基于BIM技术的自锚式悬索桥健康监测

薛 彤 李家松 淮安市市政设施养护中心，淮安 223000

吴家栋 中设设计集团股份有限公司，南京 210000

淮安市清浦大桥于2009年竣工投入使用，是淮安市建成区唯一一座自锚式悬索桥，目前已运营超过10年。该桥桥梁跨径组成为：（20.75m+26.25m）砼箱梁+132.5m钢箱梁+（26.25m+20.75m）砼箱梁，按照《城市桥梁养护技术标准》要求，笔者单位每年对该桥进行检测和养护维修。根据历年检测结果，为更好地提高自锚式悬索桥管养水平，本文以淮安市清浦大桥为例，针对该桥结构特点和受力分析，设计本桥结构健康监测系统；以BIM核心软件Revit为平台构建本项目健康监测的BIM模型；BIM模型经Revit的BimAngle.ForgeEngine插件导出为*.glft和*.json文件集合，文件集合通过WebGL和tree.js轻量化处理后加载到监测系统中；传感器族唯一ID与现场设备唯一编号关联对应，实现监测数据动态展示；比对传感器族的阈值属性和实时监测数据，动态显示监测部位健康状态。

1 桥梁健康监测方案

桥梁结构健康监测（Bridge Structural Health Monitoring，BSHM）是指采用新型的传感、通信等技术，在桥梁关键截面和构件上布置安装传感器等测试元件，以达到监测桥梁所处环境及各种激励下的结构响应等信息的目的。尽管桥梁结构健康监测系统在规模、功能模块等方面有所差异，但通常都由功能模块组成。

1.1 监测点布设

本项目自锚式悬索桥于2009年建成通车，桥梁健康监测系统于2019年实施运行。整个监测系统共布设151个监测点，测点布设如图3。监测内容及测点数量如下表。

各监测内容的传感器数量及选型表

1.2 系统架构

整个桥梁监测系统由局部电缆网络和整体网线网络组成，局部电缆网络将各传感器连接到数据采集单元，整体网线网络将各数据采集单元连接成星型网络结构，并将采集的数据通过4G传输到数据管理与控制服务器，监测数据经数据处理和分析模块，最终在用户子系统界面进行显示。本项目系统总体架构如图1。

图1 桥梁健康监测总体架构

2 参数化建模

2.1 箱梁族的建立

本项目箱梁包括钢箱梁和混凝土箱梁，在箱梁族创建时，先将钢箱梁的CAD图导入到Revit轮廓族中，在Revit软件中通过拾取箱梁CAD尺寸线绘制箱梁轮廓族，将箱梁的轮廓族通过放样融合方法得到箱梁节段公制常规模型族，最后根据各梁段的空间位置关系将各梁段整合起来，形成整体的箱梁族。

2.2 桥塔族的建立

自锚式悬索桥桥塔是其主要受力构件，主梁上荷载通过主缆传递给桥塔。桥塔族首先创建其外形轮廓族，其次将外形轮廓族放样成桥塔实体公制常规模型，如图7所示，最终将图2红色的部位设置成空心，同时设置桥塔的参数及材质属性，形成如图3所示的桥塔公制常规模型。

图2 桥塔实体公制常规模型族

图3 桥塔公制常规模型族

2.3 主缆族的建立

悬索桥主缆属于异性构件，采用Revit常规族构建较为繁琐。因此，在创建主缆族时采用Revit的体量族构建。将设计文件中给定主缆的空间线形通过CAD载入到体量中，拾取其空间的线形，拾取线的断面采用圆形轮廓族。

2.4 传感器族的建立

桥梁健康监测的数据是通过安装在桥梁上传感器量测得到，因此传感器的安装位置对桥梁试验数据的准确性有着重要的影响。为了将传感器的监测数据关联到桥梁结构上，本项目为每一传感器构建唯一ID。传感器族同样采用先绘制轮廓族再通过放样方式形成传感器族。

2.5 监测模型的集成

根据设计文件中各构件的相对位置，将桥梁各部件按其空间位置进行模型和信息集成。同时，将监测设备按现场安装位置加载到桥梁的BIM模型上，集成为桥梁健康监测的BIM模型。通过BIM模型快速查看监测设备所安装部位，设备编码、阈值等信息。集成后的健康监测BIM模型如图4。

图4 自锚式悬索桥健康监测模型

3 可视化展示

3.1 模型轻量化加载

将上文创建的自锚式悬索桥BIM模型通过Revit安装的BimAngle.ForgeEngine第三方插件导出*.glft和*.json的文件集合，在导出过程中插件为BIM模型的每一个构件（族）生成一个唯一ID。通过调用WebGL和Tree.js的函数将转化后的文件进行轻量化处理（按需加载），方便监测系统流畅加载。*.json文件通过Tree.js遍历，将BIM模型形成树结构，最后将模型按树结构加载到监测系统中，进行桥梁健康监测的可视化展示。同时系统中的BIM模型具有漫游和选定视图等功能，漫游进入箱内，查看箱内监测点效果图。