基于BIM的桥梁健康监测及信息集成

（武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

0 前言

桥梁健康监测系统是保障桥梁安全运营的重要技术手段，已在国内外众多桥梁工程中得到应用。然而，传统桥梁健康监测系统存在海量数据可读性差、突发事件下难以评估等缺点。借助BIM（Building Information Modeling）技术，提出新型“BIM+健康监测”模式下桥梁健康监测系统架构，开发了基于BM 的桥梁健康监测系统，实现了桥梁安全运营的多用户协同管理以及监测与养护一体化运维管理。

近年来，我国的桥梁建设取得了长足发展，但桥梁的使用状况并不乐观。由于复杂环境负荷的持续作用而导致的退化速度远远超出了设计预期。如何确保桥梁结构的安全运行已成为政府，业主和公众的难题。这是一个重要的问题。结构完整性监测系统通过实时监测外部影响和结构反作用力来评估桥梁的安全性能，并已作为国内外公认的重要技术工具应用于国内外许多桥梁，以确保桥梁的安全运行。但是，桥梁状态监测系统中的各种传感器每天都会收集大量的监测数据。如何科学有效地管理和使用这些监测数据以防止这些监测数据成为“表面形式”，这是桥梁条件面临的关键问题。

BIM 技术在建筑行业中日趋成熟的应用为桥梁状况监测系统和监测数据管理开辟了新思路。建筑信息模型（或建筑信息模型）技术（BIM，建筑信息模型）旨在以数字和非正式的方式代表建筑项目在其整个生命周期中的各种物理和功能特征。BIM 技术及其应用属于一个具有广阔发展空间的新学术领域，自ChuckEastman 在1970年代提出以来，它以其强大的可视化性能，高协调性和便捷性在工程领域引起了很多关注。画画。目前，BIM 技术被广泛应用于房屋建筑领域，并且对诸如桥梁之类的基础设施的应用研究也在逐步发展。在设计和生产阶段使用BIM 技术可带来33，360 个专业协作设计优化，复杂节点设计，管道崩溃检查，更准确的设计审查（包括有限元动力学分析），绿色建筑模拟和更精确的工厂等优势。预制零件的机加工。在施工阶段，BIM 技术还广泛用于施工过程模拟和施工进度管理，将3D 模型转换为2D 工程图，相关数据管理以及质量和安全管理。但是，除了资产管理应用程序外，在运行和营养保护阶段，BIM 技术在土木结构的安全性，适用性和耐用性方面的应用相对较少。

本文在充分调研传统桥梁健康监测系统存在的问题基础上，结合BIM 可视化技术及其BIM 模型应用，开发了新型“BIM+健康监测”模式下的桥梁健康监测系统，建立了海量监测数据的自诊断、可视化、实时预警和安全评估的综合管理平台，实现了桥梁安全运营的多用户协同管理以及监测与养护一体化运维管理，为BIM 技术在桥梁健康监测中的应用提供新思路和方法。

1 传统桥梁健康监测系统存在的问题

结构健康监测系统最早源自于航天航空领域，20世纪80年代逐渐引入土木工程行业，在桥梁领域发展迅速。桥梁健康监测系统发展可以划分为3 个阶段。早期桥梁健康监测系统属于单项健康监测系统，传感器种类有限，采集设备安全度不高，监测时间有间隔，不连续。经过多年发展，桥梁第二代健康监测系统的传感器种类大大丰富，采集系统较为完善，实现数据的连续采集，并且有数据库管理软件对数据进行管理。目前发展到桥梁第三代健康监测系统，在第二代监测系统的基础上，强调对监测数据的处理，并利用监测数据进行结构健康状态的在线评估、在线预警，并为深入地离线评估提供支持。

尽管桥梁健康监测系统已在国内外众多桥梁中得到应用，然而，通过调研发现，国内外桥梁健康监测系统大多数只进行监测数据的采集与保存，在以下几方面仍有诸多问题：

桥梁安全预警的实时性。桥梁在长期运营过程中，因受各种因素的影响会逐渐出现病害，其结构性能不断劣化，进而严重威胁着桥梁的运营安全。为满足桥梁长期安全服役的需求，需要对桥梁结构关键构件或者整体结构开展失效分析与预测，在此基础上对桥梁可能的失效模式进行安全预警、控制和处理，实现桥梁服役失效可防、可减、可控。

突发事件下的安全评估。桥梁运营过程中不可避免发生车/船撞击、台风和地震作用或其他严重突发事件，需要及时准确地对桥梁的服役状态进行评估并提供安全应急管理措施，保障桥梁运营畅通及通行人员的安全。为此，需要建立突发事件下桥梁安全运营管理平台，通过动画、声音、电子邮件、短消息等多种形式实现桥梁安全预警的可视化综合分析及动态管理。

2 桥梁健康监测

由于从桥梁状态监测系统获得的数据具有大规模，多维，复杂和随机的特点，因此监测到的数据包含大量的无效信息和干扰信息，使得监测结果无效。因此，有必要为收集的监测数据建立一种自诊断方法，以保证监测结果的准确性。监测数据的可视化，由于所涉及的监测指示器的多样性而对桥梁状况的监测以及为每个指示器获得的大量信息。从业者努力地正确理解这种监测数据。因此，有必要对监测数据进行可视化以满足行业相关人员的需求。实时警报。桥梁将从施工开始一直运行直至达到使用寿命。为了满足桥梁的长期安全服务需求，有必要通过对桥梁的关键位置进行故障分析和预测并及早预警，控制和处理可能的桥梁安全问题来实现现实。使时间警报和桥接健康问题可预防和控制。紧急情况下的安全评估。在桥梁运营期间，不可避免发生严重的紧急情况，例如车辆/船舶碰撞，台风和地震。为了使桥梁平稳运行，必须及时准确评估桥梁的运行状况，并提供安全应急管理措施。过往人员的安全。因此，有必要建立应急的桥梁安全运行管理平台，并通过动画，语音，电子邮件，短文本等多种形式实现桥梁安全预警的综合可视化分析和动态管理。

如果今天提倡“ Internet+”，则工业信息化是一个普遍趋势，BIM 技术的积极推广和深化将有助于结构性产业的转型和升级。结合BIM 技术，BIM数据模型，空间定位和Internet 技术进行数据收集，数据共享以及用于状态监测的数据共享，从而形成“信息集成监测”的概念，从而得到深入应用和积极扩展。分析和健康评估等服务功能可提供全面而完整的信息解决方案。同时，实现了对监控系统实施单元，桥梁管理单元和政府管理部门第三方专家评估的开放权限，从而实现了多用户集成平台。基于以上分析，构建了一种桥梁工程状态监测与BIM 技术相结合的BIM 协作平台，通过监测数据源提供了及时，准确，可追溯和集成的状态监测与维护能力。以及跨学科协作管理服务。

“信息集成监测”模式下的桥梁状态监测系统包括状态监测模块，扩展计算模块和通过数据库连接的BIM 模块。健康监测模块收集并分析数据，获取压力和位移等监测项目的数据结果，并将其存储在健康监测数据库中。扩展计算模块采用不同的算法，根据不同的监控项将单个传感器的计算结果扩展到整个桥梁，并根据组件类别存储扩展的数据库。传感器的测点布设如表1所示。BIM 数据库链接到前两个数据库，并且主要检索结果并将其存储在中间数据库中，并通过BIM 模型进行显示。它的主要功能分为4 个模块：传感器自我诊断和维护模块，状态监测数据BIM 可视化模块，日常工作中的统计分析和预警模块，极端情况下的链接分析和评估模块。

针对数据丢失，丢失，数据趋势突然变化，数据漂移，数据奇异性，监测数据的长期干扰和噪声干扰等失真源，建立了一系列的监测数据自我诊断和预处理方法。BIM 数据库监测数据使用预处理程序进行编译。该程序的主要功能是通过确保数据的完整性和可靠性来智能识别异常状况监测数据并纠正异常值。该程序算法的特点是将许多智能和机器学习算法应用于监测数据的自诊断和校正，以及多维和多角度异常数据的识别。算法包括支持向量机，神经网络，遗传算法，小波分析等。

3 BIM 的应用重要性

BIM 适用于建筑物的整个生命周期，对于建筑物的设计，建造，运营和维护具有重要意义。通过建筑物BIM 形成的三维物理图像解决了人脑难以想象复杂建筑物面对的空间的问题，因为它可以直观地在人面前显示复杂且不同的建筑物[2]。为了优化设计，可以将施工过程中的更改及时传达给项目参与者，以采取行动。这减少了施工期间的返工成本，改善了项目各方之间的及时沟通，并为企业带来了巨大的利益。通过使用BIM 模型的非几何信息，例如建筑物设计和施工阶段的数据信息，检查信息，设备信息，可以管理建筑物的运行和维护，资产管理，防灾等，以及整个建设项可以管理生命周期内生成的数据。BIM 的最大优点是改善了建设项目的信息化，并改善了项目期间信息的动态传递。

此外，BIM 模型还可以用作查询，更正和删除检查信息的可视介质，并且可以合并在桥梁检查过程中生成的数据信息，例如疾病描述，检查照片和其他非几何信息。桥梁测试计划包括各种测试设备的布局，例如应变仪，静态和动态负载测试负载，车辆的负载位置和负载顺序。在传统的桥梁检查中，这只能通过各种符号表示在二维图纸上，并且很难直观地展示检查计划，现在对于已制定的计划，监测技术通过虚拟仿真生成各种检测设备和动载集成到BIM 模型，管理人员即使没有前往实地参与实验检测也能够通过模型直观的评估检查计划的实施。

4 BIM 的集成应用

BIM 模型是自定义模型，可以根据需要自定义模型的属性栏，从而使检查员可以在检查过程中根据现场的各个组件进行记录。工作完成后，根据现场检查数据，判断工作状态，并记录检查后的距离，为以后的检查提供参考资料[4]。获取所有检查数据后，可以使用BIM 模型对数据进行清理和分析。详细列表以表格格式显示从项目的默认元素属性中提取的信息。详细表可以列出原始类型的每个实例，过滤器可以过滤所需的数据。如果桥梁检查员需要分析特定数据，则可以选择数据并选择显示功能来放大并在模型视图中显示组件，以查明复杂BIM 模型中的确切位置[5]。

集成系统风监测的主要功能是监测外部风的大小和方向等状况，其架构图如图1所示。桥梁建造完成后，除了在外来人员和车辆通过过程中产生的负载外，它承受的外部风力也是主要负载的一部分。预警阈值具有一定的及时性，因为桥梁结构的性能具有随时间变化的重要特征。结合实际服务状态，必须定期检查，补充，更正和优化各种参数的阈值。最大限度地减少预警的发生，降低结构的运营和维护成本通常，环境温度的变化也会改变桥梁部件的温度，并且部件温度的变化会在部件内部产生应力。不同类型的桥组件对温度变化的敏感性不同，导致每个桥组件在相同环境温度下的温度分布复杂。环境温度监测数据的集成可以识别每个组件的温度分布规律，并为后续数据分析提供基础。在弯曲变形的情况下，桥梁结构的挠度是指梁轴在垂直于轴的方向上的线性位移，或在变形超过时板壳在垂直于中平面的方向上的线性位移。一种。某些值会影响腿的使用。从桥梁建造到使用过程中发生问题时的危险桥梁重建过程中，都必须准确监测桥梁挠度值，该数据是桥梁状态监测的指标之一，具有重要的延续性参考价值。使用腿。桥梁是公路运输船的核心结构之一。由于诸如混凝土蠕变和预应力损失等因素，应力分布与理论值有所不同，如图2所示。由于桥梁结构的应力会影响桥梁的性能，因此需要进行适当的测量。

图1 集成系统架构图（来源：百度文库）

图2 健康监测数据分析效果对比图（来源：百度文库）

图3 基于BIM 碰撞检查的实时预警流程图（来源：百度文库）

从获取检查过程的基本数据开始，检查人员可以基于BIM 模型获取桥梁结构信息和历史检查信息，并利用BIM 技术的视觉直观性来实现测量点布局计划和检查设备布局模拟。在执行现场检查时，检查人员将自定义属性列添加到特定的组件模型中，例如在伸缩缝上添加间隙，以完全记录组件的损坏状态。检查人员在处理检查信息时，可以用清单或贴花的形式将检查照片集成到模型中，根据检查数据和技术状态评价来判断组件的运行状态，并为它们着色以提示检查人员和管理人员。操作人员可以更直观地掌握桥梁的实际工作状态，准确掌握桥梁监测数据的变化，减少了对监测信息的理解和分析的难度，为桥梁结构的健康评估提供了方便。最后我们使用BIM 的详细列表功能来构建测试数据数据库，为管理部门进行长期分析提供基础[6]。

表1 传感器的测点布设

5 结果与讨论

考虑到现有桥梁检查中存在的问题，深入分析了BIM 技术在桥梁检查中的有效性和优点。我们为桥梁可变截面箱梁开发了基于BIM 的参数化建模插件，并研究了如何在桥梁BIM 模型的基础上将BIM 应用于桥梁检查。检查人员在准备检查时可以使用BIM 模型获取桥梁的各种基本信息和历史检查记录，并使用BIM 强大的可视化功能模拟检查设备和桥梁的静态载荷测试载荷计划和测量点布局计划[7]。检查操作员在计划和评估，沟通和协调检查操作以及安排装载车辆方面提供了极大的便利。组件技能状态得分的自动计算可以通过公式编辑来实现。在检查信息处理阶段，检查员可以以列表或贴花的形式将检查图片合并到BIM 模型中，从而使管理人员可以完整直观地查看疾病位置和疾病状态。在整个生命周期的每个阶段，都使用统一的信息列表（例如工程信息，测试设备信息和测试数据）将数据和文件数字化，以便管理人员可以跟踪和分析疾病状况，以提出有效而合理的维护措施.BIM 使用情况可视化功能根据测试数据和技术条件的评估，更改测试设备或组件的BIM 模型的显示模式，以反映组件的实际运行状态[8]。

本文针对现有的基于BIM 技术，大数据可视化和集成管理理念的桥梁状态监测系统的瓶颈，提出了一种在“集成信息监测”新模式下的桥梁状态监测系统架构，并进行了传感器自诊断。与维护模块，状态监测数据的BIM 可视化模块，日常工作的统计分析和预警模块，在极端情况下的联动分析和评估模块一起设置桥梁状态监测系统实施单元，多用户协作管理桥梁管理，如图3所示。单位，政府行政部门和第三方专家。集成了维护的运维管理平台为BIM 技术在桥梁状态监测中的深入应用提供了新的思路和技术。