基于BIM的高铁连续梁施工应力监控方案设计及应用

赵亚宁,王 浩,郜 辉,祝青鑫,王飞球,谢以顺,

(1.东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京 210096；2.中铁二十四局集团江苏工程有限公司,南京 210038)

1 概述

预应力混凝土连续梁桥具有受力合理、工艺成熟、桥面平整、行车舒适等优势，是高速铁路广泛采用的桥型之一。平衡悬臂施工法是该类桥梁常用的施工方法，具有不影响桥下正常通航或行车、模板及施工机械利用率高等优点[1-3]。为保障桥梁施工阶段和成桥状态结构安全可控，应力指标满足设计要求，有必要开展桥梁悬臂施工全过程的应力监测研究[4]。传统桥梁施工监控方案的拟定与实施大多依赖于工程监测经验与施工图纸，传感器编号和布设位置一般采用二维图纸和文字记录表达，在一定程度上能满足连续梁桥平衡悬臂施工期间的应力监控需求。然而，在仪器安装方案设计、线缆精细化排布、监测数据与桥梁节段施工关键节点信息关联、监测数据自动预警等方面有待进一步优化与提升。

建筑信息模型(BIM)技术可将工程项目全生命周期不同阶段的工程信息集中于三维数字化模型，具有三维可视化、数字信息集成与共享等优势[5-7]，有助于解决工程领域勘察、设计、施工、运维等环节配合不利、效率低下等问题，已在工程领域得到广泛应用。在桥梁工程领域，基于BIM技术重点研究了桥梁的正向设计及自动出图[8-10]，施工模拟与可视化交底[11-14]，数字化运维[15-17]等，在桥梁施工监控方面开展了监控可视化和施工信息管理[18-19]等，但仍处于初步探索阶段。

为此，以新建连徐高速铁路跨沂河西大堤的连续梁桥工程为依托，借助BIM技术开展了高速铁路连续梁桥的施工应力监控方案的设计及应用，其中重点研究了监测仪器布设、线缆精细化排布、应力监测数据与模型关联，监测数据自动预警等，为预应力连续梁桥施工结构安全提供了可靠保障。

2 工程背景与BIM模型

2.1 工程背景

跨沂河西大堤连续梁属新建连徐铁路新沂河特大桥，上部结构为三跨预应力混凝土连续箱梁，跨径组合为(40+72+40) m，施工示意如图1所示，桥梁全长153.5 m(含两侧梁端至支座中心各0.75 m)。梁体采用变高度、变截面单箱单室预应力混凝土箱梁，0号块临时固结施工形成“T”构后进行对称悬臂施工，每个“T”构共包括9个对称悬臂节段。其中，0号节段长11.0 m，1号～4号节段长3.0 m，5号～9号节段长3.5 m，现浇段长5.75 m，跨中合龙段长2.0 m，无边跨合龙段。

图1 跨沂河西大堤连续梁施工示意(单位：mm)

2.2 BIM模型

BIM模型是施工监控体系实施和各项功能应用的基础[20-22]，根据桥梁施工图纸、机械设备以及监测设备，建立了LOD200级别的BIM模型。

2.2.1 连续梁模型

图2为跨沂河西大堤连续梁的BIM模型，建模时0号块单独建立一个族文件，除0号块的上部结构建立参数化箱梁通用族文件以满足上部结构施工过程中的尺寸变化，下部结构建立桥墩、承台、桩基一体化族文件。

图2 跨沂河西大堤连续梁BIM模型族库与整体模型

2.2.2 监测设备模型

传感器、采集箱、摄像头模型是监测方案拟定及仪器安装方案设计的基础。根据传感器、采集箱、摄像头的设备实物及尺寸，建立的监测设备模型如图3所示。

图3 监测设备模型

2.2.3 附属设施模型

附属设施模型包括如图4所示三角挂篮、供电箱、线缆支架和通信天线，用以辅助应力监测设备的安装与实施。附属设施建模均采用非参数化族，为基于BIM技术的应力监控方案设计提供基础。

3 应力监控框架与方案设计

3.1 应力监控框架

为实现桥梁施工时梁体应力数据的测量与预警，跨沂河西大堤连续梁桥施工应力监控的框架如图5所示，包括监控方案设计与实施、桥梁节段施工、应力监测与安全预警3个部分。

图4 附属设施模型

在监控方案设计与实施方面，首先根据施工资料及应力监控需求搭建桥梁和监控系统的BIM模型，然后进行监控方案的设计及模拟，包括确定监控设备的布置方案、线缆排布方案等，并据此安装传感器、采集仪及视频监控等设备。

在应力监测与数据安全预警方面，开发了传感器BIM模型与应力监测数据关联的功能，随着桥梁节段施工的开展，传感器采集梁体节段施工应力数据，视频监控记录施工过程。当应力监测数值超过设定阈值时，以软件界面弹窗、短信、邮件等形式进行自动预警，预警内容包括监测数据、监测视频和描述文字；当应力监测数值正常时，正常开展桥梁的阶段施工，从而完成桥梁施工全过程的应力监控。

图5 跨沂河西大堤连续梁桥施工应力监控框架

3.2 应力监测方案设计

3.2.1 测点布设

为监测桥梁在施工期间的应力状态，本桥共选取了如图6(a)所示的10个测量断面。每个测量断面布置5个应力传感器，共布设50个传感器。测点布置方案如图6(b)所示，其中测点1～测点3与箱梁上顶板距离为上顶板混凝土保护层厚度，测点4～测点5到箱梁下底板距离为下底板混凝土保护层厚度。

图6 应力测量断面与测点布置方案

3.2.2 采集系统布置方案

根据测点布设方案，拟定3种采集箱、仪器接线和供电设计的布置方案，图7为4号测量断面的代表性测点不同方案的布置示意。

图7 采集箱、仪器接线和供电设计布设方案比选

如图7所示，方案1的采集箱放置于0号块顶板处的电箱旁，通讯天线直接安装在采集箱上；测点4的仪器电缆由腹板引出至顶板，同测点1和测点2的电线通过梁体顶板一起接入采集箱。方案2的采集箱放置于0号块过人孔处，设备供电由顶板处电箱引出并通过施工孔引至设备；通讯天线伸出检查孔，就近接入采集箱；测点1和测点2的仪器电缆由腹板引至底板，与测点4电线一起从箱梁底板上缘接入采集箱。方案3的采集箱放置位置、供电设计和通信天线设计与方案2一致，测点1和测点2的仪器电缆由腹板引至底板，与测点4从梁体底板引出后通过线缆支架从梁体侧壁引至采集箱。

对比图7各布置方案可知，方案1实施方便，线缆长度相对较短，通信质量好，但是采集箱和线缆均暴露在桥梁顶板上，易受环境和节段施工影响；方案2和方案3中采集箱和仪器电缆均在梁体内，避免了施工环境造成的不良影响；但方案2的仪器电缆顺着梁底板顶面布设，易被临时施工物资和设施破坏。方案3相比方案1和方案2实施较烦琐，但是避免了施工对采集箱和供电线影响。因此，为避免应力测量的数据质量不受环境和桥梁施工的影响,方案3为实际施工中最为可行的布设方案。

为保证信号传输质量和供电稳定性，仪器电缆和供电线应尽量减少接头，监测前应对线缆长度进行设计。以方案3的4号测量断面各测点的仪器电缆和采集箱供电线为例，表1给出了基于BIM模型计算的线缆长度，施工长度为仪器电缆和供电线考虑冗余后取整，作为实际施工的参考依据。

表1 4号测量断面仪器电缆及供电线长度 m

综上可知，依托BIM模型可以完成所有测点排线设计，并统计出仪器电缆和供电线长度指导实际施工。

根据确定的方案3仪器及排线布设方案，依托BIM模型完成所有测点排线设计，并统计出仪器电缆和供电线长度以指导实际施工。

3.3 视频监控设计

视频监控应清晰记录节段施工过程，便于工程技术人员依托视频分析应力数据。特别是应力数据超过设定阈值时，有助于工程技术人员及时了解现场施工。视频监控应覆盖节段施工作业面，因此施工挂篮为最优载体。基于挂篮模型可选择合适的摄像头安装位置，为确保安装过程安全性和便利性，同时考虑现场挂篮的攀爬护栏，视频摄像头安装位置如图8所示，可见，监控视角可覆盖整个施工作业面。

图8 视频摄像头布设示意

4 应力监测方案实施

根据设计的应力监测方案，开展了跨沂河西大堤连续梁桥施工过程的应力监控。为避免供电线受施工设备及物资堆放的影响，利用绝缘电工套管保护线路，如图9(a)所示。图9(b)为施工现场仪器设备及电线的布置情况，由图9(b)可以看出，方案3设计的沿梁体侧壁的排线方式避免了施工方木堆放对仪器电缆的影响；从采集箱旁的仪器电缆可以看出，基于BIM模型计算出的仪器电缆长度考虑施工因素后，可以满足施工布线要求，仅少部分线缆有结余。

图9 应力监测系统现场照片

根据视频监控设计方案，在挂篮主桁竖杆上安装视频摄像头，如图10所示。视频画面清晰，实际视角与BIM方案视角相似且覆盖了整个施工作业面，为施工作业管理提供了实时画面，避免了传统安装需要实地测试调整。

图10 视频监控现场照片与视频画面

5 应力数据处理及分析

5.1 模型与数据关联

传统监测技术在信息共享和传递过程中难以实现仪器测点和应力监测数据的直观对应。为此，利用Autodesk Revit提供的API接口，开发了传感器模型与监测数据的关联功能并集成于附加模块，其操作界面如图11所示。通过勾选对话框中的传感器编号或者点选BIM模型中传感器模型，便可自动读取指定路径所对应的监测数据文件，并在操作界面绘制出应力数据曲线，便于工程技术人员及时了解测点的应力数据。相比传统方式不仅可以基于BIM模型直观检查测点数据，而且方便各测点对比以及时了解梁体受力。

图11 应力监测数据与传感器模型关联

5.2 应力监测预警

预应力混凝土连续梁桥施工期间，梁体混凝土压应力和拉应力均应满足设计要求。然而，传统监测技术的监测数据处理存在滞后性，而且需要依赖技术人员判读监测数据是否满足设计要求，当数据异常时难以做到及时预警，甚至导致工程事故发生；此外，传统监测技术由于缺乏施工视频监控和监测数据关联，监测数据异常时技术人员难以直观了解现场，可能会引起事故的进一步扩大。为保证施工过程的安全性，依托现场布设的施工视频监控，开发如图12所示的应力监测预警模块，并嵌入Autodesk Revit软件。

图12 安全预警模块

预警模块自动读取采集箱4G传输模块回传的应力数据，与设定的应力阈值对比，若应力监测数值超过设定阈值，则依据监测数据对应的时间自动截取摄像头记录的施工视频并存档，同时将传感器编号、超限数值等信息通过弹窗、短信、邮件分发给技术人员。为测试该功能，设置应力预警值为6.8 MPa，图12中界面即弹出警告弹窗。该功能将监测数据与阈值实时对比，避免了传统方式数据处理滞后的不足，同时施工视频可为超限数据分析提供参考。

5.3 应力数据分析

应力数据由传感器采集的应变数据和混凝土实测弹性模量计算得出，传感器应变读数包含结构真实受力应变和非荷载作用应变，非荷载作用主要包括温度效应、混凝土收缩徐变、测试初值的设定，故应力数据计算分析时需剔除其影响。测量断面5即0号块根部的应力监测数据与理论应力对比如图13所示。

图13 0号块应力对比(负值为压应力)

由图13可知：0号块截面各个施工阶段下的应力实测值与有限元计算的理论值变化趋势基本一致，应力数值较为接近，0号块截面在施工过程中全截面受压，实测压应力最大值在8.0 MPa以内，远小于梁体C50混凝土应力允许值。

6 结论

基于BIM技术开展了连徐铁路跨沂河西大堤连续梁施工应力监控方案设计及应用研究，重点开展了仪器方案设计、线缆精细化排布、监测数据与模型关联、监测数据预警等方面的研究，主要结论如下。

(1)应力监测数据表明：桥梁受力状态与设计基本相符，施工期间梁体混凝土均处于受压状态且小于材料设计值，梁体施工安全可靠。

(2)利用BIM软件建立了连续梁及监测设备模型，直观展示监测仪器布设，辅助决策线缆排布，实现了预应力混凝土连续梁施工应力监控方案的可视化与精细化设计。

(3)通过对BIM软件Autodesk Revit二次开发，实现了应力监测数据与传感器模型关联。开发的应力监测预警模块，实现了桥梁施工过程的应力数据实时读取与预警。