BIM 與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合技術(shù)在橋梁施工過(guò)程中的應(yīng)用

鄧愛(ài)華

（中交三公局第六工程有限公司，北京 101100）

近年來(lái)隨著信盧化技術(shù)的不斷發(fā)展及在基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用，在提高項(xiàng)目施工速度的同時(shí)降低了施工成本，起到了良好的施工輔助作用。橋梁工程BIM 技術(shù)是新型信盧化技術(shù)，尚處于技術(shù)探索和初步發(fā)展階段，對(duì)于特大橋梁的高質(zhì)量建設(shè)問(wèn)題，還需進(jìn)一步融入云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，推動(dòng)橋梁工程的技術(shù)創(chuàng)新[1]。

BIM 全稱(chēng)是“建筑信盧模型（Building Information Modeling）”，指把1 個(gè)工程項(xiàng)目的所有信盧包括在設(shè)計(jì)過(guò)程、施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程的信盧全部整合到1個(gè)建筑模型，可以使建設(shè)項(xiàng)目的所有參與方在項(xiàng)目從概念產(chǎn)生到完全拆除的整個(gè)生命周期內(nèi)都能夠在模型中操作信盧和在信盧中操作模型，從而從根本上改變從業(yè)人員依靠符號(hào)文字形式圖紙進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的工作方式，實(shí)現(xiàn)在建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)提高工作效率和質(zhì)量，以及減少錯(cuò)誤和風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。而物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）是新一代信盧技術(shù)的重要組成部分，也是“信盧化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中。BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，可直觀地理解為，以基礎(chǔ)設(shè)施為對(duì)象，以先進(jìn)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀器為媒介，以BIM 模型為信盧載體，搭建直觀、完整和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、分類(lèi)、處理、仿真、分析和模擬，可快速評(píng)價(jià)、診斷和預(yù)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)。

一些研究人員利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)針對(duì)橋梁工程進(jìn)行了一系列研究[2-9]。例如：馬白虎等[1]以平塘大橋?yàn)槔瑯?gòu)建了橋梁的BIM 項(xiàng)目管理信盧共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平塘特大橋建設(shè)期的遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)及可視化管理。劉智敏等[2]以塞拉利昂公路項(xiàng)目橋梁作為研究對(duì)象，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行了項(xiàng)目的建模和設(shè)計(jì)檢查等工作，結(jié)果表明BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的可視化展示，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，達(dá)到控制項(xiàng)目成本并縮短工期的目的。鐘康健等[3]采用建筑信盧模型+數(shù)字化+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠有效地提升信盧收集時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)效性和精準(zhǔn)程度，同時(shí)在有效控制施工進(jìn)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)效率提升和資源節(jié)約。王慶賀等[4]建立的BIM 信盧管理平臺(tái)解決了橋梁全生命周期內(nèi)可視化程度低、數(shù)據(jù)信盧整合困難等問(wèn)題，從整體上降低了橋梁項(xiàng)目的安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)了參建方之間的協(xié)同交流，提高了應(yīng)急反應(yīng)速度和效率，驗(yàn)證了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)與BIM技術(shù)之間相輔相成，能夠充分發(fā)揮BIM 的價(jià)值。上述研究表明BIM 與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

基于此，以新疆某橋梁項(xiàng)目為例，建立有限元BIM模型作為理論受力狀態(tài)，通過(guò)先進(jìn)傳感采集技術(shù)，采集橋梁在現(xiàn)澆、預(yù)制、安裝和受力全過(guò)程中的表觀狀態(tài)、幾何狀態(tài)、變形模式及應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，通過(guò)物聯(lián)技術(shù)將各類(lèi)數(shù)據(jù)信盧匯入BIM 平臺(tái)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)掌握實(shí)際中橋梁的質(zhì)量狀態(tài)。

1 工程概況

新疆某公路項(xiàng)目全長(zhǎng)20.621 km。有涵洞、通道合計(jì)61 道；路基填方247.95 萬(wàn)m2，挖方125 m2。特大橋1 座，大橋15 座，中橋8 座，橋梁總長(zhǎng)7.091 km，占路線全長(zhǎng)的34.39%，其中特大橋全長(zhǎng)2 563 m，是項(xiàng)目的控制性工程。項(xiàng)目高墩73 根，預(yù)制梁約2 300 片。由于項(xiàng)目位于新疆天山腹地，地處高寒、高海拔區(qū)域，施工條件惡劣，預(yù)制箱梁數(shù)量大，施工環(huán)境多變，預(yù)制梁的外觀質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸是質(zhì)量管理的重點(diǎn)。此外，項(xiàng)目高墩多，共計(jì)約4 700 m，有效工期短，高峰期30 個(gè)高墩同時(shí)施工，施工質(zhì)量控制困難，施工組織難度大。為解決本項(xiàng)目面臨的巨大挑戰(zhàn)，項(xiàng)目大力推進(jìn)BIM、物聯(lián)網(wǎng)和信盧化等新興技術(shù)的研究。

2 BIM 和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)本項(xiàng)目橋梁施工管理特點(diǎn)，采用BIM、三維掃描和高可靠度應(yīng)力傳感器對(duì)橋梁施工質(zhì)量控制的應(yīng)用進(jìn)行研究，建設(shè)1 套基于物聯(lián)網(wǎng)與BIM 的智慧橋梁全程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取的信盧經(jīng)過(guò)處理傳輸?shù)紹IM 模型中進(jìn)行統(tǒng)一管理。利用BIM 平臺(tái)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整合，以便在惡劣環(huán)境下及時(shí)發(fā)現(xiàn)和調(diào)整橋梁施工質(zhì)量問(wèn)題，降低風(fēng)險(xiǎn)和施工周期。

2.1 BIM 建立

BIM 技術(shù)具有可視化好、協(xié)調(diào)性強(qiáng)和模擬效果好等優(yōu)勢(shì)，可以極大縮短項(xiàng)目周期、降低成本，并且優(yōu)化項(xiàng)目質(zhì)量，逐步成為引領(lǐng)我國(guó)基建行業(yè)發(fā)展建設(shè)的新技術(shù)[10]。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)方案建立精細(xì)的BIM 模型（如圖1 所示），進(jìn)一步地根據(jù)施工方案及設(shè)計(jì)文件建立理論有限元BIM 模型，獲取結(jié)構(gòu)預(yù)期受力狀態(tài)，初步分析橋梁施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。此外，建立BIM 施工綜合評(píng)審及交底機(jī)制，即在BIM 數(shù)據(jù)支撐下，進(jìn)行圖紙、技術(shù)、模型、質(zhì)量和安全進(jìn)度等的全方位綜合評(píng)審，針對(duì)隱患做到提前準(zhǔn)備防范，做到管理前置，提升施工管理品質(zhì)。利用BIM 模型還可以進(jìn)行碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)碰撞沖突等問(wèn)題，及時(shí)反饋并進(jìn)行各專(zhuān)業(yè)間綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化，減少后期現(xiàn)場(chǎng)施工因設(shè)計(jì)問(wèn)題帶來(lái)的返工、停工現(xiàn)象，提高了施工質(zhì)量和施工效率，節(jié)約大量施工和管理成本，為現(xiàn)場(chǎng)施工及管理打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。施工過(guò)程在BIM 模型中添加施工信盧，對(duì)施工過(guò)程質(zhì)量管理及后期項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段的養(yǎng)護(hù)維修都十分重要。

圖1 橋梁BIM 模型

2.2 橋梁構(gòu)件物聯(lián)標(biāo)識(shí)布設(shè)

針對(duì)大批量預(yù)制梁庫(kù)存管理及質(zhì)量信盧跟蹤管理問(wèn)題，現(xiàn)有的二維碼標(biāo)識(shí)有不牢靠、損壞無(wú)法識(shí)別和壽命短等缺點(diǎn)，無(wú)法做到全生命期的信盧儲(chǔ)存，項(xiàng)目引進(jìn)了超高頻RFID 水泥芯片，芯片抗干擾性能強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，澆筑完成后植入砼面下3～5 cm 內(nèi)，采用手持讀寫(xiě)器可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸識(shí)別。在預(yù)制梁場(chǎng)中，對(duì)預(yù)制件生產(chǎn)過(guò)程中植入陶瓷封裝的RFID 超高頻標(biāo)簽，并將生產(chǎn)質(zhì)量參數(shù)和人員設(shè)備等信盧寫(xiě)入到預(yù)制件的植入射頻標(biāo)簽中，以便以后溯源使用。結(jié)合BIM 模型賦予每個(gè)預(yù)制梁唯一的身份標(biāo)識(shí)，并將該唯一的身份標(biāo)識(shí)和相應(yīng)的安裝位置、安裝條件寫(xiě)入預(yù)制件的植入射頻標(biāo)簽中（如圖2 所示），以便進(jìn)行數(shù)字化安裝、建設(shè)，可以減少錯(cuò)存、錯(cuò)放、錯(cuò)誤安裝和施工安全事故的概率，縮短施工周期，并且可以有效削減施工和運(yùn)維成本。此外，通過(guò)該措施可對(duì)每一片梁形成全面、完整和可追溯的數(shù)據(jù)庫(kù)，隨著建設(shè)階段、運(yùn)維階段的不斷累積，可記錄大量包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信盧、材料信盧、施工過(guò)程信盧、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性信盧、損傷病害信盧和養(yǎng)護(hù)維修信盧等，通過(guò)智能分析、大數(shù)據(jù)處理等手段，為橋梁服役壽命期內(nèi)的健康狀態(tài)和承載能力評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 RFID 布設(shè)

2.3 先進(jìn)傳感系統(tǒng)搭建

為了解決傳感器壽命不足、測(cè)量精度不可靠和意外損壞等難題，實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁全壽命周期的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，本項(xiàng)目創(chuàng)新性提出并實(shí)踐了應(yīng)力監(jiān)測(cè)同點(diǎn)預(yù)埋+表貼接力方案。在預(yù)制箱梁澆筑階段，在同一測(cè)點(diǎn)同時(shí)安裝埋入式傳感器和表貼式傳感器，確保在同一點(diǎn)位至少有1 個(gè)傳感器正常工作。當(dāng)內(nèi)部傳感器損壞時(shí)，可以以外部表貼傳感器為基準(zhǔn)進(jìn)一步跟蹤箱梁的絕對(duì)應(yīng)力水平的發(fā)展。

傳感系統(tǒng)安裝截面位置選取在邊跨和中跨的二分之一截面和四分之一截面處。在二分之一截面和四分之一截面處分別在底板的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安置埋入式和表貼式傳感器。四分之一截面處應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線匯集到二分之一截面處，埋入式應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線需要用PVC 管套住，用來(lái)保護(hù)導(dǎo)線。傳感系統(tǒng)示意圖如圖3 所示。

圖3 傳感系統(tǒng)示意圖

2.4 三維激光掃描構(gòu)架

針對(duì)橋梁的不同構(gòu)件和施工方案，主要面向現(xiàn)澆式和預(yù)制式構(gòu)件進(jìn)行三維激光掃描的掃描方案設(shè)計(jì)。對(duì)于如橋墩類(lèi)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，明確現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件對(duì)掃描的影響，研究最優(yōu)的掃描方案和掃描數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸方案。高墩三維掃描圖如圖4 所示。

圖4 高墩三維掃描圖

三維激光掃描的具體實(shí)施流程包括以下步驟：①三維掃描數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中應(yīng)注意控制點(diǎn)和設(shè)站位置。②點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。③點(diǎn)云去噪：根據(jù)點(diǎn)云的特點(diǎn)，去除橋梁構(gòu)件外的噪聲點(diǎn)。主要包括去噪、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等步驟。通過(guò)設(shè)置平滑度、迭代次數(shù)、體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云去噪。通過(guò)按曲率采樣的方式，在不影響曲面重構(gòu)和保證一定精度的情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而提高數(shù)據(jù)處理速度。④構(gòu)建模型和分析變形。基于點(diǎn)云構(gòu)建橋梁模型，根據(jù)點(diǎn)云測(cè)量構(gòu)件幾何尺寸信盧。基于掃描點(diǎn)云擬合平面，以擬合出的平面為參考平面，點(diǎn)云為測(cè)試平面，進(jìn)行3D 對(duì)比分析。通過(guò)色譜圖確定大概偏差范圍，對(duì)偏差較大部分進(jìn)行注釋獲取精確偏差。通過(guò)掃描加載前后橋梁構(gòu)件的點(diǎn)云模型，提取所測(cè)變形面中心線分析形變，評(píng)估形變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

通過(guò)三維激光掃描建模可以獲取：①橋梁幾何變形信盧；②預(yù)制梁、橋墩點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云施工模擬；③預(yù)制梁、橋墩（高墩）點(diǎn)云，獲取表觀狀態(tài)；④預(yù)制梁張拉前后點(diǎn)云；⑤已經(jīng)建成的橋梁的整體點(diǎn)云。實(shí)際工程中，存在惡劣環(huán)境下大體量高墩豎直度控制難度大的問(wèn)題，提出采用三維掃描技術(shù)對(duì)高墩實(shí)體進(jìn)行高效、非接觸及面棱鏡數(shù)據(jù)采集，開(kāi)發(fā)了各類(lèi)型高墩的截面尺寸、中心線和垂直度等重要測(cè)控指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算算法，實(shí)現(xiàn)高墩的截面尺寸、中心線和垂直度的高效、智能和精準(zhǔn)測(cè)控。預(yù)制箱梁模板三維掃描模型如圖5 所示。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最快3 min 掃描+2 min 數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)高墩的快速測(cè)量與糾偏，在大橋10 個(gè)高墩的應(yīng)用實(shí)踐表明該技術(shù)可提升測(cè)量工作效率30%，提高高墩整體線形外觀質(zhì)量控制。此外，項(xiàng)目預(yù)制箱梁約2 300 片，配置整體式液壓箱梁模板8 套，普通模板6 套，模板周轉(zhuǎn)使用次數(shù)較多，后期模板的變形隱患增大，模板的質(zhì)量直接影響箱梁的結(jié)構(gòu)尺寸，項(xiàng)目通過(guò)BIM+三維掃描技術(shù)對(duì)模板的局部及整體變形進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，每周轉(zhuǎn)10 次進(jìn)行1 次數(shù)據(jù)采集并形成檢測(cè)報(bào)告，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，掌握模板變形情況，便于及時(shí)對(duì)模板進(jìn)行加固和整修處理，確保箱梁尺寸滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖5 預(yù)制箱梁模板三維掃描模型

3 效益分析

項(xiàng)目在建設(shè)施工中應(yīng)用BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，首先保證本項(xiàng)目大橋施工中基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程質(zhì)量控制應(yīng)用。同時(shí)，綜合箱梁預(yù)制場(chǎng)及大橋施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度及成本的控制，可節(jié)約100 萬(wàn)元。本課題研究和成果應(yīng)用有助于提升工程建設(shè)實(shí)體和外觀質(zhì)量，并且可提高結(jié)構(gòu)物耐久性，為后期運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提供持續(xù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，節(jié)約運(yùn)營(yíng)檢測(cè)費(fèi)用，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于BIM 與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合技術(shù)的應(yīng)用，以橋梁工程為對(duì)象，以先進(jìn)傳感器、數(shù)據(jù)采集儀器為媒介，以BIM模型為信盧載體，搭建能夠快速、直觀、完整和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄、分類(lèi)、處理、仿真、分析和模擬，可快速評(píng)價(jià)、診斷和預(yù)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)。本項(xiàng)目研究極大地提高了橋梁施工質(zhì)量控制的信盧化水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決橋梁在施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題，可在相關(guān)隧道工程、路基工程和橋涵工程中推廣應(yīng)用。