基于數字孿生的橋梁拆除多維模型

嚴肖鋒， 孫賢斌， 鄒貽權， 莊子婧

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

近年來，我國交通運輸網的運輸壓力與日俱增，眾多公路橋梁在設計壽命周期內的病害劇增，導致了橋梁的安全性、適應性和耐久性等功能已無法滿足正常性能標準；再加上早期較低的建造標準以及缺乏養護意識，加劇了橋梁的病害化[1]。老舊橋梁在結構安全性、實用性及耐久性等各項功能上均難以滿足現代交通發展的新需求[2]，因此，為保障交通運輸的安全暢通，急需盡快將這些老舊橋梁拆除重建。隨著數字化、網絡化和智能化時代的到來以及“智能建造”和《中國建造2035戰略研究》的相繼提出，以大數據、區塊鏈等為代表的一批批新技術相繼問世，它們的發展深刻影響了我們的工作、學習乃至生活，倒逼傳統建造行業走上轉型發展之路，形成了智能化、信息化以及專業化的發展模式[3]。而在智能化升級改造過程中，實務界與學術界紛紛看到數字孿生技術的優勢，它是在數字信息化基礎上延伸形成的新技術，為建造行業的全方位感知，虛擬可視化操作，全面風險管控等提供了新思路。從本質上看，它是借助數字載體，結合物理空間建設虛擬模型，讓現實和虛擬之間形成映射，從而更好地對現實中的人、機、法、環、料等要素或系統狀態的實時感知，并通過承載指令的數據實時反饋到人、機、法、環、料等要素或系統指導其決策。

劉海濤[4]拆除過程采用先進的BIM建模技術，進行空間實體模擬講解，反復論證舊橋拆除的可行性，最大限度地降低施工風險，保證施工安全。黃瑋征等[5]在老橋拆除施工階段運用BIM技術明確了拆除構件的堆放場地，調整浮吊停機位置、明確錨點固定設置、提前做好疏浚工作，進一步論證了施工方案的合理性，降低施工風險，保障施工安全進行。孫士鵬等[6]將BIM技術應用到城市立交拆除工程中，借助BIM技術模擬現場拆除施工情況，確保方案的可實施性，同時將建立的BIM模型，利用Navisworks軟件對項目實施過程進行全過程全空間推演，對機械設備進場線路、吊機站位及吊裝、平板車運梁線路進行優化，對吊裝過程進行碰撞檢查。

綜上分析：上述學者利用數字化技術，解決了一些傳統工程建造過程中的重難點，推進了傳統建造行業向智能化方向發展。但是以上學者的研究，都是從某一點或局部出發，單純的利用數字化建模，或者是運用了數字化的單一功能到實際橋梁拆除施工中，缺少集成應用、系統應用的研究。

結合前人研究所得，引入了橋梁拆除施工的具體案例，結合工程項目的復雜性、信息繁冗特征，根據數字孿生技術，搭建了橋梁智能拆除多維模型，形成了橋梁拆除框架，提出了運行模式和關鍵技術。從數據收集、多維模型建立、數據驅動與融合預測等方面闡述基于數字孿生技術的橋梁智能拆除方法，從而為橋梁拆除工程作業轉型升級提供一些新思路。

1 橋梁拆除對數字孿生的需求

傳統橋梁拆除方法數字化、智能化程度低，且橋梁拆除施工具有涉及主體較多、資源配置復雜、工藝工序繁瑣的特點，導致傳統施工過程中出現全生命周期管理流程割裂、資源未能最大化利用、施工安全難以保障。將數字孿生技術應用于橋梁拆除實際工程中，實現項目信息化管理，數字孿生具有可視化、模擬性、協調性、優化性，可在構建的模型基礎上，實現施工場地預布置模擬、工程量自動統計、交通疏散模擬以及橋梁拆除全過程模擬等，能夠對項目的難重點實時監控，達到橋梁智能拆除的目的。

通過研究總結[7]出橋梁拆除對數字孿生的需求：

1)工程信息共享性需求 現階段工程施工尚未建立統一的信息共享平臺，施工信息傳遞滯后，數據交互受到限制，使得項目施工信息共享不充分。

2)空間碰撞檢查要求 當前的二維圖紙不能全面反映管線、堆場、設備、材料等在整體空間的布局狀態。

3)交通組織動態管理需求 施工期間應盡可能確保交通正常通行，現有的施工交通組織方案以分階段靜態管理為主，交通管理仍按階段性計劃執行，遭遇異常天氣、施工進度等影響，交通組織缺少實時更新與全過程展現。

4)技術交底可視化需求 傳統的技術交底形式單調，施工人員難以通過枯燥的文字說明深入理解施工內容關鍵、重要的施工環節交底資料相對復雜，文檔資料缺乏生動性，不利于施工人員充分了解施工過程中的每處細節，信息傳遞過程的精確性難以確保。

隨著施工工藝的不斷優化以及三維建模仿真能力、軟硬件集成化水平的提高，使得基于數字孿生技術實現橋梁智能拆除成為可能。傳統橋梁拆除模式和智能化橋梁拆除模式對比如表1所示。

表1 傳統橋梁拆除模式和智能化橋梁拆除模式

2 橋梁拆除

2.1 多維模型

根據拆除橋梁項目的特征、屬性，結合國內學者陶飛等人聯合研究的“數字孿生五維模型”[8]提出了本文的研究模型，具體如公式(1)所示。

MBDT=(BPE,EPE,PPE,BVE,EVE,PVE,BSS,BDD,BCN)

(1)

式中：MBDT表示面向橋梁拆除的多維模型；BPE表示橋梁物理實體；EPE表示車載裝備物理實體；PPE表示施工人員物理實體；BVE表示橋梁虛擬模型；EVE表示車載裝備虛擬模型；PVE表示施工人員虛擬模型；BSS表示面向全過程橋梁智能拆除服務；BDD表示與橋梁拆除相關的數據；BCN表示各組成部分的連接。

物理建造實體(PE)是五維模型的構成基礎，對物理建造實體(PE)的準確分析與有效維護是建立MDT的前提[8]。物理實體包含的信息要素眾多，在該框架下BPE的信息主要包含待拆橋梁本身的結構、構件以及橋梁的跨徑、重量等相關信息；EPE主要包含車載裝備的結構組成，使用功能以及承載能力等信息；PPE是施工過程中對施工人員的總概括；除此之外，物理建造實體(PE)還需包括物料、工法、環境等對象的相關要素信息。

虛擬模型(VE)是對物理實體的一一映射，需要與物理實體保持良好的時空一致性，這就需要在模型的建立時，對物理實體的細節層次更加接近。目前在工程領域研究較多且應用廣泛的模型類型主要有BIM模型、有限元模型、點云模型等，虛擬模型不僅包含了物理實體的幾何參數(如形狀、尺寸、功能、位置等)，還包含了物理實體的物理屬性、約束以及特征等重要信息。

橋梁智能拆除服務系統(BSS)具有強大的處理功能，結合現實場景中的需求，通過數據模型、運行算法、仿真實驗等，實現數字孿生內部所需的各項功能性需求；同時又能以應用軟件、客戶端APP以及Web端應用程序等形式為施工管理決策人員提供智能決策服務。

孿生數據服務平臺(BDD)是數字孿生的驅動，數據主要來源包括待拆除橋梁以及施工人員、機械設備、工藝工法、施工環境、物料五大要素，通過實時數據交互反饋，對當前施工狀態進行實時監測，不斷將真實現場施工數據傳遞給服務系統端，利于施工管理決策人員在線實時決策，同時，將決策信息同步反饋給施工現場，便于施工進程安全、流暢進行。

連接模塊(BCN)實現數據交互反饋，是各模塊之間聯系的紐帶，實現現實物理世界與虛擬數字世界的互聯互通。

2.2 拆除框架

結合高速公路跨線橋梁拆除的數據特點和應用要求，本文提出了數字孿生驅動的橋梁拆除應用思路與方案，該框架總體架構布局由橋梁智能拆除服務系統、孿生數據服務平臺、物理實體、虛擬模型和連接模塊構成，如圖1所示。橋梁智能拆除服務系統是直接面向用戶，包含了橋梁及拆除設備數據管理功能、可視化橋梁拆除預警功能、可視化拆除引導功能等，當然，用戶可根據自身需求，開發其他功能模塊。

圖1 基于數字孿生的橋梁智能拆除方法框架

3 實現方法

3.1 拆除運行原理

橋梁數字孿生體的運行需要孿生數據的實時驅動，橋梁物理實體、虛擬橋梁模型和橋梁智能拆除服務系統通過數據進行實時交互、持續優化任務。

1)橋梁數字孿生體的迭代優化過程，是橋梁物理實體與橋梁智能拆除服務系統之間的數據交互過程，數據通過感知系統獲得，感知系統由分布在橋梁物理實體上的各類傳感器組成。當橋梁數字孿生體運行橋梁拆除任務時，橋梁拆除服務系統在孿生數據中調運資源數據(包括施工人員、機械設備、工藝工法流程狀態、施工環境以及物料數據)的驅動下，會自動識別任務內容并匹配到滿足任務要求的初步橋梁拆除方案。并將該方案以指令的方式傳達給物理實體。物理實體根據系統指令進行調整，同時將實時數據不斷反饋給橋梁智能服務系統，反復迭代分析，達到最優拆除要素，從而得到初步橋梁拆除方案。

2)在對橋梁拆除方案的迭代優化過程，也是橋梁數字孿生體中橋梁智能拆除服務系統與虛擬物理實體的交互過程。虛擬物理實體根據初步橋梁拆除方案，結合橋梁孿生數據服務平臺中的歷史數據、實時數據、對橋梁拆除方案進行仿真、預測及優化，并將結果反饋至橋梁智能服務系統，從而對橋梁拆除初步方案進行修正和優化，并反復迭代優化，得到最優結果。基于最終方案生成拆除過程操作指令。

3)對橋梁拆除過程的實時迭代優化過程，也是橋梁數字孿生體中物理實體和虛擬模型的交互過程。在橋梁孿生數據平臺中，經過多次迭代優化后得到最優閾值，在橋梁物理實體與虛擬物理實體交互過程中，將實際數據與最優閾值進行對比，當實際數據接近閾值時，系統會彈窗提示，并讓技術人員做相應的選擇措施(比如：停止正在進行的步驟或對該步驟進行調整)；當實際數據超過閾值時，系統會自動停止當前正在進行的操作，同時彈窗警告。

3.2 拆除關鍵技術

基于數字孿生技術的橋梁智能拆除方法具有很多優勢，如：自動感知、可識別、運算分析、智能決策執行等等。此外，還涉及到物理空間模型的建立，數據信息傳輸分析等，運用到的關鍵技術，以云計算、大數據等為主。值得一提的是，在模型中還增加了復合導航、無人駕駛技術。這些均是傳統拆除方法無法企及的。

1)多維多尺度虛擬建模 在數字孿生框架中，虛擬模型起至關重要的作用，虛擬模型的精細化程度決定了施工信息量的多少，建立精細的虛擬模型才能最大程度保留工程的有效信息，且盡可能的減少信息的冗余和錯誤。虛擬模型需要反映物理實體的幾何尺寸、空間大小、物理形狀、位置關系等信息，橋梁虛擬模型的建立離不開BIM技術，BIM模型的創建又依賴于BIM核心軟件，所以應當選擇合適快速的BIM軟件。當前，國內工程領域的主流BIM軟件包括美國的Bentley系列和Autodesk系列、芬蘭的Tekla、法國的Dassault以及McNeel公司的Rhino軟件。由于橋梁結構的特殊性，參數化軟件對于橋梁虛擬模型的建立是最好的選擇，Revit內置有標準構件族庫，同時還可以根據需要自定義構件族或者創建新的族文件；Rhino具有很好的曲線建模功能，且內置許多插件，是很好的復雜構件和復雜曲線橋梁建模軟件，如圖2為建立的橋梁及車載裝備虛擬模型。

圖2 橋梁及車載裝備虛擬模型

2)感知傳輸與數據識別 整個數字孿生系統體系的基礎是高精度傳感器數據的采集和快速傳輸，監測內力、位移、溫度等多種功能的傳感器，它可以最大程度地還原物理實體系統運行的情況，通過全面、精準及快速布局傳感器，形成一個龐大網格，隨時捕獲物理量信息[9]。對于橋梁拆除工程，本身就具有復雜性和變化性，其物理空間環境變化隨著拆除跟進也會發生復雜性變化。眾所周知，影響工程質量的獨立因素有五大要素、智能感知以及網絡數據識別，其中：數字孿生系統最基礎的數據來源五大要素，通過多種類型、多種功能的傳感器感知要素信息，采集多源異構數據，將其闡述給中央控制系統，為此需要在網絡模型中統一數據接口、通訊協議，并針對不同類型、不同來源的信息進行統一化處理，經過轉換后再進行傳輸，最終將數據傳導至虛擬空間。具體原理參考下圖3所示。

圖3 感知傳輸與數據識別流程

3)數據驅動與輔助決策 數字驅動就是運用最新數據和歷史數據，對模型不斷更新和調整，考慮到系統機理特征、運行數據特征， 找數據驅動和解析模型契合之處，并通過解析模型，結合數據驅動原理，對模型進行補充和優化。在物理實體上分布了很多傳感器，它們采集了很多實體數據，由多數據融合算法，根據橋梁結構所承受的各類工況參數，可以精確預測橋梁及設備受力限值，融合型預測方法的實施流程如圖4所示。

圖4 融合型預測方法的實施流程

3.3 案例應用

基于上述研究方法，以上海某項目為例進行研究。該高架橋接地段因道路改造規劃，需將三跨連續梁拆除，待拆除橋梁截面形式為等截面單箱三室直腹板鋼筋混凝土箱梁，橋面寬18 m，頂板寬度17.7 m，底板寬度為10.4 m，梁高2.2 m。下部結構為整體式鋼筋混凝土基礎，分離式雙柱式橋墩。

1)多維多尺度虛擬建模 選用Rhino軟件對施工現場的外觀進行建模，待拆除橋梁用ANSYS軟件建立，轉化為荷載形式作用在車載裝備(模塊車組+支撐結構)上，得出車載裝備可能出現的所有參數變化。將參數變化模塊化，建立動態可擴展的數字庫，打包封裝程可調用的文件包。通過在WEB端建立可視化的孿生數據平臺，進行橋梁拆除模擬仿真展示。

圖5 WEB端可視化平臺

2)感知傳輸與數據識別 橋梁體量大，拆除過程不可控因素較多，而物聯網技術可對橋梁進行全面感知。物理實體模型、數字孿生虛擬模型、孿生數據服務平臺通過低延遲、高速、高穩定性的HTTP數據傳輸協議以及bluetooth、WIFI等方式，為數據傳輸實現軟硬件保障。

3)數據驅動與輔助決策 通過對該項目橋梁拆除過程建立數字孿生模型，與此同時搭建了安全風險預測控制平臺，實時分析拆除過程的信息，并在平臺上進行可視化展示，分析虛擬模型所存儲以及物理拆除過程實時采集的多源異構數據，實現對吊裝安全風險的實時預測，并對吊裝過程風險演化規律進行分析，在智能安全管理平臺上顯示所收集的拆除多源異構數據以及風險預測結果，實現了對整個拆除過程數據全面獲取并保證了施工過程的安全性。

4 總結

隨著信息化和人工智能時代的到來，橋梁拆除施工必須向著數字化、智能化的方向前進，橋梁拆除智能化不僅能夠提高橋梁拆除施工效率、節約成本，還能更好地進行工地管控，使得橋梁拆除工程向著智慧工地邁進。

1)根據已有研究成果，提出了智能化橋梁拆除多維模型，通過模型生成了拆除框架，結合調研數據和歷史數據，對整個拆除橋梁過程實施閉環管理，及時反饋跟進情況，提高作業質量、效率，減少成本和誤差。今后在大數據集成的環境下，通過高精度的傳感器采集設備，對施工過程的全要素進行感知分析，實現物理實體在虛擬模型中的真實映射。

2)橋梁智能拆除的實現，還需要更多的保障措施，如：完善的理論基礎；先進的軟件條件；優勢的硬件系統等，而本文研究僅從理論體系入手展開研究，分析了數字孿生技術的應用，后續研究將會進一步討論軟件、硬件系統開發以及成本維護的相關內容，以此補充本文研究的不足。

3)傳統橋梁拆除方法數字化、智能化程度低，將數字孿生技術應用于橋梁拆除實際工程中，實現項目信息化管理，數字孿生具有可視化、模擬性、協調性、優化性，可在構建的模型基礎上，實現施工場地預布置模擬、工程量自動統計、交通疏散模擬以及橋梁拆除全過程模擬等，能夠對項目的難重點實時監控，達到橋梁智能拆除的目的。