基于BIM的橋梁養護監測研究

許威 劉洋

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2清華大學合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

近年來，我國加大了橋梁建設項目投資，開發了新的施工技術，提高了項目施工質量，在竣工驗收階段得到了滿意結果，然而，橋梁投入使用后，因受周圍環境的影響，容易出現裂縫等問題，需要做好養護工作[1]。目前，關于橋梁養護工作的開展，定期檢查橋梁是否出現損壞等問題，根據檢查結果布設養護工作[2]。雖然這種工作部署方式可以降低意外事故發生頻率，但是信息缺乏實時性，且監測技術過低，本文引入BIM技術展開研究。

1 BIM技術在橋梁養護監測中應用的必要性分析

雖然我國已經認識到橋梁養護的重要性，采用人工監測方式挖掘橋梁問題，但是采集到的數據信息不全面，且監測具有周期性，導致數據缺乏實時性，而橋梁一旦出現裂縫等問題，很有可能在未達到下一次監測周期前引發安全事故[3]。因此，當前橋梁監測工作部署可靠性較低，需要引進現代化科學技術加以管理。

BIM技術是建筑領域新推出的一種信息模型，具有較強的周期性、協調性、可視化性，支持建筑全方位監測管理。在實際應用中，利用軟件構建建筑模型，在監測平臺的控制下采集各項指標信息，判斷當前建筑是否發生異常，以便養護工作部署，對于橋梁養護工作的開展幫助較大[4]。因此，BIM技術在橋梁養護監測中應用具有一定必要性。

2 基于BIM技術的橋梁養護監測平臺開發

基于BIM技術的橋梁監測指的是一種對橋梁當前狀態進行檢查的重要技術，利用傳感器采集相關數據，通過數據處理與分析，判斷橋梁各個部位是否發生異常。此項技術的應用涉及到的理論知識有傳感器技術、力學分析、數據傳輸與處理、信號分析、通訊技術、計算機技術等。根據橋梁部位監測需求，搭建系統平臺。

2.1 平臺總體框架結構

橋梁養護監測平臺由傳感器、數據采集、數據傳輸、數據處理、數據信息管理、結構安全評估與預測、預警、監測8部分組成，如圖1所示為平臺總體框架結構。

圖1平臺總體框架結構

圖1 中，傳感器在橋梁環境中發生形變、應變，加速度等數值的變化同樣被錄入到傳感器子系統中，作為橋梁部位基礎數據，由數據采集裝置，收集相關數據，加以預處理后傳輸到數據處理中心，采取二次處理后，根據系統工作狀態，判斷橋梁結構是否安全，如果監測數據中部分數據超出了限定范圍，則認為當前橋梁某部位發生異常，在監測平臺中生成養護策略。

2.2 功能模塊開發

依據監測平臺總體設計方案功能設置不同，將平臺功能劃分為5個模塊，包括傳感器部署與數據采集、數據傳輸與數據處理、信息管理、信息安全評估與預警、監測平臺，分別對這些功能模塊進行設計。

（1）傳感器部署與數據采集

平臺傳感器部分，是對橋梁裂縫情況進行監測，挖掘橋梁結構形變信息。在平臺搭建中，利用BIM技術，模擬橋梁周邊自然環境，構建3D模型，通過調控橋墩、橋臺等重要結構測量點，全面采集信息，連續拍攝靜態結構照片[5]。通過分析兩張相鄰的照片，可以得到精準度較高的判斷結果。這些橋梁實際地理環境對橋梁造成的影響均可以通過傳感器感知，利用數據采集裝置，下達數據采集命令，從而獲取橋梁各部位數據和照片信息，以便橋梁狀態診斷分析。

（2）數據傳輸與數據處理

考慮到橋梁現場與監控中心距離較遠，且野外環境容易造成線路腐蝕，所以，無線傳輸模式是本平臺數據傳輸的首要選擇。本平臺選取GPRSDTU模塊作為無線傳輸裝置，在橋梁監測現場和監控中心分別布設，作為信號發射端和接收端，實現信號無線遠距離傳輸。

關于數據處理，采取信號放大、濾波、數據二次數據等多項環節進行處理，使得數據融合到一起，便于總體評估分析。此環節主要作用是剔除誤差較大數據，提高數據精準度。

（3）信息管理

該模塊將接收到的信息按照類別不同，分為動態數據和基礎數據。前者用于統計橋梁各部位定期檢查數據、日常巡檢數據、結構監測數據等，這些數據都是隨著時間的推移發生變化，按照時間不同記錄信息；后者是對橋梁基本信息進行統計，包括橋梁結構基本信息和地理信息，便于信息安全評估。

（4）信息安全評估與預警

根據橋梁結構安全參數范圍，對當前統計的數據進行評估，判斷橋梁各個部位當前是否發生異常，根據異常等級不同，分別為其打分。對于本平臺，橋梁異常參數越多，則打分越低，以60分為界限。低于60分，認為橋梁結構異常較為嚴重，隨著分數的下降，橋梁發生安全事故的可能性逐漸加大。

為了體現本平臺開發的意義，本平臺還設置了預警模塊，用于發布橋預警信息。關于此部分功能的設計主要分為兩部分。其中一部分為提示功能，設置打分范圍60-80分。當平臺評估分數在此范圍內，則認為橋梁很有可能發生安全事故，且部分結構已經發生異常。另外一部分為警示作用，

（5）監測平臺

該模塊的布設主要用于顯示數據信息、下達橋梁養護工作任務。其中，數據信息顯示功能是借助計算機操控顯示屏，顯示平臺各個模塊相關數據，便于管理員實時查看橋梁信息。而橋梁養護工作任務下達命令的設置，是根據橋梁評估結果，鎖定橋梁結構異常點，通過數據分析，計算所需養護材料類型及用量、養護工具、工作時間等參數，對其進行整理，生成養護工作任務，下發到各個基層，從而更好地開展橋梁養護工作。

3 實踐應用

為了探究本文開發的橋梁養護監測平臺方案的可靠性，本文以滬通長江大橋為例，將其投入到實踐應用中，構建BIM橋梁養護監測結構模型，并觀察測試結果。

3.1 數據傳輸

利用計算機軟件構建如圖2所示的BIM橋梁養護監測結構模型，模擬周圍環境，在橋梁重要部位布設多種傳感器等儀器設備，用于采集橋梁結構信息，通過GPRSDTU模塊傳輸。如果發送端的數據與接收端的數據一致，則認為平臺數據傳輸功能滿足可靠性要求。

圖2 BIM橋梁養護監測結構模型

利用圖2所示的模型對橋梁養護情況進行監測，得到如表1所示的測試結果。

表1 平臺數據傳輸功能測試結果

表1中，以編號為1-3傳感器部署部位為例，觀察橋梁是否出現裂紋。測試結果表明，現場發送端的數據與接收端的數據一致，符合橋梁養護監測數據傳輸要求。另外，2號傳感器采集到的橋結構與病害信息在橋梁養護監測系統界面中的顯示如圖3所示。

圖3 基于BIM橋梁養護監測系統操作界面顯示結果

通過觀察圖3中的系統界面顯示結果可知，本系統能夠監測橋梁養護情況，并生成BIMBIM橋梁養護監測畫面。

3.2 預警管理

本次測試選取4、6、12號傳感器作為測試對象，通過觀察平臺打分、預警狀態、預警位置信息、養護命令下達信息，判斷預警管理功能模塊設計方案的可靠性。如表2所示為平臺預警管理結果。

表2 平臺預警結果

表2中，當打分低于80分，且高于60分，開啟預警提示狀態，能夠鎖定異常橋梁部位，根據具體信息，下達養護命令。當分值低于60分時，開啟預警警示狀態，加大了養護工作量及時效要求。由此推斷，本平臺可以根據橋梁部位狀態，發出預警信號，并下達養護命令，對橋梁養護工作的開展幫助較大。

4 總結

本文圍繞橋梁養護監測問題進行研究，選取BIM技術作為重要工具，開發橋梁養護監測平臺，利用此平臺采集橋梁各個部位狀態信息，根據安全運行范圍進行評估，并生成評估、預警、養護結果。實踐測試結果表明，該平臺能夠實時采集、統計橋梁各個部位狀態信息，生成準確判斷結果、養護指揮命令，可以為橋梁養護監測工作的開展提供可靠性工具。