基于數(shù)字孿生的橋梁拆除施工安全控制技術(shù)

［摘 要］ 大型橋梁進(jìn)行拆除重建過程中存在大量的安全問題，針對(duì)橋梁拆除施工安全控制問題，提出了基于數(shù)字孿生的橋梁拆除施工安全控制技術(shù)；綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、BIM、WEBGL、5G通信、人工智能等技術(shù)，最終形成一個(gè)實(shí)時(shí)可視化的對(duì)橋梁拆除運(yùn)輸進(jìn)行自動(dòng)化控制的數(shù)字孿生系統(tǒng)，系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性以及實(shí)用性，保證了橋梁拆除施工的安全性，為橋梁拆除施工安全控制提供了一個(gè)新的方法。

［關(guān)鍵詞］ 橋梁拆除； 數(shù)字孿生； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 施工控制

［中圖分類號(hào)］ UT713 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通壓力增大，很多橋梁已經(jīng)不能滿足安全規(guī)范和使用要求，必須對(duì)其進(jìn)行修復(fù)和拆除[1]。但由于橋梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所處環(huán)境又與一般建筑不同，因此在拆除過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)事故[2]；拆除施工比新建施工更具危險(xiǎn)性，加之拆橋過程中施工控制不當(dāng)、施工管理混亂等因素導(dǎo)致拆除工程中出現(xiàn)新的安全問題[3]。因此，針對(duì)橋梁的拆除施工需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證橋梁拆除施工安全[4]。

橋梁環(huán)境十分復(fù)雜，無法對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、地理位置、橋墩高度、環(huán)境要素及施工條件等問題綜合考慮[5]，在目前橋梁拆除施工安全控制方面可分為三個(gè)階段：前期的施工方案規(guī)劃、實(shí)施階段的施工控制以及后期的應(yīng)急方案制定。施工前期：綜合多年的施工經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)勘探資料，初步分析了橋梁拆除過程中存在的安全隱患，并提出了相應(yīng)的技術(shù)措施[6]，并通過設(shè)計(jì)優(yōu)化利用數(shù)值模擬和理論公式進(jìn)行安全校核保證拆除施工安全[7]。施工階段：可以利用有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析[8]，對(duì)施工過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[9]，或者構(gòu)建橋梁拆除施工控制預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行安全控制[10]，從而保證橋梁拆除施工安全。應(yīng)急預(yù)案：事故應(yīng)急計(jì)劃的首要內(nèi)容是事故的預(yù)防與救援計(jì)劃的編制，針對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急[11]。一般通過加強(qiáng)工作人員的安全施工意識(shí)、完善施工過程以及合理安排現(xiàn)場(chǎng)施工減少意外事故的發(fā)生[12]，主要通過對(duì)運(yùn)營(yíng)橋梁的事故進(jìn)行分析，并且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)警值等進(jìn)行研究，最終制定相應(yīng)的應(yīng)急處理方案。

現(xiàn)階段的控制技術(shù)多運(yùn)用到建模仿真，而建模仿真正往數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、智能化方向發(fā)展，數(shù)字化孿生技術(shù)是將模擬技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來的產(chǎn)品[13]。本文針對(duì)橋梁拆除施工安全控制問題引入數(shù)字孿生技術(shù)，提出了一種基于數(shù)字孿生的橋梁拆除施工控制方法，該方法以物理實(shí)體數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型，集物聯(lián)網(wǎng)、BIM、WEBGL、5G通信、人工智能等多種技術(shù)于一體形成數(shù)字孿生系統(tǒng)。將實(shí)體狀態(tài)映射到數(shù)字模型中，在形成的系統(tǒng)中對(duì)施工狀態(tài)的橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析其各種影響參數(shù)，通過決策分析預(yù)測(cè)其施工狀態(tài)，通過系統(tǒng)決策對(duì)橋梁拆除施工進(jìn)行控制，解決了現(xiàn)階段橋梁監(jiān)控針對(duì)橋梁控制施工的不足，進(jìn)而保證施工安全性，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用在保證施工安全的情況下節(jié)約了施工成本、減少了道路占用時(shí)間、盡可能地減少了環(huán)境影響率。

1 數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生（Digital Twin）最早定義是美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grives教授[14]，他在2003年提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。隨著深入研究，后續(xù)數(shù)字孿生被認(rèn)為是“鏡像的空間模型”和“信息鏡像模型”。直到近十年，數(shù)字孿生通過建模仿真、信息技術(shù)和處理的應(yīng)用進(jìn)入公眾視野，此后數(shù)字孿生理論與技術(shù)體系被廣泛的推廣，并且將其應(yīng)用到小件產(chǎn)品的實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢查及運(yùn)維[15]。數(shù)字孿生領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ涠x、應(yīng)用范圍、研究熱點(diǎn)和演進(jìn)趨勢(shì)均是智能制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

2 橋梁拆除數(shù)字孿生

2.1 橋梁拆除數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建

2.1.1 框架 在構(gòu)建數(shù)字孿生時(shí)需要注意模型用途、模型的復(fù)雜程度、模型后期更改和演化、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)處理[13]。陶飛[16]等提出了數(shù)字孿生五維模型（MDT）的概念，即在三維模型的基礎(chǔ)上增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)。據(jù)以上分類建立橋梁數(shù)字孿生體模型作為橋梁拆除的基本系統(tǒng)。橋梁數(shù)字孿生體模型的組成主要包含物理模型、數(shù)字模型、數(shù)據(jù)分析模塊和管控預(yù)測(cè)模塊，其中的關(guān)系如圖1所示。

2.1.2 原理 基于數(shù)字孿生的橋拆除施工控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、BIM、WEB、5G、傳感器、數(shù)據(jù)庫(kù)、最優(yōu)化方法、有限元方法、人工智能方法等，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁拆除快速移運(yùn)的控制。橋梁整體拆除移運(yùn)施工控制首先需要通過BIM技術(shù)以及最優(yōu)化算法進(jìn)行路徑規(guī)劃；在控制階段通過各類傳感器采集數(shù)據(jù)運(yùn)用5G技術(shù)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)字孿生系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行處理；通過人工智能以及有限元算法對(duì)橋梁拆除施工過程進(jìn)行監(jiān)控預(yù)測(cè)，最后通過WEBGL進(jìn)行展示。主要應(yīng)用到的技術(shù)及工作原理如圖2所示。

2.1.3 架構(gòu) 基于數(shù)字孿生的橋梁拆除系統(tǒng)采用的B/S架構(gòu)（圖3），即橋梁快速移運(yùn)的路徑規(guī)劃算法程序、運(yùn)動(dòng)控制程序、有限元運(yùn)算均部署在服務(wù)器上，瀏覽器端僅渲染三維模型對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的演化以及對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。

2.1.4 形成 本系統(tǒng)主要呈現(xiàn)的是運(yùn)輸車輛、橋梁以及運(yùn)輸過程，控制過程為橋梁拆除快速移運(yùn)過程；根據(jù)此要求首先針對(duì)運(yùn)輸車輛以及橋梁運(yùn)用BIM軟件Rhino進(jìn)行參數(shù)化建模，然后將模型壓縮處理導(dǎo)入服務(wù)器，并連接相應(yīng)傳感器。數(shù)字模型可根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)同步更新，形成從實(shí)體到數(shù)字的實(shí)時(shí)映射；在運(yùn)行過程中通過對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)并做出相應(yīng)決策發(fā)號(hào)指令，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的控制，兩者相互作用形成數(shù)字孿生體。

2.2 數(shù)字孿生橋梁拆除控制技術(shù)

橋梁拆除施工控制目的為保證施工安全、加快施工效率以及減少施工成本。對(duì)橋梁快速移運(yùn)施工控制包括對(duì)車輛狀態(tài)、梁體狀態(tài)、移運(yùn)路徑以及施工組織等的控制。

1）車輛的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要是針對(duì)車輛的承重問題及其位置狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。防止在車輛的行駛過程中由于載重過大導(dǎo)致車輛損壞或者梁體滑移，嚴(yán)重情況導(dǎo)致車載裝備的損壞從而造成嚴(yán)重的后果。

2）在橋梁快速拆除移運(yùn)過程中對(duì)橋梁狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如監(jiān)測(cè)到主梁應(yīng)變、傾斜度等變化超過許可偏差時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行快速響應(yīng)并做出決策，調(diào)整各個(gè)位置的水平度。當(dāng)應(yīng)變超出許可偏差過多時(shí)應(yīng)立即停止施工并檢查異常，待修復(fù)后方可繼續(xù)進(jìn)行施工。

3）采用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)行駛的時(shí)間、行駛路線進(jìn)行控制。首先在環(huán)境信息已知的情況下，在給定的起點(diǎn)和終點(diǎn)條件下，運(yùn)輸車輛可以找到最佳的路線，這就要求目前的環(huán)境與車輛所處的位置相符，并且不存在任何可移動(dòng)的障礙；但是在初期路徑規(guī)劃階段，針對(duì)某些環(huán)境信息不能獲得，或者在運(yùn)行中存在運(yùn)動(dòng)的物體，運(yùn)輸車輛必須根據(jù)自身的環(huán)境狀況，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行路線，保證車輛及其它活動(dòng)物體的安全。例如，當(dāng)傳感器探測(cè)到安全范圍內(nèi)有移動(dòng)物體時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行預(yù)判，對(duì)其速度、方向和未來行駛路徑進(jìn)行計(jì)算，通過系統(tǒng)決策進(jìn)行分析確定下一步如何行駛，將指令通過5G技術(shù)傳入運(yùn)輸車進(jìn)行控制。橋梁快速移運(yùn)中的車輛動(dòng)態(tài)控制采用的是非線性規(guī)劃模型，在對(duì)模型進(jìn)行線性化處理的過程中，采用的是泰勒級(jí)數(shù)展開的方式，線性化的處理方式雖然能夠使得建模的過程更加簡(jiǎn)潔，但是忽略了模型中的高階項(xiàng)的影響，模型的精確度會(huì)下降，因此需要對(duì)模型處理方法進(jìn)行優(yōu)化，提高模型的精度。橋梁拆除快速移運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)在于對(duì)梁體的移運(yùn)控制，由于梁體是大噸位構(gòu)件，對(duì)于運(yùn)輸過程要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，控制技術(shù)原理如圖4所示。

4）利用數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)施工控制，可以更加合理的安排流水施工。通過三維可視化的觀測(cè)以及系統(tǒng)分析，合理的進(jìn)行施工流程的安排，在互不干擾的情況下，可以多個(gè)車輛同時(shí)行駛或是多段梁體同時(shí)移運(yùn)，減少對(duì)道路的占用率，節(jié)約施工時(shí)間，最大化地提高施工效率。基于數(shù)字孿生的管控技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)時(shí)空調(diào)度、環(huán)境控制、現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)等。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程背景

某高架橋截面形式為等截面單箱三室直腹板鋼筋混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)為整體式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，分離式雙柱式橋墩，拆除部位為入地面段3跨，橋梁投影線位于主干道路中間的綠化帶內(nèi)，兩側(cè)為城市主干道，且無平行道路，車流量較大（圖5）。要求除施工期間不能對(duì)周邊現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物造成破壞，盡量減少對(duì)輔路交通的影響。

3.2 施工方案

通常的大件運(yùn)輸車輛由于車輛體型過大，并且針對(duì)梁體大噸位構(gòu)建普通的車輛承載力無法滿足要求，然而SPMT（自行式模塊運(yùn)輸車）使用靈活、裝卸方便、載重量在多車機(jī)械組裝或者自由組合的情況下可達(dá)50 000 t以上，因此結(jié)合高架橋老橋拆除工程條件和相應(yīng)的橋梁拆除原則，綜合考慮，擬采用SPMT智能移運(yùn)拆除技術(shù)，快速移除原高架橋上部結(jié)構(gòu)至指定區(qū)域，保留下部結(jié)構(gòu)。并采用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)橋梁拆除施工過程進(jìn)行管控。總體施工流程如圖6所示。

3.3 施工監(jiān)控

3.3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè) 本工程采用在線監(jiān)測(cè)方案，即在施工現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)處布設(shè)傳感器，對(duì)監(jiān)測(cè)參量進(jìn)行連續(xù)采集，檢測(cè)數(shù)據(jù)可以直接通過SPMT和橋梁上的傳感器獲得，并通過5G傳輸?shù)较到y(tǒng)中。在系統(tǒng)中通過對(duì)應(yīng)位置傳感器將數(shù)據(jù)與實(shí)體對(duì)應(yīng)，此外在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)看板可以清晰地了解到相應(yīng)的實(shí)際工況（圖7）。

該項(xiàng)目施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制要點(diǎn)還包括針對(duì)橋梁的橋面控制網(wǎng)標(biāo)高測(cè)量、梁體調(diào)平塊標(biāo)高測(cè)量及水平度、混凝土箱梁實(shí)時(shí)應(yīng)變、混凝土箱梁實(shí)時(shí)豎向位移、混凝土箱梁局部變形、混凝土箱梁與支架相對(duì)滑動(dòng)、支架的托梁支架應(yīng)變、托梁支架傾斜、運(yùn)輸車輛的實(shí)時(shí)水平位移、運(yùn)輸車輛相對(duì)梁體的豎向及水平位移、車輛間距監(jiān)測(cè)等（圖8）。除此之外對(duì)環(huán)境也要進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)包括地基沉降觀測(cè)。

3.3.2 施工控制

1）車輛狀態(tài)控制

本工程需要對(duì)車輛進(jìn)行組合和拼接，為了實(shí)現(xiàn)快速施工，需要進(jìn)行事先模擬。三個(gè)節(jié)段的箱梁馱運(yùn)系統(tǒng)共使用7組模塊車組，對(duì)梁體進(jìn)行編號(hào)，以每個(gè)模塊車組的4個(gè)點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)對(duì)位置及平面進(jìn)行控制（圖9）。在施工過程中對(duì)于車輛每個(gè)車輪的油壓進(jìn)行測(cè)量進(jìn)而獲得每個(gè)車輪所承受的荷載，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)分析受力狀態(tài)，調(diào)整車身的傾斜程度以及車輛的行駛速度，保證每個(gè)車輪受力均勻。

2）梁體狀態(tài)控制

在此施工過程中對(duì)梁體主梁應(yīng)變、傾斜度等變化進(jìn)行監(jiān)控，第一、二段對(duì)四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，第三段由于過長(zhǎng)還需在中部增加兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置分析梁體的傾斜度，如果梁體發(fā)生傾斜即對(duì)支撐系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)整高度，使得梁體保證穩(wěn)定，此過程的調(diào)整結(jié)果通過與系統(tǒng)中給定的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比（圖10）。

3）行駛路徑控制

本工程通過數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁快速移運(yùn)無人駕駛技術(shù)，從而對(duì)行駛路徑進(jìn)行控制。該無人駕駛技術(shù)主要通過視覺、激光雷達(dá)、GPS的定位以及數(shù)字孿生系統(tǒng)決策完成。相關(guān)控制數(shù)據(jù)通過SPMT模塊車頭部的激光雷達(dá)攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，再通過GPS定位進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，將其傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過數(shù)據(jù)反饋進(jìn)而判斷是否要進(jìn)行調(diào)整行駛（圖11）。

4）施工流程控制

按施工流程，該高架橋梁的拆除施工需要將三段箱梁順次移走。移出第一段箱梁時(shí)，在保證不發(fā)生碰撞的情況下可同步移出第二段箱梁，再移出第三段箱梁。其中，移出第三段箱梁前需要對(duì)模塊車進(jìn)行重組。在模塊車重組時(shí)，可以根據(jù)施工步驟，先用數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)模塊車自動(dòng)重組。再輔以合理流水施工，運(yùn)用基于數(shù)字孿生的施工管理技術(shù)可以在施工過程中更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)度，確保施工安全，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、工期的目標(biāo)。

3.4 施工效果

通過數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)橋梁拆除進(jìn)行施工控制，應(yīng)用到該項(xiàng)目施工中保證了施工安全性，通過對(duì)車輛運(yùn)輸空間時(shí)間的精確控制提高了工作效率，減少了施工工期。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)整個(gè)過程的設(shè)計(jì)以及實(shí)時(shí)同步優(yōu)化減少了不必要的資源浪費(fèi)，節(jié)約了施工成本。從社會(huì)交通方面減少了交通占用時(shí)間，節(jié)省了社會(huì)資源，做到了安全、經(jīng)濟(jì)、快速、綠色的橋梁拆除。

4 結(jié)論

橋梁拆除施工環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工安全需要保證。本文引入數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)橋梁拆除數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行分析研究，在某大橋拆除施工過程中系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字模型與物理實(shí)體實(shí)時(shí)同步的特性，對(duì)施工狀態(tài)的橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化管控，采用系統(tǒng)決策對(duì)不穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析進(jìn)而實(shí)時(shí)提出控制策略，實(shí)現(xiàn)了橋梁拆除的自動(dòng)控制，保證了橋梁拆除施工的安全性。基于數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)橋梁的快速拆除施工控制不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享，而且在橋梁數(shù)據(jù)的維護(hù)方面擺脫了客戶端的限制，降低了人工成本，這對(duì)于橋梁拆除施工安全控制來說是一種新的嘗試和探索。本研究現(xiàn)階段僅適用于橋梁非爆破式拆除施工控制，針對(duì)爆破式橋梁拆除施工安全控制還需繼續(xù)深入研究。

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Safety Control Technology of Bridge Demolition ConstructionBased on Digital Twin

MIAO Yong， ZOU Yiquan， PEI Yaoyao

（School of civil Engin.，Architecture and Environment， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China）

Abstract： There are a lot of safety problems in the process of demolition and reconstruction of large Bridges. Aiming at the safety control problem of bridge demolition construction， this paper puts forward the safety control technology of bridge demolition construction based on digital twin. Integrated application of Internet of Things， BIM， WEBGL， 5G communication， artificial intelligence and other technologies， and finally form a real time visual digital twin system for automatic control of bridge demolition transportation. The application of the system verifies the feasibility and practicability of the technology and ensures the safety of bridge demolition construction. It provides a new method for safety control of bridge demolition construction.

Keywords： bridge demolition; digital twin; real-time monitoring; construction control

［責(zé)任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-04-24

［基金項(xiàng)目］ 2023年湖北省重大攻關(guān)項(xiàng)目（JD）（2023BAA007）

［第一作者］ 苗 勇（1997-），男，湖北宜昌人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化建筑。

［通信作者］ 鄒貽權(quán)（1973-），男，湖北公安人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與建造。