基于BIM的橋梁檢測與安全評估研究

王彩君

(威海市公路事業發展中心,山東 威海 264200)

0 引 言

近年來,基礎交通網不斷完善,公路工程建設規模不斷擴大。橋梁作為公路上的重要構造物,其建設數量也越來越多。但是隨著交通量逐年增長,尤其是重載超載車輛的增加,橋梁結構性能劣化現象更加突出。如果橋梁檢測方法選擇不當,可能導致橋梁安全性評估結果與實際不符,從而帶來一定的安全隱患,嚴重的可能造成巨大的經濟損失和人員傷亡。如何快速科學的檢測橋梁質量,對其安全狀況進行評價是公路管養單位需要解決的重要問題。傳統的橋梁檢測和安全評估是基于二維平面圖紙,存在直觀性較差、多個專業技術人員間的溝通不暢等問題。鑒于此,國內很多學者引入了BIM理念(Building Informnation Modeling)用于橋梁檢測和安全評估,但是BIM技術在我國起步較晚,相關理論不完善,沒有統一的成果來指導橋梁管養[1]。因此,進一步研究BIM技術在橋梁檢測與安全評估中的應用意義重大。

1 BIM技術特點及標準

1.1 BIM技術特點

BIM技術是交通領域和現代計算機技術相結合的一種新型建設理念。BIM技術并不是單純指某一款軟件,而是借助多個BIM軟件將不同專業間的信息集成在一個三維數據模型中,使得工程信息能在項目全壽命周期中傳遞和共享,以便于技術人員做出正確判斷。

BIM技術應用在橋梁檢測和安全評估中具有以下特點[2]:(1)可視化。BIM技術可以對實際橋梁項目進行可視化模擬,即建立三維模型,快速定位橋梁工程各個構件的位置和屬性,使技術人員直觀、準確的判定橋梁安全狀況;(2)信息準確性。在橋梁工程檢測和安全評估項目中,會產生大量工程信息,利用BIM技術可將海量的信息進行篩選、存儲,并實現橋梁模型與數據之間的關系。一旦調整橋梁模型,其儲存的數據也隨之動態更新;(3)協調性。橋梁檢測和安全評估需要多個人員的參數,傳統的溝通交流是借助EXCEL表格、Word文檔、CAD圖紙等,容易出現信息傳遞錯誤,造成較大的人力和物力浪費。而利用BIM三維模型及其儲存的工程信息,可以保證信息的完整性和準確性,大幅促進各專業人員的協調。

1.2 BIM技術標準

大量工程實踐表明,BIM技術在橋梁工程中應用要有統一的數據標準。目前,BIM技術常用標準有IFC標準、IFD標準、IDM標準,不同標準間的相互關系見圖1。

圖1 BIM技術標準間的關系

圖2 橋梁結構三維模型

IFC標準(Industry Foundation Classes)是實體、屬性間的集合,由資源層、核心層、共享層、領域層組成。在橋梁結構管養期間,橋梁檢測信息將按資源層→核心層→共享層→領域層的順序逐層傳遞;IDM(Information Delivery Manual)和IFC標準呈映射關系,其功能是將工程信息整合后傳遞給技術人員。對于橋梁檢測項目中而言,檢測時間和安全評估時間均可借助IDM標準制定;IFD(International Framework forDictionaries)為國際字典框架標準,是項目指定時間和地點基于特定目的的信息集合[3]。

2 BIM技術在橋梁檢測中的具體應用

2.1 橋梁檢測內容

橋梁檢測可以使公路管養部門及主管部門充分了解橋梁運營整體情況,及時發現橋梁病害。根據《公路橋涵養護規范》JTG 5120-2021(以下簡稱《規范》),橋梁檢測內容包括經常性檢查、定期檢查特殊檢查三類。

經常性檢查的任務是確保橋梁功能正常使用,其檢測內容包括橋面是否損壞、伸縮縫是否破損、錐坡和翼墻是否開裂沉陷、交通標志和照明設施等是否完好;定期性檢查以目測為主,現場調查橋梁安全狀況;橋梁結構的特殊檢查則需要借助儀器設備,以明確橋梁病害原因及損害程度,作為橋梁安全評估和加固設計的依據。

2.2 BIM技術具體應用分析

將BIM技術應用在橋梁檢測中,能夠直觀了解到橋梁現狀、橋梁運營期間的各種恒載和活載、病害所在位置等,實現公路橋梁檢測的可視化。

(1)橋梁檢查

橋梁在檢測之前,技術人員要根據設計圖紙、歷史管養數據等制定檢測計劃,并明確檢測重點部位。結合相關研究成果,BIM技術用于橋梁檢查中可劃分為三個階段:預檢查、現場檢查、信息處理。在預檢查階段,技術人員要基于三維建模軟件內置的編碼體系,以構件為基本單元建立橋梁三維模型,且每個橋梁構件都有唯一標識碼(ID)。這樣在查找橋梁任意構件時,只需輸入ID碼,即可彈出該構件相關信息[4]。

在現場檢查階段,BIM技術主要是用于實現定位病害和信息共享兩大功能。

定位病害:因為橋梁結構的隱蔽部位多,某些細小病害可能不會引起技術人員的重視,使得細小病害不斷發育,最終危害橋梁結構的整體安全性。基于橋梁BIM三維模型,可以直觀、全面的展示橋梁結構的病害分布情況。同時,三維模型還能以不同顏色分別標識出不同病害及其嚴重程度。這樣即使是剛接手項目的技術人員,也能迅速定位橋梁檢測的重點和難點,降低技術人員因經驗不足而未能檢測到病害的概率。

信息共享:在橋梁結構檢測任務完成后,技術人員可將原始檢測數據及相關病害照片導入BIM系統中,BIM系統自動整理各種病害信息,并將病害信息儲存在三維模型中。其它人員也可通過BIM系統中的“查詢功能”,快速獲取相關病害信息,實現橋梁病害信息在不同技術人員之間的快速傳遞[5]。

(2)橋梁荷載檢測

公路橋梁檢測試驗包括靜載試驗和動載試驗兩種,傳統的橋梁荷載檢測方案制定要先在CAD平面圖紙上標注傳感器、百分表、加載車輛等的位置,直觀性較差。而利用BIM技術可在橋梁三維模型中直接設定各種檢測所需的信息。

(3)三維可視化

要想實現公路橋梁檢測的三維可視化,需借助無人機傾斜攝影技術拍攝橋梁工程所在區域的地形地貌,并將得到高程線、坐標值(X、Y、Z)等導入到三維BIM模型中。這樣技術人員可以在任意視角下觀看橋梁各構件的信息,并能夠實現飛行模擬功能。

(4)質量、進度、成本管理

BIM技術不僅可以實現橋梁工程的檢測模擬,還可以對橋梁檢測過程中的質量、進度、成本等進行全面控制。

在管理橋梁檢測質量時需從以下三方面著手:①對建立的橋梁三維模型進行全面檢查,確保與實際情況保持一致;②將橋梁檢測關鍵點關聯到三維模型中的相應構件元素上;③根據檢測時間、檢測部位、檢測人員等因素對橋梁病害信息分類歸納,為后續橋梁安全評估提供依據。

BIM技術管理橋梁工程檢測進度的關鍵是合理規劃檢測內容、合理分配檢測資源,減小檢測過程中的各種返工,以免延誤檢測工期。

3 BIM技術在橋梁安全評估中的具體應用

3.1 橋梁安全評估架構及應用優勢

(1)橋梁安全評估架構

目前,公路橋梁安全性評估方法有規范法、層次分析法、模糊綜合分析法、神經網絡法等等,但是上述方法所得到的評估結構受人的主觀因素影響較大。為了解決這一問題,可在橋梁結構安全評估中引入BIM技術,以幫助橋梁管養人員正確認識橋梁病害發育程度。基于BIM技術所建立的橋梁結構安全評估系統如圖3所示。

圖3 橋梁結構安全評估系統

應用該橋梁結構安全評估系統時,病害數據庫和安全缺陷數據分析庫共同形成的專家指導分析庫并不是固定不變,而是隨著橋梁所處環境和新的病害形式的出現動態變化。

(2)應用優勢

評估自動化:公路橋梁構件及病害類型繁多,且檢查頻繁,根據《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21-2011)計算橋梁技術狀況評分時耗費人力、物力較大。雖然有部分公路橋梁檢測單位利用EXCEL編寫了橋梁技術狀況評分計算表格,實現了半自動化,但是仍需手工輸入原始檢測數據,計算效率較慢。而利用BIM技術可實現橋梁安全自動化評估[6]。

評估精準化:傳統的橋梁安全評估方法難以對橋梁構件病害進行具體量化,即使量化也具有很強的主觀性,可能導致同一構件經不同技術人員評估后得到不同的評估結果。而基于BIM技術所建立的橋梁安全評估系統,可以生成某一構件病害的時間軸,展示該病害在運營期間的發展情況,便于分析病害對橋梁結構的影響。同時,一個橋梁構件的病害可能有多個,只用一個指標去評估其安全狀況不是特別科學。利用BIM技術可以全方位、多角度的展示橋梁構件病害,輔助技術人員對橋梁安全性做出精準評估。

3.2 橋梁安全評估程序設計

以MicroStation軟件為平臺運行VBA程序編輯器來設計橋梁安全評估程序。在缺省條件下,VBA的窗體是模態,會阻止用戶與MicroStation平臺交互。為解決這一問題,應以非模態方式來顯示用戶窗體,即將“DoCelllnsartion”代碼放入模塊中,實現評估模塊和BIM模型之間的交互。

(1)初始化文件

在利用BIM技術建立橋梁三維模型前,需在安全評估系統中創建初始文件,輸入待評估橋梁名稱、橋梁結構類型(梁式橋、拱式橋、懸索橋、斜拉橋)、檢測人員、管養單位名稱等信息。

(2)評估內容

以梁式橋為例,從橋面系、上部結構、下部結構三部分開展安全評估,具體內容如表1所示。待所有橋梁部分評估完成后,得到橋梁的總體評分和安全等級。

表1 橋梁安全評估內容

3.3 橋梁安全評估案例分析

(1)工程概況

研究對象為某公路橋梁,其設計速度為80 km/h,設計荷載為公路I級,抗震設防烈度為VI度,可不考慮地震力影響。橋梁主橋長270 m,跨徑組合為(70+130+70)m,上部結構為預應力混凝土連續箱梁,下部結構主墩墩身為雙薄壁空心墩,基礎為鉆孔灌注樁。

(2)橋梁評估結果

橋梁上部結構和下部結構的評估結果。

可知:該橋梁上部結構評分為98.5,結構等級為1級;下部結構評分為98.0分,結構等級為1級;橋面系評分為76.5分,結構等級為3級。由此可知,該橋梁上部結構和下部結構安全性較好,橋面系經多年運營損傷較嚴重,需加強養護管理。

4 結 語

分析了BIM技術特點及其在橋梁檢測、橋梁安全評估中的應用,主要得到以下幾個結論:(1)BIM技術應用在橋梁檢測和安全評估中具有可視化、信息準確性、協調性等優勢,常用建模標準有IFC、IFD、IDM三種;(2)BIM技術用于橋梁檢查中可劃分為預檢查、現場檢查、信息處理三個階段,同時還可模擬橋梁荷載試驗,控制橋梁檢測的質量、進度和成本;(3)基于BIM技術建立橋梁安全評估系統具有評估自動化和評估精準化優勢;(4)橋梁結構安全評估可從橋面系、上部結構、下部結構三部分開展,并將其劃分為1～5級。