“數字化＋物聯網技術”理念在智慧橋梁施工與管理中的應用研究

摘要：文章以某市大橋鋼桁架分項工程為例，應用“數字化＋物聯網技術”理念，完成對智慧橋梁施工管理系統設計，搭建智慧橋梁施工物料管理系統整體架構，從設備進出場管理、智能化設備維修保養兩個方面入手，將“數字化＋物聯網技術”理念科學地應用于橋梁工程施工設備智能化管理中。應用效果表明，該系統具有施工物料信息采集準確全面、人工成本低、物料進出場高效、機械設備智能化管理水平高等特點，滿足預期設計標準和要求。

關鍵詞：物聯網；數字化；智慧橋梁；施工；管理

中圖分類號：U449.5

0 引言

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）技術憑借著自身優越性、先進性，被廣泛地應用于橋梁工程領域中，并取得了良好的應用效果。在橋梁工程應用領域中，BIM模型構建和應用可以真實有效地反映出橋梁工程施工信息，施工方借助BIM模型，可以快速查找和提取出所需要的工程施工信息，同時還能將預制構建、施工進度、施工物料等信息直接錄入和存儲至BIM模型中，以實現對工程施工過程的智能化管理［1］。但是，目前，在收集和錄入大量信息數據時，通常采用人工操作模式，導致人工消耗成本較高，同時還降低了數據錄入的準確性和時效性，難以保證BIM模型信息的準確性，甚至還會引發施工安全等問題［2］。為解決以上問題，本文將BIM技術與“數字化+物聯網技術”理念進行有效的結合，完成對新型智慧橋梁施工管理系統的構建和應用，從而實現對施工現場、施工物料、施工設備的智能化、數字化管理，為進一步地提高橋梁工程施工效益提供重要的平臺支持。

1 智慧橋梁施工物料管理系統整體設計

系統整體架構如圖1所示，由圖1可知，整個系統劃分為以下幾個層次：（1）用戶層。用戶層設計目的是更好地識別不同用戶角色類型，并為不同用戶角色設置相應的操作權限。

（2）應用層。用戶借助該應用層可進行一系列操作，如采購計劃管理、庫存計劃管理等。

（3）服務層。服務層將用戶層與數據層進行有效的連接，為用戶提供數據管理、信息編碼等服務體驗［3］。

（4）數據層。利用數據層，可實現對海量數據的收集、處理和存儲，方便相關人員查找和調用數據。

（5）硬件層。在硬件層中，除了配置相應的RFID電子標簽外，還配置RFID讀寫器，為整個系統架構搭建打下堅實的基礎。

2 數字化和物聯網技術在橋梁工程施工設備智能化管理中應用

2.1 設備進出場管理

在進行塔式起重機、門式起重機、物料提升機等施工機械設備進出場過程管理期間，通常需要多個部門協調配合完成對設備信息以及相關人員操作資格的審查，導致人力資源成本不斷增加。同時，設備提供方要將設備年檢合格證以及使用說明書等大量資料提交至項目部，增加項目部管理難度。而數字化和物聯網技術的出現和應用，可以解決以上問題，促使施工機械設備進出場流程變得更加簡單。具體操作為：（1）設備提供方借助RFID電子標簽，提取錄入所整理好的施工設備基本信息；（2）向施工現場輸送和擺放施工設備，利用RFID讀寫器，自動讀取施工設備信息，并將最終讀取結果同步傳輸和發送至系統中；（3）還要提醒相關人員及時檢測和驗收新進場的施工機械設備，當驗收結束后，將最終驗收結果發送和存儲至數據庫中。優化后的機械設備進場流程如圖2所示。

2.2 智能化設備維修保養

當機械設備進入到施工現場后，本文系統會結合該機械設備最近一次維修時間，計算出下一次維修時間，并提醒相關人員在指定的維修時間段內及時維修和保養該設備。將施工機械設備應用數字化和物聯網技術后，方便管理人員借助本文系統實時獲取和了解該設備行駛里程、運載重量、燃油消耗情況等信息，并對設備成本進行智能化、精細化管控，降低不規范使用設備風險。

3 智慧橋梁施工管理系統開發分析

3.1 硬件開發分析

3.1.1 電子標簽選取

材料不同，所選用的RFID電子標簽也不一樣，在管理預制構件等施工物料期間，要優先選用有源RFID電子標簽，該電子標簽在實際工作中，主要采用主動工作方式，可向RFID讀寫器主動發送相關發射信號，可智能化監控預制構件的狀態［4］。吊索、鋼桁架等工程選用有源RFID電子標簽；在管理分布零散、成本低的施工物料期間，要選用超高頻防撞抗金屬MIS3標簽，該電子標簽性價比高，成本低，識別距離較短。不同類型電子標簽對比結果如表1所示。

3.1.2 讀寫器

在本文系統中，主要選用兩種RFID讀寫器。

（1）R2000UHF型號超高頻固定式RFID讀寫器。該讀寫器工作頻率單一，在無外界干擾的情況下，可以實現達100 m以上距離的識別，其存盤峰值速度較高，高達700張/秒。

（2）CJ2603B型號超高頻固定式RFID讀寫器。該讀寫器在無外界干擾的情況下，可以實現20 m以上距離的識別，其存盤峰值速度較低，僅僅為200張/秒。不同型號RFID讀寫器對比結果如表2所示。

3.2 系統軟件開發分析

在進行本文系統軟件開發時，重點搭建OracleRDBMS和VisualStudioCode環境，其中，OracleRDBMS主要用于對工程施工進度數據的存儲；選用VisualStudioCode編程工具、Javascript開發語言、Electron框架，完成系統軟件程序編寫。此外，運用AutodeskRevit2017軟件，完成對橋梁BIM模型構建，為后期訂購合適的預制構件提供重要的依據和參考。此外，在AutodeskRevit2017軟件的應用背景下，可以快速地編制施工進度計劃，促使施工下料操作向智能化、數字化方向不斷發展［5］。

3.3 信息采集系統開發分析

3.3.1 讀寫器對RFID標簽的信息交互流程

在本文系統中，同時選用了如圖3所示的被動式電子標簽。被動信息傳遞流程如下：

（1）程序啟動。借助RFID讀寫器向無線射頻場發送相關查詢請求指令，如果該射頻場中讀寫器支持該請求指令，那么電子標簽即可做出相應的回饋，并標注和識別自身的標簽類型。

（2）選擇標簽。在無線射頻場中，當明確電子標簽類型后，發出選中請求指令，即可成功選中滿足實際使用需求的RFID電子標簽［6］。

（3）相互認證。采用密鑰匹配的方式，驗證所選中的電子標簽是否合法。同時，采用標簽認證的方式，認證RFID讀寫器是否合法，從而實現對電子標簽數據的有效保護。

（4）數據讀寫。RFID讀寫器可實時讀取和修改電子標簽相關數據。

（5）標簽休眠。當某一電子標簽被讀取完后，該電子標簽即可進入到短暫休眠狀態。

（6）繼續讀寫。借助RFID讀寫器重復操作步驟2～5，讀取完所有的電子標簽。

（7）結束讀寫。當電子標簽全部讀取完后，RFID讀寫器即可發出喚醒請求指令，電子標簽讀取操作圓滿結束。

3.3.2 RFID讀寫器模塊

RFID讀寫器模塊含有以下四個模塊：

（1）數據接口模塊。該模塊借助I/O接口，可與傳感器建立良好的通信關系，從而實現對相關數據的正確輸入、處理和打包，并將最終打包結果發送和傳輸至傳感器中。

（2）信息處理模塊。該模塊可以將所讀取的數據信息發送至存盤中，便于其他人員查看和調用［7］。

（3）調制解碼模塊。該模塊可對所接收到的模擬信號進行轉換，使其轉換為滿足信道傳輸需求的數字信號。

（4）射頻通信模塊。該模塊可以借助天線，共享和利用調制編碼信號，確保讀寫器與電子標簽之間建立良好的通信關系。

4 智慧橋梁施工的工程實例

4.1 分項工程概況

某市大橋鋼桁分項工程主要包含以下幾個部分：

（1）主桁架。主桁架在具體設計時，主要選用華倫式結構，含有上弦桿、下弦桿、斜腹桿等部分。

（2）主橫桁架。主橫桁架在具體設計時，主要選用單層桁架結構，含有直腹桿、豎腹桿、上橫梁、下橫梁等部分。

（3）上下平聯。上下平聯在具體設計時，主要選用K形體系，上下平聯含有140個節間。整個工期計劃為100 d。

4.2 智慧橋梁施工管理系統運行

當本文系統軟件成功打開后，用戶從施工方、監理方、材料供應方三種角色類型中，選出相應角色類型，并輸入用戶名和密碼，然后登錄和訪問該系統操作界面。在查看鋼桁架施工物料管理進度偏差情況時，需進入到該系統中。點擊“鋼桁架盡速管理”導航，系統即可將鋼桁架進度情況形象直觀地呈現在用戶面前。鋼桁架進度管理界面如圖4所示。用戶結合該鋼桁架進度情況等信息，可快速分析和查找施工進度偏差原因，并對其進行有效的處理，避免類似不良事件的出現，從而智能化、數字化監控工程鋼構件總體施工流程［8］。

4.3 智慧橋梁施工管理系統潛效益

該系統潛效益如下：

（1）應用BIM技術，省略預拼裝環節，縮短工程施工期限；

（2）運用該系統，可以降低人力資源成本，配備少量的工作人員即可快速、精確地獲取構建信息；

（3）促使施工現場管理變得更加智能化、高效化。應用該系統，不僅可以高效化、可靠化驗收預制構件整個進場過程，還能實現對施工材料原始數據的高效化、精確化獲取和整理。在驗收施工材料進場過程中，應用RFID讀寫器，可以在第一時間內快速獲取和整理多個構件標簽信息，并將所整理好的標簽信息傳輸到該系統中，降低相關人員輸入工作任務量。

5 結語

綜上所述，應用“數字化+物聯網技術”理念所設計的智慧橋梁施工管理系統，可以降低人力資源成本，僅僅配備少量的工作人員，即可智能化獲取和整理構件信息、設備信息。該系統應用優勢如下：

（1）增強現場管理效率。應用該系統可以實現對預制構件進場過程的智能化管控和驗收，還能保證施工數據采集和整理的全面性、高效性，降低管理員的工作任務量。

（2）提高數據信息的可靠性。借助RFID讀寫器，可以對施工數據信息進行直接獲取，保證數據信息獲取的高效性和精確性。

（3）可以高效、精確地查詢施工進度。應用RFID讀寫器進行一次數據采集和整理后，系統數據庫可實時更新，方便管理員全面掌握和管控工程施工進度。另外，結合施工實際情況，該系統可將鋼桁架等施工進度形象直觀地呈現在施工人員面前，方便施工人員及時調整和管控施工偏差。

參考文獻

［1］趙 亮.智慧橋梁施工管理中“數字化+物聯網技術”理念應用［J］.智能建筑與智慧城市，2022（9）：15-17.

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［3］文武松，毛偉琦，陶世峰.新時代橋梁智能建造及智慧服務體系研究［J］.世界橋梁，2022，50（6）：122-127.

［4］曾 遠，古佩勝，盧 俊，等.基于BIM技術的大跨公軌兩用懸索橋施工管理平臺研發與應用［J］.施工技術（中英文），2022，51（11）：37-41.

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［7］吳巨峰，祁江波，方黎君，等.基于BIM的橋梁全生命期管理技術及應用研究［J］.世界橋梁，2020，48（4）：75-80.

［8］張春聲，代希華.基于全生命周期的BIM智慧建管養一體化平臺在超大跨度懸索橋的應用［J］.廣東公路交通，2021，47（3）：25-29.

收稿日期：2024-03-15

作者簡介：陸 維（1984—），工程師，主要從事市政道路施工總包管理工作。