橋梁施工質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)信息模型應(yīng)用

高浩寧，譚玉梅，孟 婕，梁劍輝

西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621000

隨著科技的進步，我國交通運輸行業(yè)高速發(fā)展，其中橋梁建設(shè)舉世矚目，已成為當下“中國制造”的一張名片。但隨著近年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，車流量也不斷增加，大型運輸車逐漸增多，導致橋梁垮塌事故也不斷增加。橋梁垮塌事故發(fā)生的主要原因是缺乏橋梁施工質(zhì)量監(jiān)測，橋梁在施工階段結(jié)構(gòu)所受荷載多變，且梁體逐步加長，梁段撓度逐漸增大，在施工過程中很難做到照圖施工，因此應(yīng)當有效監(jiān)測施工安全以及施工過程中的橋梁應(yīng)力、應(yīng)變以滿足規(guī)范要求，保證施工階段質(zhì)量，提高橋梁耐久性[1]?，F(xiàn)有的橋梁監(jiān)測主要由工作人員手工記錄，后期進行整理分析，這種依賴人工采集、分析、處理數(shù)據(jù)的方法工作量大、效率低下、數(shù)據(jù)未形成體系、不夠直觀，難以達到為橋梁保駕護航的目的[2]。目前，現(xiàn)代化信息技術(shù)以其可視化共享的信息管理模式，可實現(xiàn)全生命周期的工程數(shù)據(jù)信息管理，作為一種信息化管理手段，已成為行業(yè)未來的發(fā)展方向。基于此，文章將傳感器采集的數(shù)據(jù)與信息模型相結(jié)合，將數(shù)據(jù)儲存于信息模型中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動，并提出了一種全新的監(jiān)測系統(tǒng)框架，達到通過信息化管理系統(tǒng)平臺進行數(shù)據(jù)管理的目的，有效指導橋梁施工，提高橋梁施工中的應(yīng)力變化監(jiān)測的精度，保證橋梁的質(zhì)量安全。

1 質(zhì)量監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

目前，對應(yīng)力數(shù)值的處理和分析仍需依靠人工進行，存在計算量大，歷史數(shù)據(jù)不易保存，橋梁安全狀態(tài)反饋不及時、不直觀等問題。因此，文章采用傳感器監(jiān)測橋梁施工過程的應(yīng)力變化，結(jié)合信息模型技術(shù)、SQL Server數(shù)據(jù)庫原理等提出橋梁應(yīng)力自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案。此外，還在Revit的基礎(chǔ)上引入可視化編程工具Dynamo，以實現(xiàn)橋梁模型的快速構(gòu)建及傳感器數(shù)據(jù)與信息模型模型的關(guān)聯(lián)。文章以實際工程為例，對該系統(tǒng)設(shè)計方案進行詳細說明。系統(tǒng)框架流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程框圖

2 模型的建立與輕量化

以某（40＋70＋40）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例。該橋總長為156m，橋?qū)?2m，主梁形式為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為矩形實心墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。為確保該橋的順利施工和工程質(zhì)量，使橋梁施工結(jié)果與設(shè)計要求相吻合，擬在施工過程中對相關(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，以指導施工控制工作。橋梁平面圖如圖2所示。

圖2 橋梁平面圖

基于橋梁信息模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立參數(shù)化橋梁信息模型，可服務(wù)于橋梁全生命周期，為參與橋梁建設(shè)各方提供信息化交流平臺，為實現(xiàn)建設(shè)對象可視化、施工進度控制動態(tài)化、信息數(shù)據(jù)采集智能化提供技術(shù)支持。

然而，由于橋梁具有結(jié)構(gòu)特殊、類型較為多變、構(gòu)件數(shù)量較多且空間要求高等特點，項目初期創(chuàng)建模型工作量大。采取傳統(tǒng)的建模方式去創(chuàng)建模型往往需要花費大量的時間，且不能實現(xiàn)一模多用。模型一旦創(chuàng)建，將很難修改，當設(shè)計出現(xiàn)變更時，需要花費大量時間修改模型。因此，文章運用Dynamo實現(xiàn)橋梁的快速建立，同時利用第三方開發(fā)平臺建立網(wǎng)頁端模型對模型進行輕量化處理，隨時隨地登錄網(wǎng)頁即可查看模型及相關(guān)信息，極大地改善了以往必須依賴專業(yè)軟件才能查看模型的低效率工作模式。輕量化模型網(wǎng)頁端顯示如圖3所示。

圖3 輕量化模型網(wǎng)頁端顯示

3 數(shù)據(jù)庫與模型關(guān)聯(lián)

通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在施工過程中，橋梁應(yīng)力監(jiān)測中振弦式傳感器擁有更加顯著的優(yōu)勢，其更高的準確性、穩(wěn)定性和可依附于結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行長期監(jiān)測以及通過采集儀讀取傳感器數(shù)值等的特點，會極大地提升自動化監(jiān)測水平，降低人工監(jiān)測所帶來的誤差并提高工作效率。

因此，該案例的傳感器采用JMZX-215埋入式混凝土應(yīng)變計及相應(yīng)JMZX-3001綜合測試儀采集系統(tǒng)，結(jié)合自動綜合采集系統(tǒng)實現(xiàn)自動測量，在此基礎(chǔ)上將采集的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)經(jīng)過填補遺漏、平滑噪聲、消除異常等預(yù)處理，分類儲存至計算機終端SQL Server數(shù)據(jù)庫中。隨即再將預(yù)處理的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫模型參數(shù)比對，判斷參數(shù)是否處于正常狀態(tài)。系統(tǒng)將物理傳感器與模型上的虛擬傳感器進行關(guān)聯(lián)，形成對應(yīng)關(guān)系，通過Dynamo程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中物理傳感器數(shù)據(jù)的自動獲取[3]，并與所求得的應(yīng)力閾值進行比較，如超出閾值，則在模型對應(yīng)位置上進行高亮顯示并提示相關(guān)預(yù)警信息。管理人員可根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及可視化模型迅速定位損傷構(gòu)件并采取措施，適當調(diào)整施工方案，及時止損。

4 系統(tǒng)界面設(shè)計

建立基于B/S架構(gòu)的施工信息管理平臺，向用戶提供互聯(lián)網(wǎng)遠程登錄使用的人機交互界面，接受用戶進行有關(guān)數(shù)據(jù)的輸入、輸出、管理和查詢等操作。該平臺有系統(tǒng)設(shè)置、項目信息、應(yīng)用配置、監(jiān)測預(yù)警和歷史報表五大模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊提供用戶授權(quán)與個人信息管理功能；項目信息模塊實現(xiàn)橋梁基礎(chǔ)信息的錄入和初始化工作；應(yīng)用配置模塊主要實現(xiàn)平臺應(yīng)用過程中預(yù)警—決策知識庫、人員權(quán)限以及監(jiān)測管理信息的修改完善；歷史報表是對監(jiān)測結(jié)果以及異常報表進行匯總管理。監(jiān)測預(yù)警是橋梁施工階段質(zhì)量監(jiān)控的核心模塊，該模塊可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示與對比，其基于數(shù)據(jù)動態(tài)集成技術(shù)，通過數(shù)據(jù)接口將監(jiān)測數(shù)據(jù)集成到信息模型上，從動畫維度顯示動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時可以表格和折線圖的方式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，并支持以梁段、時間為條件的自定義篩選功能。監(jiān)測預(yù)警界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測預(yù)警界面圖示

監(jiān)測預(yù)警模塊還基于預(yù)警原理，建立綠、橙、紅三級預(yù)警機制。通過Midas有限元分析軟件，制定相應(yīng)的分級預(yù)警標準。當監(jiān)測到橋梁質(zhì)量數(shù)據(jù)達到預(yù)警值時，平臺會做出預(yù)判和預(yù)警建議，并引發(fā)相應(yīng)構(gòu)件高亮，同時將相關(guān)預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)人員。相關(guān)人員收到預(yù)警信息后，快速糾正施工中的不當操作并解除警報，事后上傳處理結(jié)果信息，以豐富預(yù)警—決策知識庫實現(xiàn)該平臺的自適應(yīng)反饋控制功能。該模塊的預(yù)警功能能及時地發(fā)現(xiàn)并精準定位橋梁施工質(zhì)量問題，為工程建設(shè)的各參與方提供高效、智能的監(jiān)控與管理手段。

5 結(jié)束語

文章針對橋梁施工質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警存在的問題，基于信息模型技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的交互，解決處理海量數(shù)據(jù)的難點，同時進行模型輕量化，提高了模型查看的便捷度，完成了橋梁施工質(zhì)量監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計。該方案可實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程端查看、預(yù)警預(yù)報和任務(wù)下達等功能，并通過系統(tǒng)的自適應(yīng)反饋提高預(yù)警準確性，節(jié)約時間和成本。