BIM 技術在橋梁監測領域中的應用

馬汝杰，馬文琪，趙慶濤

（山東省交通規劃設計院集團有限公司 全壽命周期BIM 技術應用研究中心，山東 濟南 250101）

引言

橋梁是公路工程的重要節點，在建設期橋梁施工質量是保障項目安全性的關鍵一環，在運維養護期橋梁安全可靠的運營對區域社會經濟穩定發展有著重大作用［1］。為掌握橋梁的施工質量和運營狀態，工程上一般采用橋梁監測設施實時監測橋梁的震動、傾斜程度和變化參數。監測設備收集的數據信息經過數值計算方法的處理分析，可反映橋梁結構的動態變化情況，進而能夠及時發現橋梁施工或橋梁運營過程中可能存在的病害問題，盡早地修復處理［2-4］。

基于BIM 的橋梁監測系統是將數據收集、數據分析、數據傳送、安全評估及預測為一體的監測平臺［5-7］。眾多學者均把研究應用重點放在監測數據基于BIM 的可視化集成、可視化分析表達上，提升了監測系統的動態數據展示效果，但在監測方案的可視化和信息化表達上研究不足。

1 工程概況

新泰至臺兒莊（魯蘇界）公路位于山東省西南地區的泰安新泰市，是山東省“九縱五橫一環七連”高速路網規劃中“縱五”線重要路段，是西部經濟隆起帶戰略布局中對外聯系的重要通道。在該項目施工建設過程中，全過程采用BIM 技術開展精細化管控。建立該項目典型橋梁結構的健康監測系統，實現運維期橋梁狀態的實時監測。針對該項目中可利用的既有橋梁結構，需采用加固措施提高其力學性能和工作性能，同步增設部分監測設備，為橋梁后期養護提供數據支撐。

2 基于BIM 的監測方案可視化表達

2.1 施工過程監測

該項目在施工圖交付時創建了全線（除既有結構）精細化BIM 模型，連續剛構橋梁按懸臂施工節段劃分為最小構件單位并賦予唯一編碼。橋梁施工監測方案要求：箱梁每一節段懸臂施工過程中，需進行4 個工況（掛籃就位立模后、箱梁混凝土澆筑前、箱梁混凝土澆筑后、縱向預應力鋼束張拉后）下的撓度測量和高程控制測量；選定懸臂施工的不利截面，在懸臂段混凝土澆筑后和預應力張拉后進行應力測量。

按施工方案的要求，在精細化BIM 模型上通過放置空間測點的方式可視化表達監控方案，見圖1。空間測點分為標高監測點和應力監測測點，測點坐標表達可為笛卡爾坐標系或經緯度坐標，并通過節段是否施工自動化控制在該工況下應完成的測試內容。

圖1 施工過程監測方案可視化表達

2.2 運維期監測

典型橋梁健康監測系統是在竣工橋梁基礎上，根據運維期的指標需求，現場安裝監測設備實時監控橋梁運營狀態。典型橋梁在運維期利用紅外目標靶、基準靶和撓度傳感器監測動撓度，利用應變傳感器和應變智能采集儀監測動應變，利用溫度傳感器和通用信號智能采集儀監測結構溫度，利用紅外目標靶、基準靶和光電撓度傳感器監測橋墩沉降，利用智能加速度傳感器監測橋梁振動，利用高精度位移傳感器和信號智能采集儀監測新舊梁板協同變形，利用網絡相機捕捉橋面異常狀況。

基于建立的監測設備和橋梁結構三維BIM模型，按照監測設備的現場安裝位置，監測方案動態孿生于橋梁數字化形體之上。監測設備空間位置是基于工程橋梁模型確定，監測設備可作為橋梁構件進行運維期的管理和實時數據對接。以動撓度監測設備為例，說明橋梁運維期監測方案的可視化表達方法，見圖2。

圖2 動撓度監測方案可視化表達

2.3 養護過程監測

既有橋梁伴隨監測可實時監測養護過程中橋梁的工作狀態，養護完成后可作為運營期監測系統組成部分。道路線形在長期運營過程中會發生變化，而橋梁結構也會發生沉降，基于前期竣工設計資料不足以準確表達現狀橋梁結構。伴隨監測方案的可視化表達采用精準空間坐標點放置監測設備見圖3。主體BIM 模型調整相應參數匹配監測設備的位置。

圖3 伴隨監測方案可視化表達

3 基于BIM 的監測信息集成

3.1 數據對接

3.1.1 基于空間測點的數據對接

空間測點的監測方案主要是施工過程監測，需要將構件編碼體系與測點編碼體系對應，通過構件變化驅動測點，集成工況下的測點數據，進而判斷測定值是否符合理論計算的要求。

3.1.2 基于監測設備的數據對接

運維期和養護期伴隨監測均創建了監測設備的精細化BIM 模型，但監測設備的數字化表達一般是在現場安裝設備之前，為保證數字化監測方案與BIM 模型的同步交付，需預先創建監測設備的編碼體系，后期根據現場安裝設備的編碼體系一一映射，進而將現場監測設備的實時數據傳輸到設備BIM 模型上，基于動態數據分析監測設備處的相關指標變化情況。

3.2 業務功能分析

基于BIM+GIS 監測管理平臺，可按施工工況分析當前狀態橋梁線形和受力狀態；可即時動態分析監測過程集成的數據，觀測其變化趨勢和預警值；可查看歷史監測數據，分析病害初始發生的時間，結合現場實際情況分析原因，做出快速響應措施。動撓度監測設備的即時數據和歷史數據集成分析見圖4。

圖4 動撓度監測數據集成分析

4 結語

依托新泰至臺兒莊（魯蘇界）公路探索了BIM技術在橋梁監測中的應用，面向施工過程監測、運維期監測及養護過程伴隨監測的不同監測方案，采用基于橋梁BIM 模型標記測點、數字孿生橋梁BIM監測設施、實測空間坐標匹配設施模型等三種方式實現監測方案的可視化。針對空間測點及監測設備的數據集成問題，提出通過設備編碼與設備數據映射的方法，實現監測數據的可視化表達、動態分析、歷史追溯、預警分析等。BIM 技術在橋梁監測領域的應用，實現了橋梁養護的信息化管理，提升了橋梁結構的監測效率和安全性能，節約了時間與成本，推廣應用價值較大。