BIM技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用分析

楊迪、張宇峰、徐一超、吳家偉

（1.長大橋梁安全長壽與健康運維全國重點實驗室，江蘇 南京 211112；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

在橋梁工程建設(shè)完成之后，需要對其進行定期檢修與養(yǎng)護。傳統(tǒng)類型的橋梁質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)和專項監(jiān)測系統(tǒng)更多地依賴于管理人員和專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗，對橋梁工程的運轉(zhuǎn)情況和各環(huán)節(jié)作用發(fā)揮情況進行把握。值得注意的是，此類傳統(tǒng)管理與養(yǎng)護辦法的適應(yīng)性存在極大的局限性，尤其對于大型橋梁而言，難以真正實現(xiàn)全面把握與了解養(yǎng)護管理信息并及時反饋。對此，可以積極應(yīng)用信息技術(shù)手段，發(fā)揮BIM技術(shù)的綜合優(yōu)勢，在信息模擬平臺中模擬當前橋梁建筑的三維立體信息，從橋梁建設(shè)項目設(shè)計、施工階段開始，直至橋梁全生命周期終結(jié)，都可以在信息數(shù)據(jù)庫中對其進行管理，通過充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的最大價值，彌補傳統(tǒng)管理養(yǎng)護方式的不足。

1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述

橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)需要結(jié)合橋梁自身結(jié)構(gòu)特點和所處地區(qū)地質(zhì)條件等相關(guān)因素，融合橋梁健康預(yù)警、橋梁應(yīng)用評估和管養(yǎng)決策等多方面需求來建立。當前我國廣泛應(yīng)用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，主要涵蓋自動化傳感測試、綜合預(yù)警、結(jié)構(gòu)評估、健康監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲與管理等多個子系統(tǒng)。具體工作內(nèi)容如下。

一是橋梁荷載及運行環(huán)境監(jiān)測。橋梁荷載監(jiān)測需要應(yīng)用專業(yè)動態(tài)地秤以及腐蝕傳感器、強震儀、風(fēng)速儀等，對橋面通行荷載以及橋梁周邊環(huán)境的地震系數(shù)、風(fēng)量、溫濕度等進行監(jiān)測[1]。

二是橋梁幾何狀態(tài)監(jiān)測。在長時間運行過程中橋梁各個環(huán)節(jié)和部位在車輛荷載的影響下，容易發(fā)生位置偏移情況，因此需要對橋梁幾何狀態(tài)進行專項監(jiān)測，例如針對橋梁橋臺、墩柱、錨線的沉降與傾斜程度，應(yīng)用激光撓度儀、測距器進行監(jiān)測。

三是橋梁結(jié)構(gòu)的動靜力反應(yīng)。在動靜力反應(yīng)監(jiān)測中，主要針對正常通車環(huán)境、強風(fēng)或地震等不同荷載作用之下橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況，同時也需要對當前環(huán)境溫濕度以及地下發(fā)生不均勻沉降之后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性反應(yīng)進行監(jiān)測。

四是監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。在前期監(jiān)測完成之后會產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)和指標數(shù)據(jù)，對此需要進行專項監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與存儲，結(jié)合橋梁實際使用情況建立損傷評估體系，明確不同指標閾值或建立專項橋梁健康程度評估模型，確保對橋梁當前運行情況和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行準確的評估和預(yù)測[2]。

2 當前我國廣泛應(yīng)用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在的主要問題

當前我國很多橋梁工程中廣泛應(yīng)用的健康監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三個部分，分別是自動化傳感模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和評估模塊。得益于當前信息技術(shù)手段的飛速發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用頻率和信息化水平大幅度提升，如虎門大橋、安慶長江大橋等已經(jīng)逐漸建立專項橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，但是在實際應(yīng)用過程中，此類系統(tǒng)仍舊存在一些問題。

2.1 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)實際運行效果不佳

當前仍舊有很多橋梁監(jiān)測系統(tǒng)并不是根據(jù)橋梁自身特點及周邊環(huán)境建設(shè)需求等進行專項設(shè)計與統(tǒng)籌規(guī)劃，而是直接套用其他橋梁的健康監(jiān)測系統(tǒng)，過于追求大而全，忽視了橋梁健康監(jiān)測的實際目的。例如，在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)傳感器選型和通信方式設(shè)置中，并沒有充分結(jié)合監(jiān)測需求進行優(yōu)化選擇。

一方面，傳感器種類多樣，其精度、周期壽命以及具體的安裝保存條件、維修養(yǎng)護舉措等存在極大差異，如果傳感器選型不合理，會造成過度成本投入和健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失等情況。

另一方面，當橋梁監(jiān)測系統(tǒng)傳感器獲取海量數(shù)據(jù)之后，如果并未及時處理數(shù)據(jù)信息進行橋梁健康狀態(tài)評估，同樣也會導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)“ 形同虛設(shè)”[3]。

2.2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與維護存在弊端

很多橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的投資相對較大，建設(shè)費用往往在100 萬元以上，成本投入較高，在實際建設(shè)與維護中仍存在管理模式混亂的現(xiàn)象。

第一，一部分監(jiān)測設(shè)備和傳感器等由專業(yè)設(shè)備供應(yīng)商負責(zé)，此類供應(yīng)商大多只是結(jié)合設(shè)計方案或施工方案等內(nèi)容進行統(tǒng)籌安排，而缺乏對橋梁結(jié)構(gòu)的了解和認知，甚至出現(xiàn)僅憑經(jīng)驗進行方案設(shè)計的情況，導(dǎo)致橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)在后期應(yīng)用過程中作用不大，性價比不高，造成巨大的資源和資金浪費。

第二，在橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)期間，傳感器、信息采集儀的布線、接電存在施工誤差或不良施工情況，導(dǎo)致建設(shè)成本增加。

第三，管理人員忽視橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的后期專項維護，導(dǎo)致系統(tǒng)的使用壽命大幅度縮短。

3 BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用要點

3.1 橋梁BIM 模型建立

從橋梁工程施工圖交付階段開始，針對工程細節(jié)建立精細的BIM 模型，同時對橋梁建設(shè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的最小構(gòu)件單位進行逐一編碼。由于橋梁不同位置構(gòu)件的數(shù)量、種類繁多，且其整體結(jié)構(gòu)存在多種復(fù)雜因素，因此在三維空間中有時難以對個別構(gòu)件進行定位。為了進一步提升BIM 技術(shù)的應(yīng)用流程，提高建模速度和效率，對現(xiàn)有組合梁以及其他橋梁構(gòu)件進行專業(yè)系統(tǒng)的拆分，有針對性地進行構(gòu)件建模，應(yīng)用橋梁中心線綁定不同構(gòu)件，確定構(gòu)件的平面幾何關(guān)系，從而實現(xiàn)良好定位。隨后對橋梁的承臺、樁基等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行參數(shù)建模，提前根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)框架和支撐結(jié)構(gòu)等，選取標高視圖，讓橋梁構(gòu)件能夠組合為族，進而進行平面創(chuàng)建。

例如，在水平方向需要結(jié)合承臺的參照面以其作為標高，而樁基參照面則設(shè)置為承臺底部，此類結(jié)構(gòu)關(guān)系并不會因為具體參數(shù)的變化而發(fā)生改變，因此在實際建模中需要根據(jù)所選標高和構(gòu)件參數(shù)等建立參照平面視圖。

在橋墩族參數(shù)化建模中，需要對實例參數(shù)和類型參數(shù)進行區(qū)分，其中實例參數(shù)是指不同橋墩構(gòu)件個體的參數(shù)，雖然大多橋墩構(gòu)件都是相同的尺寸，但也有個別環(huán)節(jié)的橋墩應(yīng)用了不同的尺寸參數(shù)，因此需要以實例參數(shù)為主；而類型參數(shù)則側(cè)重對同一類型的橋墩族進行公用參數(shù)設(shè)置。同理，在橋梁箱梁族的參數(shù)化建模中，同樣可以應(yīng)用此類多元化、差異化參數(shù)設(shè)置方法。結(jié)合BIM 技術(shù)的應(yīng)用需求和特點，首先進行外輪廓的設(shè)計和描畫，并添加特定標簽，如箱梁的梁高、底板寬度等等；隨后將外輪廓復(fù)制到新建參數(shù)圖中進行快速繪制和參數(shù)調(diào)整，提高BIM 技術(shù)的應(yīng)用效率；相關(guān)參數(shù)設(shè)置好之后，需要對其進行優(yōu)化調(diào)試，如果存在差異問題，要第一時間進行修改[4]。

3.2 設(shè)置橋梁健康監(jiān)測關(guān)鍵指標

結(jié)合前期橋梁BIM 精細化模型，可以為后續(xù)橋梁運維和養(yǎng)護管理提供重要抓手和依據(jù)，為保障橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和可應(yīng)用性，首先需要對各類傳感器進行優(yōu)化選型和設(shè)置，其次再進行監(jiān)測關(guān)鍵指標的專項設(shè)計。

在傳感器優(yōu)化選型和設(shè)置中，需要根據(jù)不同應(yīng)用需求進行合理選擇，如針對橋梁車輛荷載情況進行監(jiān)測時，應(yīng)該選擇動態(tài)稱重設(shè)備，在橋梁施工階段直接將傳感器安裝設(shè)置于混凝土鋪裝層內(nèi)，并確保其覆蓋橋梁上的所有車道，實現(xiàn)穩(wěn)定支撐和正常運轉(zhuǎn)。進行風(fēng)速參數(shù)監(jiān)測時，可以在橋面兩側(cè)設(shè)置風(fēng)速儀。地震運動監(jiān)測可以直接在橋梁所處區(qū)域安裝強震動記錄儀或直接加載三向加速度傳感器，確保其能夠?qū)崟r傳達和反饋橋梁在地震時的運動情況。此外，在橋梁健康監(jiān)測中，其環(huán)境要素監(jiān)測尤為重要，需要同步設(shè)置溫度傳感器，確保能夠及時體現(xiàn)橋梁截面的溫度變化以及橋梁結(jié)構(gòu)升降溫情況。

另外，橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是橋梁健康監(jiān)測的重中之重，主要測量要素在于加速度、變形撓度等等，對此可以直接在橋梁結(jié)構(gòu)振幅相對較大處設(shè)置加速度傳感器，或在結(jié)構(gòu)變形程度大、容易發(fā)生橫向變形或傾角處設(shè)置變形傳感器，實現(xiàn)多項應(yīng)變監(jiān)測，確保能夠針對復(fù)雜的構(gòu)件和容易發(fā)生變形問題的區(qū)域進行全面監(jiān)測。

在橋梁健康監(jiān)測關(guān)鍵指標提取中，可以針對現(xiàn)有監(jiān)測傳感器設(shè)置情況和監(jiān)測指標進行優(yōu)化設(shè)計。

一是荷載與環(huán)境監(jiān)測中，需要對車重、車速、當前橋面風(fēng)速、地震加速度、環(huán)境溫濕度以及橋梁自身結(jié)構(gòu)溫度進行綜合監(jiān)測與評估。

二是結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測中，需要分別針對橋梁結(jié)構(gòu)的振動變形和轉(zhuǎn)角開展監(jiān)測，振動因素主要涵蓋主梁不同方向的振動加速度和橋墩縱向與橫向加速度，主梁、梁端、支座、橋墩等不同結(jié)構(gòu)的撓度、位移條件和傾角情況。

三是結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)監(jiān)測中，需要針對主梁斷面應(yīng)變情況、鋼筋混凝土裂縫情況、斜拉索作用發(fā)揮情況以及鋼梁疲勞情況等進行綜合健康監(jiān)測，此類關(guān)鍵指標的覆蓋性廣闊，可以根據(jù)不同橋梁的實際需求進行專項設(shè)置[5]。

四是需要搭配視頻圖像進行監(jiān)測，確保能夠?qū)崟r反饋橋梁通車運行狀態(tài)，真正發(fā)揮橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)有作用和價值。

3.3 橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對接與業(yè)務(wù)功能分析

橋梁在長期通車運行過程中，其整體結(jié)構(gòu)會發(fā)生沉降，混凝土路面容易產(chǎn)生裂縫等諸多問題，如果不能及時監(jiān)測并進行專項養(yǎng)護，則會嚴重影響橋梁的使用壽命。

因此，可應(yīng)用BIM 技術(shù)進行橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對接與業(yè)務(wù)功能分析。首先在數(shù)據(jù)對接方面，可以對現(xiàn)有橋梁構(gòu)件變化情況、監(jiān)測傳感器反饋數(shù)據(jù)等進行實時響應(yīng)，進而判斷相關(guān)特點的數(shù)據(jù)值是否與理論計算相符合或出現(xiàn)異常差異情況。在橋梁運行維護及專項養(yǎng)護階段，需要及時將監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)反饋于BIM系統(tǒng)模型中，確保能夠及時掌握數(shù)據(jù)變化情況。其次，在進行業(yè)務(wù)功能分析與處理時，可以結(jié)合現(xiàn)有BIM 平臺建設(shè)橋梁健康監(jiān)測專業(yè)平臺，發(fā)揮BIM 手段信息化管理的作用，真正實現(xiàn)數(shù)模分離，同時兼顧工程設(shè)計、施工、運行、養(yǎng)護等多個階段的信息集成，實現(xiàn)各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效串聯(lián)。可以針對現(xiàn)有BIM 數(shù)據(jù)進行應(yīng)用維度拓展，以IFC 拓展為基礎(chǔ)，實現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)表達與交換水平，IFC 可以實現(xiàn)分層級分模塊設(shè)置，因此可以圍繞領(lǐng)域?qū)印⒐蚕韺印⒑诵膶印⑼卣箤印①Y源層等不同層次設(shè)置功能業(yè)務(wù)模塊。領(lǐng)域?qū)又饕槍Ξ斍皹蛄嚎傮w結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備以及結(jié)構(gòu)要素分析等諸多方面；共享層涵蓋了周邊地形、共享設(shè)備以及管理元素等等；核心層與拓展層分別體現(xiàn)于產(chǎn)品和控制拓展；資源層為當前時間氣候、橋梁屬性、成本等多項資源，其中結(jié)構(gòu)荷載和前期施工組織工程量管理等資源也同屬于資源層模塊之中。通過不同模塊的優(yōu)化設(shè)置和統(tǒng)籌安排，實現(xiàn)對現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測傳感器信息的充分管理與共享，讓數(shù)據(jù)流由下而上進行單向流動，上一層級可以對下一層級進行信息資源的調(diào)用，一旦上層信息發(fā)生改變，也不會影響下一層級數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3.4 BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用效果

在橋梁全周期管理中，無論是前期工程設(shè)計施工階段，還是后續(xù)橋梁維護管理階段，都發(fā)揮了BIM 技術(shù)的應(yīng)有意義和價值。例如，施工階段應(yīng)用BIM 技術(shù)可以對施工全過程進行有效監(jiān)測，保障施工質(zhì)量和施工進度，同時也能及時發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的安全隱患問題并進行專項處理，減少后續(xù)返工的成本投入。而在橋梁運行維護和專項養(yǎng)護階段，BIM 技術(shù)的價值更為凸顯，通過對不同構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置明確橋梁健康監(jiān)測指標，合理設(shè)置和選擇監(jiān)測傳感器，并從施工階段開始，提前做好傳感器埋設(shè)和設(shè)置點位優(yōu)化，為后續(xù)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮作用提供重要保障。橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平成為直接影響系統(tǒng)作用發(fā)揮的核心因素，對此需要建立專項BIM 數(shù)據(jù)擴展平臺，明確不同模塊的功能區(qū)間和應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)信息資源的充分管理和有效共享，大幅度提升橋梁管理與養(yǎng)護水平，同時也可以為橋梁運維工作人員提供決策依據(jù)和工作參考。

4 結(jié)語

綜上所述，在新時代背景下，信息化建設(shè)已經(jīng)成為越來越多行業(yè)領(lǐng)域共同的發(fā)展課題，為了保障橋梁工程正常運行，可以應(yīng)用橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，以智能化、信息化手段實時了解橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、安全行車情況以及橋梁不同構(gòu)件的病害程度，為運維工作人員進行專項決策和養(yǎng)護提供幫助。

本文深入探究橋梁健康監(jiān)測的內(nèi)容和當前橋梁健康監(jiān)測實踐中存在的問題，并探究BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用要點，希望能夠以此推動我國橋梁工程建設(shè)事業(yè)健康發(fā)展。