基于BIM的健康監測系統設計與應用

郝　建　杜中和

(中鐵西南科學研究院有限公司,四川 成都　611730)

1　BIM技術

1.1　BIM的特點

1)可視化。

將未建成的結構通過建模軟件三維模擬，突破了以往平面軟件的點、線、面等幾何元素常規化繪圖方式，提供了一套可視化的思路，增加了結構各構件之間的互動性和反饋性，讓工程項目的各個階段都能在可視化的狀態下進行。

2)信息的完備性。

BIM模型可設定全生命周期的信息化服務方案，如設計階段的結構構造、材料、使用功能等，施工階段的工藝、進度、成本、質量以及人力、機械、材料資源等，運營階段的結構安全性和結構耐久性等。

3)模型信息的優化性。

建筑項目在施工、設計、運營管理等整個階段的信息，都能通過BIM手段進行優化。隨著現代建筑工程項目的復雜程度不斷提高，BIM模型可以提供建筑物的全方位信息并對這些信息進行綜合分析提供最科學合理的優化方案。

4)工作協同性。

BIM技術是提高工程管理效率及工程質量的重要保障工具和手段。在設計階段，BIM模型可對結構施工前期進行碰撞檢測，找出問題并加以解決；在施工和運營階段，BIM技術可為設計方、施工方、監理方、業主等提供詳盡資料和解決方案，便于各參建方信息的交互和交流，促進工作的協同進行。

1.2　BIM軟件介紹

BIM的實現要基于三維數字化技術，利用BIM相關軟件來創建整個建筑物的所有信息。BIM軟件是以信息化技術為基礎，用三維立體模型方式來體現結構構件信息的定義、利用與管理，并實現信息傳遞作用。因為BIM技術的應用包含整個建筑生命周期，從而在整個BIM分析過程中可渉及到多種類型的軟件。要發揮BIM的價值，需要結合各種軟件的特點和優勢，采用適合功能需要的軟件類型。按照BIM的功能可將BIM軟件分為3D模型創建軟件和模型整合、分析軟件等，具體種類如表1所示。

2　基于BIM的橋梁健康監測系統的設計

2.1　依托工程介紹

依托項目為成都市某橋，為弧形獨搭單索面斜拉橋，橋長215 m，橋寬31 m，跨徑布置為130 m+57 m+28 m。主橋橋塔側面為“人”字形獨塔體系，分為主塔和副塔兩部分，采用預應力混凝土結構，橋面以上塔高72.7 m，橋塔總高度為89.5 m，索塔基礎采用群樁基礎。主梁為鋼箱梁+預應力混凝土箱形梁，主跨為鋼箱梁，按正交異性板設計，為單箱5室結構，邊跨為預應力混凝土箱形梁，混凝土梁體采用三向預應力，為單箱4室結構，兩者之間設2 m的鋼—混凝土結合段。

表1　BIM軟件分類

2.2　系統總體框架設計

在綜合國內外橋梁管理系統先進理念、成功經驗及發展趨勢的基礎上，依托國家電子政務總體框架，充分借鑒云計算、物聯網、大數據、建筑信息模型(BIM)等先進技術，按照系統的六個層次結構：采集層、系統層、數據層、支撐層、業務層、展示層進行設計，系統建立在完善的標準規范體系和信息安全體系基礎上。系統邏輯上的分層設計可以大大加快開發效率，提高系統的可靠性、安全性和可擴展性，同時也便于日后的維護和升級，系統總體架構圖見圖1。

3　各子系統設計

3.1　數據自動化采集與遠程傳輸子系統

通過采集設備或調理器將傳感器端傳過來的模擬量信號進行模擬—數字轉換(A/D)，將采集到的電信號轉換成計算機可識別的數字信號并通過有線或無線網絡遠程輸送到監測中心。

按照信號輸入方式和監測的物理量不同，目前國內外傳感設備輸出信號主要有模擬信號、數字信號和光信號三種，各廠家也提供與其傳感設備配套的采集與傳輸軟件，配套軟件能實現基礎的數據采集與傳輸功能，見表2。

表2　數據采集與傳輸軟件功能設計

3.2　數據管理與儲存子系統

橋梁健康監測將產生海量監測數據。因此，需基于數據中心計算機設備和相應的數據管理和數據庫軟件，搭建中央數據庫，有效管理和儲存橋梁群運行期海量監測數據。數據管理應保證數據的共享性、數據結構的整體性、有效性、安全性及后期查詢快捷性。

數據管理是通過建立系統數據庫來實現的。系統數據庫建立在數據庫服務器上，由數據庫服務器來運行和管理整個系統數據庫，其具體功能設計如表3所示。

表3　數據管理與存儲功能設計

3.3　橋梁健康監測BIM可視化設計

根據系統功能要求，橋梁健康監測BIM可視化設計劃為三大功能模塊，分別是：結構狀態監測模塊、監測數據查詢模塊、系統管理模塊。

各模塊的功能描述及對應功能點如下所示：

1)結構狀態監測模塊。

結構狀態監測模塊的主要應用功能如表4所示。

2)監測數據查詢模塊。

監測數據查詢模塊的主要應用功能如表5所示。

3)系統管理模塊。

系統管理模塊的主要應用功能如表6所示。

表4　結構狀態監測模塊功能描述

表5　監測數據查詢模塊功能描述

表6　系統管理模塊功能描述

4　結語

BIM技術以其信息化、可視化和集成化等優勢，近年來在土木工程設計、施工、運營維護等全生命周期內得到越來越廣泛的應用，但在橋梁工程特別是橋梁監測中的應用還有很大的空白。為了更好的推廣BIM技術在橋梁工程中的應用，促進橋梁工程的信息化運營管理以及橋梁監測的可視化管理，急需研究如何借助BIM技術平臺的可視化和信息化優勢來完善BIM技術在橋梁工程中的應用與發展，促進橋梁監測工作的可視化進程。針對實際工程探討了BIM技術在橋梁監測可視化應用中的可能性，提出了一種利用BIM技術實現橋梁監測數據可視化和信息反饋的方式。