三维建模技术在桥梁施工过程监控中的应用

周 坤

（广西新恒通高速公路有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

随着我国基础交通领域的不断开发与建设，对大型及特大型桥梁的施工技术提出了更高的要求，桥梁施工的过程监控对于桥梁整体质量以及竣工后的使用寿命均具有重要意义。过程监控的准确性、有效性和及时性是衡量这一体系性能优劣的主要指标。当前我国桥梁施工过程监控系统仍以图形、报表等二维模式为主，且此过程多为人工干预，对于桥梁施工进度的时空特性而言，无法做到全面、准确、系统的展示。例如在一座公路桥梁的施工过程中，有多个工程部分同时进行，为获取各施工部分及施工阶段的详细工程数据，应建立一个实时、可视、全局、三维的过程监控场景，使工程进度的时空特性得以体现，因此，以往传统的报表式二维图形监控方法将不再适用［1］。报表式二维施工监控流程如图1所示。

图1 报表式二维施工监控流程图

本文将三维建模技术引入到桥梁施工的过程监控系统中，通过对各施工部分节点数据的有效分析，充分掌握当前工程进度，形成直观的过程监控界面，既有对工程宏观上的把握，又可详细地分析每个施工部分的具体细节，并对工程后期的进度进行预测。本文所提出的三维建模技术，对于我国当前桥梁施工过程中的监控系统具有一定的应用价值。

1 系统架构设计

1．1 功能需求分析

桥梁施工过程监控系统中所应用的三维建模技术，通常所体现的工程信息主要包括桥体本身的结构属性、施工进度信息以及施工周边的环境状况三个方面，以上工程参数共同构成了桥梁施工过程中的三维监控系统，在桥体本身的结构属性中还包含原始的桥梁设计方案、图纸以及竣工后的维修和养护记录等，如表1所示。在桥体部分中分为整体结构、局部结构以及质量标准三个参数类别，以整体结构为例，其所包含的工程监控信息主要有施工材料的种类、名称、数量，具体来说通过文字及图像等方式进行表达［2］。不同的施工参数对应不同的工程监控信息以及实际的表达方式。

表1 桥梁施工过程监控参数表

1．2 系统架构

为合理满足上述功能需求，拟采用数据库将各类三维模型及信息进行存储，将系统架构分为五个主要部分：人机交互界面；桥梁施工过程监控模块（三维可视化演示模块）；信息输入接口；信息输出接口以及桥梁施工信息数据库。为良好地实现对桥梁施工远程监控的要求，三维建模的整体架构设计成客户端－服务器模式，客户端含有三维监控控件、操作界面以及信息录入等功能模块，桥梁施工的全部信息部署在服务器端的数据库中，通过以太网进行连接［3］［4］。

2 系统架构实现方案

2．1 底层信息系统结构

基于三维建模技术的桥梁施工过程监控系统，其实现环境主要为Windows平台，鉴于建模场景中所分析和处理的数据量巨大，因此，为保证监控系统可以正常工作，管理平台应选取大型的数据库，可处理至少10GB以上的数据，本部分设计中拟采用Oracle数据库及VB系统来作为开发平台［5］。

2．2 桥梁施工过程监控系统的三维可视化

此部分属于桥梁施工过程监控的核心模块，主要通过三维建模技术来实现，其中三维参数的显示问题需要通过交互界面以及各类接口来完成。过程监控信息的展示前提是三维参数的可视化问题，这其中包括展示以及查询等环节，三维控件主要实现查询结果可视化的功能，其余文字、声音以及图像等信息则显示在用户视图中，如图2所示。

图2 桥梁施工过程监控系统的三维视图

2．3 交互界面及施工过程监控的实现

为更加直观地获取施工过程的三维监控数据结果，使工程各部分的进度和施工细节得以呈现，规定了施工进度三维监控模拟的查询规则，包括用户期望获得的所有工程内容，分别从五个方面进行设计：

（1）查询桥梁已完工部分的历史数据；

（2）预制件施工环节的三维模拟分析；

（3）查询物料使用、分配情况；

（4）查询施工人员、组织管理人员部署情况；

（5）施工进度、危险点分析以及事故预警三维模拟分析。

以T型梁模板施工的三维监控模拟效果为例，将此部分施工的进度和状态信息输入到系统中并进行计算、分析，将模拟结果存储于数据库中［6］。T型梁模板三维监控效果模拟如图3所示。

图3 三维T型梁模板监控效果模拟示例图

在施工进度查询的三维模块中包括日历表，用于选择原始计划以及实际状态的施工时段，并包括原始计划以及实际状态的查询模块，查询模块将施工进度的时段转化为SQL语句，便于桥梁施工过程监控信息的查询，将查询结果传送到施工过程监控的三维控件中，以此来完成施工进度的可视化［7］。

3 工程实例分析

以北海市境内北铁一级公路海陆村段2＃大桥施工为例，将本文所提出的三维建模技术应用到此大桥的施工过程监控系统中。值得注意的是，在应用本文提出的三维建模技术时，三维模型的输入以及工程附属信息的自动关联是关键，如果在不具备三维建模的条件下，也可使用比较权威的、获业内认可的三维地形模拟软件来进行计算和分析。而本文所提出的三维监控架构，设计了支持3DS以及DXF等多种格式的三维监控模型，且兼容3DSM以及AutoCAD等软件，具有良好的用户体验和交互模式。北铁一级公路海陆村段2＃大桥施工过程三维监控系统如图4所示。

图4 北铁一级公路海陆村段2＃大桥施工过程三维监控系统示例图

基于三维建模技术的北铁一级公路海陆村段2＃大桥施工过程三维监控系统，设计有多个串行任务处理接口以及一个三维模型输入模块，主要实现3DS以及DXF文件的分析、解读和处理功能，同时将计算结果自动存储到本地数据库中，方便用户的查询和分析。基于三维建模技术的桥梁施工过程监控系统，在施工的过程管理和工程质量的控制方面，相比于以往传统的二维报表施工监控模式，具有诸多优势，如表2所示。

通过表2的详细对比可知，基于三维建模技术的桥梁施工过程监控系统，在大型、复杂的桥梁工程建设中应用较多，其监控过程具有直观、准确、施工质量高等诸多优点，但也存在工程造价高、成本大、运行配置要求高等诸多问题，其中还包括三维监控软件在各部分施工中与设备基础架构的兼容性问题。

表2 桥梁施工过程监控方式以及优、劣势对比分析表

4 结语

基于三维建模技术的桥梁施工过程监控系统，其底层信息部分的架构通过稳定性级别较高的数据库作为基础支撑，桥梁施工全过程的三维数据以及施工材料、技术人员等工程属性均部署在数据库中，而良好的人机交互界面可便于用户查询各种数据，并迅速获得有关桥梁施工过程详细数据的分析和计算结果，使桥梁施工过程的全貌得以直观、形象地呈现。本文对桥梁施工的过程监控系统作了深入研究，将三维建模技术应用到此系统架构中，通过分析系统的实际需求来实现桥梁施工中过程监控的三维可视化功能，并通过北海市境内的实际桥梁工程加以论证，证明了所提出的三维建模技术应用到桥梁施工过程监控系统中的可行性，工程应用前景广阔。