基于BIM 的多塔斜拉橋評估系統研究

許玉和，劉曉劍，黃正榮，汪 濤

[1.中國鐵建投資集團有限公司，北京市519015；2.中鐵建蘇州設計研究院有限公司，江蘇 蘇州215007；3.東南大學，江蘇 南京211189；4.道路交通工程國家級實驗教學示范中心（東南大學），江蘇 南京211189]

0 引 言

隨著城市的發展和交通量的增加，我國的大跨徑橋梁越來越多。大跨度斜拉橋的服役性能一直是國內外研究的重點問題。橋梁在長時間的運營中會不可避免地老化，對于斜拉橋而言，則具體體現在纜索的錨固、松弛、老化、腐蝕等方面的問題上。因此，為了找出并解決這些問題，從經濟因素和時間管理上，基于橋梁的長期使用，健康監測技術便是必不可缺的。而長期以來，受技術及經濟等多方面制約，多數橋梁以人工檢測為主。從長期人工檢測結果、檢測精度與檢測頻率限制來看，現有結構監測頻率維持在以月、年為單位，數量不足以支撐健康監測系統的評估功能。

隨之而來的則是以大橋與特大橋為對象的橋梁健康監測系統（Bridge Health Monitoring System），這種由現代傳感器、通訊技術、環境監測、信息處理、綜合報警等子功能系統組成的綜合監測系統，能夠實現對橋梁長期實時的數據監控，極大彌補了人工監測的缺點。在上世紀八十年代，歐美地區在此方面做出相關成果，通過在大跨徑橋梁上安裝健康監測系統來進行評估。我國在這方面的研究起步較晚，但是發展迅速[1，2]。與此同時，長期監控帶來了新問題，大量數據流引發的信息爆炸，使得數學模型的建立變得困難，為了應對這種局面，信息融合技術便顯得尤為重要，通過對數據自身的相互比對、與人工的相互比對、不同時期的數據比對、數學模型的驗證等手段來提煉大量信息中的有用數據。為了得到統一、準確的監測結果，在明確橋梁規范的前提下，需要借助計算機技術對數據進行分析、綜合、支配，得到一份可靠性較高的評估數據，因此在處理的過程中，對數據進行處理的算法、比對、評估方案的重要性便尤為突出[3]。

對于斜拉橋而言，拉索為關鍵構件，蘭海等[4]以索力變化達到某一固定百分比的狀態來評定拉索的性能，并通過適度指標模型曲線插值分析計算。伍華成等[5]根據變權綜合原理提出了大跨度斜拉橋安全性評估方法，研究表明常規狀態下的常權綜合模式在影響因素眾多時，即使個別索力出現嚴重問題，最終評價結果也不會出現太大變化。隨著信息化的發展，BIM 技術被越來越多的用到結構的設計、施工、管養等方面。齊成龍等[6]采用BIM 平臺對鐵路混合梁斜拉橋的設計方法進行了探究，與傳統的二維設計方法相比，具有較大的優勢。胡娟等[7]通過Bentley 平臺對橋梁的參數化建模以及箱梁施工的線性控制方法進行了研究，并進行了二次開發。

本文以王家河多塔斜拉橋為工程背景，基于BIM平臺探討斜拉橋的評估方法和體系，構建基于多源數據的斜拉橋評估平臺，為橋梁的管理養護提供依據。

1 工程背景

王家河特大橋為一座特大型橋梁，位于銅川市王益區王家河鄉王家河新村北。橋位及橋面標高受路線控制，最大橋高165 m 左右，跨徑布置見圖1，全長2 014.829 m，包括王家河特大橋主、引橋。本工程設計時速100 km/h，雙向4 車道，主橋按整體式斷面設置，橋面全寬29.5 m。

圖1 多塔斜拉橋立面示意圖（單位：cm）

主塔與主梁為固結，橋面以上塔高36 m。塔柱采用實體截面，縱橋向塔柱橋面以上12 m 范圍內為漸變段，寬度由6 m 直線變化至9 m，斜率為1∶8，上塔柱為等截面，寬度為6 m。橫橋向尺寸為3.5 m。從美觀上考慮，主塔四個角設置120 cm×40 cm 倒角，橫橋向設20 cm 深凹槽。

斜拉索性質為中央雙索面，雙排布置在主梁的中央分隔帶處。塔根兩側無索區長度為90 m，中跨無索區長度為28 m，邊跨無索區長23.68 m，梁上索距4.0 m，塔上索距1.2 m。每個索塔設有2×15 對30 根斜拉索，全橋共150 根斜拉索。斜拉索采用單絲涂覆環氧涂層預應力鋼絞線，單股鋼絞線直徑15.2 mm，標準強度1 860 MPa，每根斜拉索規格為43-φs15.2，采用拉索群錨錨固體系。

2 BIM 模型系統平臺

傳統的橋梁管養理念，即利用橋梁自身的健康養護數據進行養護需求性分析、橋梁健康狀態評價和結構性能老化程度的判別，進而有針對性地制定具體的養護計劃。但該方法對于大跨徑的橋梁來說存在較大局限性，特大型多塔斜拉橋需要采用常規養護措施與健康監測系統相結合的方法，及時地對目標橋梁進行監測、養護與維修。

因此，以Autodesk Revit 軟件平臺中的三維信息化模型為依托，利用HTML5、CSS3 和JavaScript 技術搭建網頁框架，開發實現輕量化BIM 模型的網頁端可視化交互與管理。王家河特大橋管養系統平臺主要分為三大功能模塊：查看輕量化模型、在線管養系統和監測評估系統。

其中，查看輕量化模型模塊（見圖2），是指BIM模型在網頁端輕量化后可以實現：動態觀察、平移、縮放、第一視角、相機交互（布滿視圖與滾動）、截面分析（X、Y、Z 三軸截面與框截面）、特性、設置和全屏顯示。

圖2 多塔斜拉橋BIM 模型

在線管養系統模塊分為數據層、模型層、公功能層三個子模塊，便于管理人員高效地開展日常管養工作，并提供將BIM 模型和管養數據導入本地數據庫的功能。

監測評估系統模塊，基于索力的恒載特征值對索力進行評估，根據SHM 索力時程中每個索力數據點索力數值獲取其對應實時評分，用以及時感知多塔斜拉橋結構體系的突發情況。

3 斜拉橋評估體系

3.1 評估標準

目前，國內對大跨徑斜拉橋橋梁技術狀態的評估規范廣泛應用的主要有《公路橋涵養護規范》（JTG

H11—2004）和《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）（下稱“國標”），這兩部規范涵蓋了所有橋型的狀態評估。但針對大跨度斜拉橋而言，該規范指標并不完全適用，且健康監測與養護系統間的融合度明顯不足。江蘇省推行了一套地方標準，《大跨徑懸索橋和斜拉橋養護規范》（DB 32/T 1648—2010）（下稱“地標”），作為該省推薦性的標準輔助評定方法。該地方標準同樣采用層次分析法，其橋梁技術狀態分析模型分為三層，即部位層、構件層及損傷層，見圖3。部位層和構件層的評定結果用0～100 分表示，損傷層的評定結果用0～5 分表示

圖3 斜拉橋綜合技術狀況評定的層次分析模型

綜合技術狀況評定的計算過程與“國標”相仿，都是自下而上的逐層計算。首先是對于損傷層各元素可根據“地標”中的病害狀況表直接查詢每一單項的得分，其結果采用0～5 分制表示。與國標不同的是，除新增部分斜拉橋特有的定性指標外，“地標”中還包括了通過監測數據得到的定量指標。通過判斷監測數據所處的范圍區間來確定監測指標得分。

通過對構件病害得分后，即可對構件層的各構件得分進行計算。對于綜合技術狀況評定，各構件的技術狀況得分Dij的計算公式為：

式中：Rij，k為各病害項的標度（0～5）；Wij，k為構件ij的第k 項的損傷項的權重3.5 μij，k）βij，k；μij，k表示構件ij 的第k 項損傷扣分值與比重的積與該構件各損傷項扣分值與對應比重之積的總和的比值而βij，k為構件ij 的第k 項損傷的評定比重。

部位層各項得分與構件層得分的計算方法不同，它采用了加權綜合法，評定結果根據下式計算：

當計算完成橋面系，結構部件和管養系統的綜合技術狀況的分數后，采用加權綜合法計算全橋綜合技術狀況得分D，計算公式為：

3.2 評估平臺開發

根據“地標”的評定流程，借助Matlab 程序針對“地標”編制橋梁狀態分值的自動評估GUI 程序，并進行封裝，通過混合編程實現在BIM 平臺的直接調用，對橋梁狀態進行評估，界面見圖4。根據橋梁養護報告中具體病害情況與界面中的選項一一對應，并按照評定流程自動打分。界面布局簡單明了，操作簡便，主要包括以下功能：（1）養護巡檢數據的錄入功能；（2）規范評定方法的打分功能；（3）數據的自動報表生成功能。針對“地標”評價標準，直接在輸入構件病害狀況時，將根據不同構件病害程度直接對應病害的扣分標度，用戶可根據實際病害情況直接在下拉菜單中進行選擇。這種方式使界面可以包含更多的評定標準信息，更加便利于不熟悉江蘇省地方標準的用戶操作使用，圖5 為橋面鋪裝病害評定的界面。

圖4 評估系統界面

圖5 橋面鋪裝病害評定

3.3 基于監測數據的狀態評估

斜拉索是斜拉橋最重要的構件之一，而索力是評價斜拉索以及大橋狀態的重要參數，是必須監測的內容，同時斜拉索風致振動監測也是非常重要的。系統采用加速度傳感器連續監測部分索的索力。使用振動法將測得的加速度值計算出頻譜能夠較準確地測量出斜拉索索力，從而達到實時掌握斜拉索的拉力情況，為評估各構件的工作狀況提供依據的目的。

為充分利用監測數據進行狀態評估，可以通過建立索力預測模型提取健康監測數據中的趨勢項，一方面得到結構真實的退化趨勢，可對索力未來發展情況進行預測，另一方面可通過序列指標變化閾值得到單個測點的評價值，進而通過變權分析融合多個測點的評價值得到索力的得分評價值。索力隨時間的變化關系主要受到以下幾方面因素的影響：（1）季節性荷載，如溫度荷載、風荷載等，此因素引起的變化年復一年的重復同一規律變化，具有很強的季節性；（2）車輛荷載，其產生的主要為高頻成分；（3）趨勢變化，結構在長期使用過程中不可避免的發生的趨勢退化。同時交通量的變化也會給結構趨勢帶來影響。綜合以上幾種因素，可以認為索力是一個有趨勢的季節性變化時間序列，本文采用Holt-Winters三次指數平滑法進行預測，從而對索力狀態進行合理評估和預測，見圖6、圖7。

圖6 斜拉索狀態評估

圖7 索力狀態預測

如圖7 所示，本文方法基本可實現對索力變化發展規律的預測，也就能夠較準確的得到索力的變化趨勢，并進一步根據索力變化趨勢預測發展年限對索力狀態進行打分。本文所采用的時間序列分析方法可根據序列長度的增加不斷動態修正計算模型，該索力的發展變化趨勢可由新的數據引入而不斷更新，最終歸納得到完整的變化規律。

4 結 語

本文結合王家河特大橋工程實例，基于BIM 平臺對多塔斜拉橋的評估系統進行了研究，并研發了一套評估體系，研究結論如下：

（1）針對大跨徑斜拉橋的特點，結合BIM 平臺和地方標準，可以建立在線評估系統，為橋梁長期服役性能評估提供支撐。

（2）針對監測數據，引入統計學中指數平滑、非參數性檢驗等方法，可以對索力等關鍵參數進行數據趨勢變化，結合測點的上下限值結合趨勢變化進行打分，并利用變權分析方法得到群測點的整體評估分值。