BIM 技術(shù)在橋梁監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用

馬汝杰，馬文琪，趙慶濤

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 全壽命周期BIM 技術(shù)應(yīng)用研究中心，山東 濟(jì)南 250101）

引言

橋梁是公路工程的重要節(jié)點(diǎn)，在建設(shè)期橋梁施工質(zhì)量是保障項(xiàng)目安全性的關(guān)鍵一環(huán)，在運(yùn)維養(yǎng)護(hù)期橋梁安全可靠的運(yùn)營對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展有著重大作用［1］。為掌握橋梁的施工質(zhì)量和運(yùn)營狀態(tài)，工程上一般采用橋梁監(jiān)測設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的震動(dòng)、傾斜程度和變化參數(shù)。監(jiān)測設(shè)備收集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過數(shù)值計(jì)算方法的處理分析，可反映橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化情況，進(jìn)而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁施工或橋梁運(yùn)營過程中可能存在的病害問題，盡早地修復(fù)處理［2-4］。

基于BIM 的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳送、安全評(píng)估及預(yù)測為一體的監(jiān)測平臺(tái)［5-7］。眾多學(xué)者均把研究應(yīng)用重點(diǎn)放在監(jiān)測數(shù)據(jù)基于BIM 的可視化集成、可視化分析表達(dá)上，提升了監(jiān)測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)展示效果，但在監(jiān)測方案的可視化和信息化表達(dá)上研究不足。

1 工程概況

新泰至臺(tái)兒莊（魯蘇界）公路位于山東省西南地區(qū)的泰安新泰市，是山東省“九縱五橫一環(huán)七連”高速路網(wǎng)規(guī)劃中“縱五”線重要路段，是西部經(jīng)濟(jì)隆起帶戰(zhàn)略布局中對(duì)外聯(lián)系的重要通道。在該項(xiàng)目施工建設(shè)過程中，全過程采用BIM 技術(shù)開展精細(xì)化管控。建立該項(xiàng)目典型橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維期橋梁狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。針對(duì)該項(xiàng)目中可利用的既有橋梁結(jié)構(gòu)，需采用加固措施提高其力學(xué)性能和工作性能，同步增設(shè)部分監(jiān)測設(shè)備，為橋梁后期養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

2 基于BIM 的監(jiān)測方案可視化表達(dá)

2.1 施工過程監(jiān)測

該項(xiàng)目在施工圖交付時(shí)創(chuàng)建了全線（除既有結(jié)構(gòu)）精細(xì)化BIM 模型，連續(xù)剛構(gòu)橋梁按懸臂施工節(jié)段劃分為最小構(gòu)件單位并賦予唯一編碼。橋梁施工監(jiān)測方案要求：箱梁每一節(jié)段懸臂施工過程中，需進(jìn)行4 個(gè)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力張拉后進(jìn)行應(yīng)力測量。

按施工方案的要求，在精細(xì)化BIM 模型上通過放置空間測點(diǎn)的方式可視化表達(dá)監(jiān)控方案，見圖1。空間測點(diǎn)分為標(biāo)高監(jiān)測點(diǎn)和應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)，測點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)可為笛卡爾坐標(biāo)系或經(jīng)緯度坐標(biāo)，并通過節(jié)段是否施工自動(dòng)化控制在該工況下應(yīng)完成的測試內(nèi)容。

圖1 施工過程監(jiān)測方案可視化表達(dá)

2.2 運(yùn)維期監(jiān)測

典型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是在竣工橋梁基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)維期的指標(biāo)需求，現(xiàn)場安裝監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控橋梁運(yùn)營狀態(tài)。典型橋梁在運(yùn)維期利用紅外目標(biāo)靶、基準(zhǔn)靶和撓度傳感器監(jiān)測動(dòng)撓度，利用應(yīng)變傳感器和應(yīng)變智能采集儀監(jiān)測動(dòng)應(yīng)變，利用溫度傳感器和通用信號(hào)智能采集儀監(jiān)測結(jié)構(gòu)溫度，利用紅外目標(biāo)靶、基準(zhǔn)靶和光電撓度傳感器監(jiān)測橋墩沉降，利用智能加速度傳感器監(jiān)測橋梁振動(dòng)，利用高精度位移傳感器和信號(hào)智能采集儀監(jiān)測新舊梁板協(xié)同變形，利用網(wǎng)絡(luò)相機(jī)捕捉橋面異常狀況。

基于建立的監(jiān)測設(shè)備和橋梁結(jié)構(gòu)三維BIM模型，按照監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場安裝位置，監(jiān)測方案動(dòng)態(tài)孿生于橋梁數(shù)字化形體之上。監(jiān)測設(shè)備空間位置是基于工程橋梁模型確定，監(jiān)測設(shè)備可作為橋梁構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)維期的管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)接。以動(dòng)撓度監(jiān)測設(shè)備為例，說明橋梁運(yùn)維期監(jiān)測方案的可視化表達(dá)方法，見圖2。

圖2 動(dòng)撓度監(jiān)測方案可視化表達(dá)

2.3 養(yǎng)護(hù)過程監(jiān)測

既有橋梁伴隨監(jiān)測可實(shí)時(shí)監(jiān)測養(yǎng)護(hù)過程中橋梁的工作狀態(tài)，養(yǎng)護(hù)完成后可作為運(yùn)營期監(jiān)測系統(tǒng)組成部分。道路線形在長期運(yùn)營過程中會(huì)發(fā)生變化，而橋梁結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生沉降，基于前期竣工設(shè)計(jì)資料不足以準(zhǔn)確表達(dá)現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)。伴隨監(jiān)測方案的可視化表達(dá)采用精準(zhǔn)空間坐標(biāo)點(diǎn)放置監(jiān)測設(shè)備見圖3。主體BIM 模型調(diào)整相應(yīng)參數(shù)匹配監(jiān)測設(shè)備的位置。

圖3 伴隨監(jiān)測方案可視化表達(dá)

3 基于BIM 的監(jiān)測信息集成

3.1 數(shù)據(jù)對(duì)接

3.1.1 基于空間測點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)接

空間測點(diǎn)的監(jiān)測方案主要是施工過程監(jiān)測，需要將構(gòu)件編碼體系與測點(diǎn)編碼體系對(duì)應(yīng)，通過構(gòu)件變化驅(qū)動(dòng)測點(diǎn)，集成工況下的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷測定值是否符合理論計(jì)算的要求。

3.1.2 基于監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)接

運(yùn)維期和養(yǎng)護(hù)期伴隨監(jiān)測均創(chuàng)建了監(jiān)測設(shè)備的精細(xì)化BIM 模型，但監(jiān)測設(shè)備的數(shù)字化表達(dá)一般是在現(xiàn)場安裝設(shè)備之前，為保證數(shù)字化監(jiān)測方案與BIM 模型的同步交付，需預(yù)先創(chuàng)建監(jiān)測設(shè)備的編碼體系，后期根據(jù)現(xiàn)場安裝設(shè)備的編碼體系一一映射，進(jìn)而將現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備BIM 模型上，基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析監(jiān)測設(shè)備處的相關(guān)指標(biāo)變化情況。

3.2 業(yè)務(wù)功能分析

基于BIM+GIS 監(jiān)測管理平臺(tái)，可按施工工況分析當(dāng)前狀態(tài)橋梁線形和受力狀態(tài)；可即時(shí)動(dòng)態(tài)分析監(jiān)測過程集成的數(shù)據(jù)，觀測其變化趨勢和預(yù)警值；可查看歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析病害初始發(fā)生的時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況分析原因，做出快速響應(yīng)措施。動(dòng)撓度監(jiān)測設(shè)備的即時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)集成分析見圖4。

圖4 動(dòng)撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)集成分析

4 結(jié)語

依托新泰至臺(tái)兒莊（魯蘇界）公路探索了BIM技術(shù)在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用，面向施工過程監(jiān)測、運(yùn)維期監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)過程伴隨監(jiān)測的不同監(jiān)測方案，采用基于橋梁BIM 模型標(biāo)記測點(diǎn)、數(shù)字孿生橋梁BIM監(jiān)測設(shè)施、實(shí)測空間坐標(biāo)匹配設(shè)施模型等三種方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測方案的可視化。針對(duì)空間測點(diǎn)及監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)集成問題，提出通過設(shè)備編碼與設(shè)備數(shù)據(jù)映射的方法，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)、動(dòng)態(tài)分析、歷史追溯、預(yù)警分析等。BIM 技術(shù)在橋梁監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了橋梁養(yǎng)護(hù)的信息化管理，提升了橋梁結(jié)構(gòu)的監(jiān)測效率和安全性能，節(jié)約了時(shí)間與成本，推廣應(yīng)用價(jià)值較大。