BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

李 萃

（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其融合了計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可以對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時在線的監(jiān)測。隨著建筑技術(shù)水平的提升，建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也顯著增加。比如北京奧運(yùn)會體育館、三峽大壩工程等大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)工程的出現(xiàn)頻率越來越高，但是這些建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)際的使用過程中會受到多種因素的影響，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件出現(xiàn)損傷。比如環(huán)境因素、材料老化、持續(xù)荷載等因素，會使建筑結(jié)構(gòu)的安全隱患不斷增加，如果不及時采取有效的措施，則容易使建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性受到極大影響，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)最早出現(xiàn)在美國，在當(dāng)?shù)卣闹С窒拢珺IM技術(shù)的研究力度得到了加強(qiáng)，隨后在西方歐洲國家開始流行起來。倫敦在建筑的健康管理上強(qiáng)制推進(jìn)了BIM技術(shù)，旨在加強(qiáng)對建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。目前，我國也開始采用BIM技術(shù)來監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，尤其是在大型的建筑結(jié)構(gòu)工程中，BIM技術(shù)應(yīng)用的頻率較高。BIM結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 BIM結(jié)構(gòu)模型

經(jīng)過國內(nèi)數(shù)十年的發(fā)展，BIM技術(shù)在我國的研究規(guī)模不斷擴(kuò)大。如出現(xiàn)了由BIM技術(shù)所延伸的4D虛擬施工與施工交底等相關(guān)技術(shù)，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工等各個階段的技術(shù)性問題分析與掌握也得到了增強(qiáng)。轉(zhuǎn)型時期，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以降低建筑信息模型造價高、培訓(xùn)難度大、建模困難、效率低下等相關(guān)問題，確保增強(qiáng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型的驅(qū)動力。由于BIM技術(shù)在認(rèn)知研究上存在一定的誤區(qū)，也使得該技術(shù)目前在我國的發(fā)展還存在較大的阻礙。受到BIM技術(shù)理念的影響，傳統(tǒng)的建筑作業(yè)方式發(fā)生了較大的變化，而新的組織方式和行業(yè)準(zhǔn)則開始融入建筑設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維中來，繼而能夠從根本上解決項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工運(yùn)營各個階段的信息缺失問題，提高項(xiàng)目生命周期管理的效率。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測指在施工現(xiàn)場借助埋入或者粘貼表面?zhèn)鞲衅鞯姆绞剑瑱z測神經(jīng)系統(tǒng)中是否存在損傷性的結(jié)構(gòu)，將建筑結(jié)構(gòu)中檢測出的損傷報給控制臺，從而增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)健康狀況檢測的效率。構(gòu)成結(jié)構(gòu)健康檢測系統(tǒng)的要素包括數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、報警設(shè)備、監(jiān)控中心。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用在大型的建筑結(jié)構(gòu)中，如大型的橋梁、建筑等。比如在虎門大橋的健康監(jiān)測系統(tǒng)中，可以采用GPS動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測，其中建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)從光纖各個測點(diǎn)傳輸?shù)紾PS接收機(jī)。在監(jiān)測系統(tǒng)處理系統(tǒng)中，圖形工作站和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在數(shù)據(jù)傳輸時可以借助局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。但是由于部分信號線存在老化的問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蚀蠓冉档停Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的精準(zhǔn)性也較低。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使傳感技術(shù)、信號分析技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析理論等開始得到廣泛應(yīng)用，建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容也開始變得更為豐富。通過連續(xù)實(shí)時在線監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)的狀況，有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，從而增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的管理效率。

3 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用的現(xiàn)狀

BIM技術(shù)的核心在于將信息貫穿于建筑全部的生命周期中，通過將建筑物前期建筑施工建造與后期的維護(hù)管理結(jié)合起來，搭載三維模型，可以將建筑施工設(shè)計(jì)中所采集的數(shù)據(jù)上傳到云端數(shù)據(jù)庫，然后再將建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)上傳到BIM平臺上，能夠加快構(gòu)建一套建造期模型共用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

3.1 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可視化

建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的可視化指通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，將原始抽象的監(jiān)測信息分離出來，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到規(guī)律以及能夠進(jìn)行直觀分析的圖像圖表中，從而提高信息交互處理的優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可視化，需要借助現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、三維動畫技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)，從而提高數(shù)據(jù)信息直觀的理解力度，確保各方能夠更好地參與到數(shù)據(jù)信息的共享中來，加強(qiáng)各方的交流溝通，更好地發(fā)揮BIM技術(shù)的作用。BIM建筑的三維結(jié)構(gòu)效果如圖2所示。

圖2 BIM三維效果圖

BIM技術(shù)可視化和協(xié)同化的優(yōu)勢在于能夠有效降低建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測中數(shù)據(jù)信息量大、人工分析數(shù)據(jù)耗時的缺陷，從而提高建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與建筑信息模型應(yīng)用的效率。通過構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與建筑信息模型，從而建立一個現(xiàn)場施工的建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測管理系統(tǒng)，能促進(jìn)建筑生命周期模型的效率提升，實(shí)現(xiàn)建筑模型的可視化動態(tài)監(jiān)測，確保建筑施工現(xiàn)場安全監(jiān)測與預(yù)警效率提升，為搭建建筑機(jī)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警平臺創(chuàng)造良好的條件。

基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的附屬功能模塊包含場景設(shè)置、多媒體設(shè)置、輸出設(shè)置模塊。通過輸出指定點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果，能夠定期獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測報告。通過BIM技術(shù)可以設(shè)置場景模塊，打造二維、三維場景，還能夠借助建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的視頻、語音、文檔資料等來接入現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控視頻畫面信息。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息管理

隨著大型建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)量不斷增多，城市中的高層建筑也越來越多，導(dǎo)致人地關(guān)系緊張。因此，加強(qiáng)對建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測顯得尤為重要。大型建筑結(jié)構(gòu)在健康監(jiān)測中，可以借助傳感器的方式來采集數(shù)據(jù)信號，繼而不斷提高數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的使用效率。當(dāng)前大型建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)庫已經(jīng)無法滿足大型建筑結(jié)構(gòu)的需要。因此，要加強(qiáng)大型數(shù)據(jù)庫的建立和開發(fā)，構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)管理開發(fā)平臺。通過高效處理建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的采集、存儲、查詢和預(yù)警處理。

基于BIM技術(shù)的健康智能監(jiān)測，采用多核學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)的方式，獲取建筑物結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知的信息，并將建筑物結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測的視頻、圖片等進(jìn)行分類，從而提高建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的效率。建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅能有效整合建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測和日常巡查等信息，還能及時監(jiān)測建筑物結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況的影響因素。通過對比建筑物、橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、氣候環(huán)境、材料性能等，結(jié)合相應(yīng)的建筑物結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)行為，建立建筑物結(jié)構(gòu)生命周期態(tài)勢的個性化深度學(xué)習(xí)預(yù)測方法。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系

一旦建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問題，要及時降低對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害，構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測預(yù)警的指標(biāo)體系。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，可以在總結(jié)和歸納以往建筑經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，判斷建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全性，繼而向有關(guān)部門發(fā)出危險緊急信號，減少建筑結(jié)構(gòu)中存在的安全隱患，及時處理建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，減少對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害。建筑預(yù)警管理模塊可以提高對建筑數(shù)據(jù)的監(jiān)測管理，建筑數(shù)據(jù)的預(yù)警管理包括建筑預(yù)警設(shè)置和預(yù)警管理這兩個部分。其中，預(yù)警設(shè)置是通過形狀顯示、顏色高亮顯示等方式聯(lián)動查看預(yù)警數(shù)據(jù)和預(yù)警模型，設(shè)置建筑監(jiān)測的曲線、時間，這樣有利于建筑結(jié)構(gòu)預(yù)警的快速構(gòu)建。通過短信、微信、郵件等傳播形式將建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)警信息及時發(fā)送給現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，及時規(guī)避與防范風(fēng)險。而建筑預(yù)警管理是借助BIM技術(shù)來建立安全預(yù)警管理系統(tǒng)，對建筑結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生的非健康因素進(jìn)行監(jiān)測和分析，及時采取相應(yīng)的防范措施，避免“危險因子”的出現(xiàn)，從而保障工程安全。與此同時，預(yù)警管理系統(tǒng)還可以根據(jù)具體情況，增強(qiáng)預(yù)警設(shè)置內(nèi)容的科學(xué)性和可操作性，定期開展對工作人員的培訓(xùn)教育，增強(qiáng)員工操作預(yù)警系統(tǒng)的水平。

3.4 BIM養(yǎng)護(hù)管理

BIM養(yǎng)護(hù)管理可以對建筑的養(yǎng)護(hù)進(jìn)行實(shí)時動態(tài)的跟蹤管理，將建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)信息、環(huán)境信息、養(yǎng)護(hù)進(jìn)度、養(yǎng)護(hù)工程、養(yǎng)護(hù)資金等信息列入基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，并及時發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)中的病害信息，實(shí)時三維可視化地跟蹤管理，從而促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及建筑結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)檔案的逐漸發(fā)展與完善。BIM養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的病害信息進(jìn)行追溯和跟蹤，自動關(guān)聯(lián)BIM構(gòu)建信息中的內(nèi)容，從而快速和準(zhǔn)確地定位病害所發(fā)現(xiàn)的位置，最終對建筑結(jié)構(gòu)的屬性信息、病害信息、維修記錄等進(jìn)行記錄，便于以后的管理。要通過促進(jìn)建筑工程數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)化，來促進(jìn)橋梁檔案信息的不斷發(fā)展和完善。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅能豐富健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能，還能提高對建筑結(jié)構(gòu)損傷等因素的識別效率。尤其是對規(guī)模龐大、種類豐富的大型建筑結(jié)構(gòu)而言，采用BIM技術(shù)有利于整合建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時掌握建筑結(jié)構(gòu)工程動態(tài)信息狀況，加強(qiáng)對建筑結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測與管理。同時，相關(guān)部門要加快培育優(yōu)秀的BIM技術(shù)應(yīng)用人才，加強(qiáng)對建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的力度，使BIM技術(shù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)高效融合。