三維建模技術在橋梁施工過程監控中的應用

周 坤

（廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著我國基礎交通領域的不斷開發與建設，對大型及特大型橋梁的施工技術提出了更高的要求，橋梁施工的過程監控對于橋梁整體質量以及竣工后的使用壽命均具有重要意義。過程監控的準確性、有效性和及時性是衡量這一體系性能優劣的主要指標。當前我國橋梁施工過程監控系統仍以圖形、報表等二維模式為主，且此過程多為人工干預，對于橋梁施工進度的時空特性而言，無法做到全面、準確、系統的展示。例如在一座公路橋梁的施工過程中，有多個工程部分同時進行，為獲取各施工部分及施工階段的詳細工程數據，應建立一個實時、可視、全局、三維的過程監控場景，使工程進度的時空特性得以體現，因此，以往傳統的報表式二維圖形監控方法將不再適用［1］。報表式二維施工監控流程如圖1所示。

圖1 報表式二維施工監控流程圖

本文將三維建模技術引入到橋梁施工的過程監控系統中，通過對各施工部分節點數據的有效分析，充分掌握當前工程進度，形成直觀的過程監控界面，既有對工程宏觀上的把握，又可詳細地分析每個施工部分的具體細節，并對工程后期的進度進行預測。本文所提出的三維建模技術，對于我國當前橋梁施工過程中的監控系統具有一定的應用價值。

1 系統架構設計

1．1 功能需求分析

橋梁施工過程監控系統中所應用的三維建模技術，通常所體現的工程信息主要包括橋體本身的結構屬性、施工進度信息以及施工周邊的環境狀況三個方面，以上工程參數共同構成了橋梁施工過程中的三維監控系統，在橋體本身的結構屬性中還包含原始的橋梁設計方案、圖紙以及竣工后的維修和養護記錄等，如表1所示。在橋體部分中分為整體結構、局部結構以及質量標準三個參數類別，以整體結構為例，其所包含的工程監控信息主要有施工材料的種類、名稱、數量，具體來說通過文字及圖像等方式進行表達［2］。不同的施工參數對應不同的工程監控信息以及實際的表達方式。

表1 橋梁施工過程監控參數表

1．2 系統架構

為合理滿足上述功能需求，擬采用數據庫將各類三維模型及信息進行存儲，將系統架構分為五個主要部分：人機交互界面；橋梁施工過程監控模塊（三維可視化演示模塊）；信息輸入接口；信息輸出接口以及橋梁施工信息數據庫。為良好地實現對橋梁施工遠程監控的要求，三維建模的整體架構設計成客戶端－服務器模式，客戶端含有三維監控控件、操作界面以及信息錄入等功能模塊，橋梁施工的全部信息部署在服務器端的數據庫中，通過以太網進行連接［3］［4］。

2 系統架構實現方案

2．1 底層信息系統結構

基于三維建模技術的橋梁施工過程監控系統，其實現環境主要為Windows平臺，鑒于建模場景中所分析和處理的數據量巨大，因此，為保證監控系統可以正常工作，管理平臺應選取大型的數據庫，可處理至少10GB以上的數據，本部分設計中擬采用Oracle數據庫及VB系統來作為開發平臺［5］。

2．2 橋梁施工過程監控系統的三維可視化

此部分屬于橋梁施工過程監控的核心模塊，主要通過三維建模技術來實現，其中三維參數的顯示問題需要通過交互界面以及各類接口來完成。過程監控信息的展示前提是三維參數的可視化問題，這其中包括展示以及查詢等環節，三維控件主要實現查詢結果可視化的功能，其余文字、聲音以及圖像等信息則顯示在用戶視圖中，如圖2所示。

圖2 橋梁施工過程監控系統的三維視圖

2．3 交互界面及施工過程監控的實現

為更加直觀地獲取施工過程的三維監控數據結果，使工程各部分的進度和施工細節得以呈現，規定了施工進度三維監控模擬的查詢規則，包括用戶期望獲得的所有工程內容，分別從五個方面進行設計：

（1）查詢橋梁已完工部分的歷史數據；

（2）預制件施工環節的三維模擬分析；

（3）查詢物料使用、分配情況；

（4）查詢施工人員、組織管理人員部署情況；

（5）施工進度、危險點分析以及事故預警三維模擬分析。

以T型梁模板施工的三維監控模擬效果為例，將此部分施工的進度和狀態信息輸入到系統中并進行計算、分析，將模擬結果存儲于數據庫中［6］。T型梁模板三維監控效果模擬如圖3所示。

圖3 三維T型梁模板監控效果模擬示例圖

在施工進度查詢的三維模塊中包括日歷表，用于選擇原始計劃以及實際狀態的施工時段，并包括原始計劃以及實際狀態的查詢模塊，查詢模塊將施工進度的時段轉化為SQL語句，便于橋梁施工過程監控信息的查詢，將查詢結果傳送到施工過程監控的三維控件中，以此來完成施工進度的可視化［7］。

3 工程實例分析

以北海市境內北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工為例，將本文所提出的三維建模技術應用到此大橋的施工過程監控系統中。值得注意的是，在應用本文提出的三維建模技術時，三維模型的輸入以及工程附屬信息的自動關聯是關鍵，如果在不具備三維建模的條件下，也可使用比較權威的、獲業內認可的三維地形模擬軟件來進行計算和分析。而本文所提出的三維監控架構，設計了支持3DS以及DXF等多種格式的三維監控模型，且兼容3DSM以及AutoCAD等軟件，具有良好的用戶體驗和交互模式。北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工過程三維監控系統如圖4所示。

圖4 北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工過程三維監控系統示例圖

基于三維建模技術的北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工過程三維監控系統，設計有多個串行任務處理接口以及一個三維模型輸入模塊，主要實現3DS以及DXF文件的分析、解讀和處理功能，同時將計算結果自動存儲到本地數據庫中，方便用戶的查詢和分析。基于三維建模技術的橋梁施工過程監控系統，在施工的過程管理和工程質量的控制方面，相比于以往傳統的二維報表施工監控模式，具有諸多優勢，如表2所示。

通過表2的詳細對比可知，基于三維建模技術的橋梁施工過程監控系統，在大型、復雜的橋梁工程建設中應用較多，其監控過程具有直觀、準確、施工質量高等諸多優點，但也存在工程造價高、成本大、運行配置要求高等諸多問題，其中還包括三維監控軟件在各部分施工中與設備基礎架構的兼容性問題。

表2 橋梁施工過程監控方式以及優、劣勢對比分析表

4 結語

基于三維建模技術的橋梁施工過程監控系統，其底層信息部分的架構通過穩定性級別較高的數據庫作為基礎支撐，橋梁施工全過程的三維數據以及施工材料、技術人員等工程屬性均部署在數據庫中，而良好的人機交互界面可便于用戶查詢各種數據，并迅速獲得有關橋梁施工過程詳細數據的分析和計算結果，使橋梁施工過程的全貌得以直觀、形象地呈現。本文對橋梁施工的過程監控系統作了深入研究，將三維建模技術應用到此系統架構中，通過分析系統的實際需求來實現橋梁施工中過程監控的三維可視化功能，并通過北海市境內的實際橋梁工程加以論證，證明了所提出的三維建模技術應用到橋梁施工過程監控系統中的可行性，工程應用前景廣闊。