的耐久性，可采用機器視覺的原理對裂縫損傷累積擴展規律進行非接觸式監測。

1.3 健康監測體系架構

為實現軌道結構健康監測目的和需求，監測系統將結合BIM 技術的可視性、模擬性與反饋性等優勢，采用多種傳感器和監測手段對服役狀態下高速鐵路無砟軌道關鍵參數進行監測，對軌道結構的安全性和耐久性進行分析以及預測。 健康監測系統包括：傳感器采集模塊、能源數據傳輸模塊、BIM 模型與數據庫聯動模塊和預警與分析模塊，基本構架如圖1 所示。

圖1 健康監測系統基本構架Fig.1 Basic framework of health monitoring system

2 健康監測方案實現策略

2.1 傳感器布設方案

監測整體結構主要由太陽能供電及管理系統、傳感器采樣節點與底層主控采集及發送系統構成。 通過光伏一體機將太陽能存儲到鋰電池組內，并供給主控系統。 主控系統一方面通過485 總線采集、存儲和發送各個傳感器節點的數據，另一方面管理整個系統的供電， 確保監測系統的長時間在線監測。

1） 氣象參數與軌道板溫度場監測方案。為分析軌道板內的溫度分布情況變化規律，需要分別在板表、板中與板底等位置按照一定間隔布置溫度傳感器。 溫度傳感器可選用接觸式溫度傳感器，將傳感器提前按所需間隔固定，在軌道板上打孔并將傳感器埋入至合適位置，如圖2 所示。 氣象參數的采集可選用小型氣象站，固定安放于測點相鄰位置的安全區內。

圖2 溫度傳感器布置圖Fig.2 Temperature sensors layout

2） 關鍵位置變形監測方案。對板中與板端位置處的垂向相對位移和板間接縫處的縱向位移進行監測時，位移傳感器布置示意圖如圖3 所示，在所監測位置處的軌道板和支撐層位置通過化學錨栓固定位移傳感器，并做好絕緣與防水處理。

圖3 位移傳感器布置示意圖Fig.3 Displacement sensors arrangement

3） 薄弱位置裂縫擴展監測方案。以軌道板與砂漿層之間的裂縫擴展規律為例，采用機器視覺的原理， 根據限界要求在線路外側合適位置安裝攝像頭，并調整攝像頭的焦距，對裂縫擴展規律進行非接觸式監測，布置方案如圖4 所示。

圖4 裂縫擴展監測示意圖Fig.4 Crack propagation monitoring

2.2 BIM 模型與數據庫結合

傳感器安裝布置完成后，對傳感器全面檢查和聯調，確保所采集各通道的數據準確穩定，主控系統進行實時采集存儲并通過4G 網絡傳輸至后臺服務器終端。 結合服役狀態下無砟軌道實際情況，可將所建立無砟軌道BIM 模型與設計、 養護維修歷史資料進行統一集成， 形成高速鐵路無砟軌道運營全周期管理的數字化管理模式。 各崗位技術人員可通過基礎平臺協同工作， 極大提高工作效率。將監測數據與BIM 模型進行結合，工務部門可對各監測數據進行數據查詢和統計分析， 直觀分析軌道結構的薄弱位置與現階段設計狀態， 并對照服役期間不同階段維修要求， 明確最優維修節點與工藝等。

2.3 科學預警與方案優化

在監測數據庫內嵌入統計與預警算法， 實現服役性能關鍵參數的在線監測與預警， 可科學指導工務實際養護維修工作。 通過對監測數據進行統計、分析和處理，實現多源海量檢測數據的整合和集成， 從中提取能輔助后續自動狀態識別與狀態評估的關鍵性數據， 從而實現無砟軌道服役性能的準確判斷。 基于實測數據實現各監測階段BIM 模型的聯動， 直觀展現無砟軌道各位置的實際狀態，可建立符合現場實際的力學分析模型，完善下一階段健康監測所需傳感器布置方案的優化。 基于監測數據設置多層次傷損識別的閾值，實現信息的綜合管理， 為無砟軌道基礎設施的養護維修提供科學指導。

3 健康監測體系功能實現

3.1 傳感器布置實現方案

以CRTSII 型板式無砟軌道為例， 按照設計資料所建立的包含內部精細化配筋的BIM 模型。依次建立鋼軌、扣件系統、軌道板、砂漿層和支承層結構，完成無砟軌道BIM 模型的搭建，如圖5 所示，可為傳感器的布設、數據庫聯動與傷損模型評估等提供精準支撐。

圖5 軌道板內部配筋與三維模型Fig.5 3D model of track slab

3.1.1 傳感器安裝碰撞檢測

無砟軌道結構內部橫、 縱向鋼筋布置復雜，傳感器埋入與固定時需考慮避讓內部鋼筋。 夜間時間布點受到光線條件限制，易出現打孔與內部鋼筋出現沖突的情況，若現場臨時更換布點方案，在有限時間內難以保證傳感器安裝任務。 以軌道板內部埋入溫度傳感器監測方案為例，將所建立BIM 模型與設計、施工資料結合，提前對傳感器安裝所需的空間范圍與軌道板內部鋼筋等進行碰撞檢測， 如圖7所示，可確定傳感器合理的布設位置。

3.1.2 傳感器布點工序優化

由于高鐵線路夜間天窗時間有限，且傳感器走線和工器具安全使用要求嚴格，合理的安裝工序對保證健康監測工作的有效進行意義重大。 為實現健康監測系統的高效安裝，需對傳感器的安裝計劃管理，根據監測布點的實際需求，將安裝布置任務逐級分解至最小工序模塊。 對無砟軌道監測設備安裝中所需的工序進行分類，分別關聯時間維度后可進一步實現進度精細化編制，合理地進行人員的高效調配與工序銜接。

3.1.3 傳感器布置過程模擬

在傳感器現場安裝前，基于所建立BIM 模型可實現傳感器的布置過程模擬，輔助施工人員提前熟知傳感器安裝流程，明確工器具的使用數量，對影響傳感器安裝精度與作業效率的工序進行提前模擬，以縮短布點作業所需的安裝時間，科學有效地指導實際傳感器布置，位移傳感器安裝與采集控制終端固定的施工過程模擬如圖6 所示。

圖6 安裝流程模擬Fig.6 Installation process simulation

3.2 數據庫實現方案

健康監測系統各通道傳感器所采集的數據，經智能化采集終端存儲與初步整合后， 由4G 網絡發送到云端的數據管理系統。 監測數據的預處理在云端完成， 可對數據自動進行分類整理與圖形化展示，實現在本地服務器上對云端數據與信息的管理和查詢。 數據庫管理系統包含無砟軌道結構的測點位置、工況信息與關鍵參數實時信息，可根據當前監測分析結果對BIM 模型進行更新與修正，并提供全面的軌道結構病害信息，獲取無砟軌道的實時數據與狀態準確評估，如圖7 所示。

圖7 數據庫與BIM 模型聯動方案Fig.7 Database and BIM model linkage scheme

3.3 病害預警實現方案

以軌道板與砂漿層之間的離縫傷損為例，根據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》對無砟道床傷損等級進行判定，將評價算法嵌入分析系統中， 根據所監測的離縫寬度判定結構是否處于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級傷損狀態（圖8）。 當監測數據達到傷損預警值時，后臺數據庫以彈窗形式發出相關預警，實現在大量監測數據條件下軌道性能狀態的智能診斷。根據當前軌道結構的傷損狀態，利用監測數據進行損傷分析以及規律預測，實現對結構病害發展規律和傷損狀態的準確把握，科學指導養護維修工作。

圖8 傷損預警方案Fig.8 Early warning scheme of damage

4 系統工程實際應用

基于BIM 技術與結構健康監測技術綜合對無砟軌道全壽命周期管理，應用關鍵監測數據對無砟軌道的服役狀態進行準確評價，系統在實際工程中的應用可針對性制定不同時期運營線路的養護維修方案。

4.1 傳感器現場安裝與調試

無砟軌道結構健康監測系統安裝于華東地區某高速鐵路運營線路， 線路鋪設的軌道結構為縱連的CRTSⅡ型板式無砟軌道。 測點位置光線與網絡信號條件良好， 可滿足數據采集與無線傳輸的基本需求。 利用BIM 技術在交互性與模擬性上的優勢，在傳感器安裝與調試前，對布點計劃充分論證，優化布點工序，實現傳感器位置準確安裝。 相比較于先前傳感器的安裝與調試工作需要安排2～3 個連續天窗時間的要求，現階段僅需用1 個天窗時間即可完成全部安裝工作， 安裝效率提高50%以上。

4.2 數據調用與分析

通過無線傳輸技術將監測數據實時傳輸至服務器終端，實現足不出戶獲取高速鐵路的實時數據并加以分析。基于Dynamo 等軟件進行二次開發，實現軌道板批量健康監測數據與所建立的BIM 模型聯動，可分析對應的監測位置所關注時段內的數據變化規律。 如圖9 所示，在夏季持續高溫期間，一周內軌道板不同位置的位移均隨溫度呈現以日為周期的變化。 健康監測數據可為高鐵工務夏季高溫天氣漲板檢查等作業計劃的編排提供數據支撐，以板中層間離縫位移為例，一周內位移變化范圍為-0.04～1.22 mm，達到Ⅱ級傷損狀態，需列入維修計劃進行全面檢查工作，如圖10 所示，以便科學合理進行養護維修資源調配。

圖9 位移變化規律Fig.9 Variation law of displacement

圖10 不同位置狀態評估Fig.10 Status assessment of different locations

4.3 科學化指導養修工作

健康監測數據管理系統可設置多層次預警指標，實現在非“天窗”時間內及時了解軌道服役狀態，尤其脹板等突發情況時做好防范和準備。 根據所監測的實時數據，所建立的BIM 模型中各位置的溫度和變形等歷史信息自動更新與反饋，實現以現階段軌道板的實際受力及變形狀態為參考，針對性提出符合當前實際的養護維修方案。 在無砟軌道服役使用的全周期中， 不同階段的預警方案及養護維修措施依據無砟軌道的實時狀態進行動態調整，建立更科學的綜合評價指標，基于預防性狀態修的理念為高速鐵路基礎設備的養護維修提供科學指導。

5 結論

本文以高速鐵路無砟軌道結構健康監測體系的設計與應用為研究對象，應用BIM 技術將實時監測數據與模型進行聯動，實現服役狀態下無砟軌道的科學管理，結論如下：

1） 基于BIM 技術實現無砟軌道結構健康監測所需的傳感器布置碰撞檢測、布點工序優化與布點作業全過程模擬，有效提高了天窗時間的傳感器安裝與調試效率。

2） 無砟軌道健康監測數據與所建立BIM 模型進行聯動， 實現關鍵位置處的數據實時調用與分析，將分析方法與評價算法嵌入后臺數據庫管理系統，可實現多層次病害預警功能。

3） 結合無砟軌道關鍵位置服役狀態的實時信息，制定符合當前實際的養護維修方案，可科學調配養護維修資源，實現高速鐵路無砟軌道“預防性”狀態修的要求。