基于BIM技术的桥梁健康监测系统研究

赵芳 丁绪聪

摘 要：桥梁安全监测系统可实时掌握桥梁的安全使用状态、辅助桥梁管养维护，BIM模型可将多元化监测信息直观展示并反映结构信息，能够及时发现桥梁结构存在的缺陷与质量衰变，文章通过工程案例表明BIM与桥梁健康监测系统的结合能更加高效的把握桥梁结构的信息，为桥梁全寿命周期管理提供支撑。

关键词：桥梁;健康监测;BIM;桥梁管养

1 桥梁健康监测概述

近年来，随着国家经济的快速发展，我国在交通基础设施方面也在不断的发展，尤其是桥梁作为交通的咽喉工程，其数量也在不断的增加[1]。截止到2019年底，我国公路桥梁数量87.83万座，桥梁安全问题也是越来越突出。桥梁建成后随着投入运营时间的推移，桥梁各构件将面临受到各种损伤及内力状态的改变，相应桥梁的刚度和承载力就会出现不同程度的衰减，这些损伤和内力状态的改变如果能够预先获知并且进行适当的调整、维护、维修就不会危及桥梁结构的运营安全，否则将可能导致灾难性事故[2]。随着计算机、物联网、传感器等技术的不断发展，桥梁安全监测系统逐步的建立起来，可实时掌握桥梁的安全使用状态、辅助桥梁管养维护[3]。据了解，桥梁安全监测系统在合肥、武汉、佛山等地逐步覆盖整个城市桥梁，系统在桥梁结构出现安全问题之前能及时预警，并进行安全评估，从而降低桥梁安全风险，减少人民财产损失。

2 BIM模型在桥梁监测中的必要性

如何通过监测得到的多元化信息直观的展现出桥梁的结构信息，方便管理人员对桥梁进行管理至关重要。BIM即所谓的建筑信息模型，是具有可视化、协调性、全生命周期性的一种管理模式。通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，在这里，信息的内涵不仅仅是几何形状描述的视觉信息，还包含大量的非几何信息，在计算机中建立一座虚拟建筑，一个建筑信息模型就是提供了一个单一的、完整一致的、逻辑的建筑信息库[4]。BIM的本质是将工程结构数据化，采用三维技术解决二维的局限性，BIM技术作为建筑领域的一种新的建筑信息模型，因其较强的可视化性，以及其在项目管理过程中能否全流程的智能控制、协同工作等优点，逐步的各种工程类项目中应用起来。桥梁安全监测系统一方面需要对桥梁基础信息进行电子化处理，包括设计、施工、竣工图纸、维修加固报告及检测报告。另外一方面，系统涉及到桥梁结构不同位置的各种传感器，如索力计、应变计、水准仪及加速度计等。数据类型繁多，复杂。如何发现数据及桥梁结构本身的关系，透过大量、繁琐和多维数据，找出其中隱含的本质问题，帮助使用者理解大量的数据信息，且以可视化的图像方式让用户直观的感受到数据自己说话，就显得越来越为重要。

传统的基于桥梁安全监测的MIS信息管理系统，缺乏对传感器等设备空间位置、空间关系以及桥梁检测报告中的病害等信息的表达，桥梁BIM三维模型作为桥梁安全监测系统的重要组成部分，一方面可以进行直观的三维浏览并读取构件、桥梁病害信息，从而帮助其它非结构专业理解结构图纸及桥梁结构的问题;另一方面将三维图形处理技术应用到本系统中，可以使用户能够直接通过桥梁三维模型与系统实现交互，大大加强人机交互直观性[5]。

3 基于BIM技术的桥梁安全监测系统应用案例

合肥生命线桥梁监测项目共在51座桥梁上安装了健康监测系统，该系统应采用多维度数据分析方法与安全评估方法，能够及时发现桥梁结构存在的缺陷与质量衰变，并对应建立了BIM模型直观展示，本文将对此项目进行介绍。

3.1 BIM模型建立

主要建模内容包括桥梁上部结构、下部结构、桥面系、桥梁附属设施、及桥梁周边管网等信息。根据桥梁建设图纸和桥梁现场勘查情况，使用专业三维软件按照1：1的比例制作三维数据，建立桥梁三维结构模型，如图3.1所示。并根据桥梁现场实际情况，建设桥梁与公路衔接部位的三维模型，以及桥梁周边地物的三维模型。通过对桥梁结构及其附属设施、关键部件、传感器设备进行精细化建模，实现桥梁结构及附属设施以及监测信息的三维展示，为报警信息快速定位，桥梁全寿命周期管理提供支撑。

3.2 健康监测系统

桥梁结构安全的维护，是需要通过人工巡检、养护以及桥梁健康系统相互结合来实现的。桥梁健康监测系统应采用多维度数据分析方法与安全评估方法，能够及时发现桥梁结构存在的缺陷与质量衰变，并评估分析其在所处环境条件下的可能发展势态及其对结构安全运营造成的可能潜在威胁。当桥梁出现突发事件时，系统可通过监测数据与案例数据库、知识数据库的数据关联，在预案数据库中匹配相应的处置方案，辅助事件的处置工作。同时，系统应通过监测系统消息机制来辅助桥梁的巡检养护工作，做到日常桥梁巡检/养护问题发现到处理的全过程、全寿命周期的闭环跟踪管理。

桥梁健康监测诊断系统实现桥梁健康状况的实时监测与诊断，主要由前端感知子系统、数据采集与传输子系统、数据处理分析子系统和应用子系统等部分组成。系统主要具有以下功能：

3.2.1 实时监测

根据桥梁常见病害，结合桥梁力学计算分析及有限元模型分析，确定桥梁的安全敏感点（如位移、应力应变最大点等），并采用智能传感及物联网技术，实时监测桥梁关键部位或截面的结构变形、荷载、环境等安全与健康指标。

3.2.2 预测预警

通过多源信息融合、分析，实现对桥梁安全诊断、超限车辆识别、桥梁事故早期预警等功能，为管理者提供交通管制和桥梁养护的决策依据。

3.2.3 数据分析

针对桥梁关键构件和易损部位采集的海量监测信息，通过统计分析、对比分析、趋势分析、关联分析、模态参数分析等，深度挖掘桥梁环境荷载作用及结构响应的长期变化规律及其相关关系，为桥梁的日常养护和运营管理提供依据[4]。

3.2.4 安全评估

基于监测数据并结合桥梁养护维修档案等，利用桥梁结构评估模型，自动提取数据计算分析等，对桥梁安全状态定期进行评估。

3.2.5 决策支持

针对桥梁出现的结构异常、严重超载、车船撞击等突发事件，系统自动关联预案、案例、知识、现行的处理规范、以及匹配事件处置相关的机构和人员通讯录等辅助信息，为桥梁的抢险抢修、交通管制等提供决策依据。

3.3 BIM与监测系统结合案例

对某一座桥2019年第一季度监测数据分析发现，桥梁支座横向位移长期趋势异常，如图3.2，通过BIM模型很直观的定位到该传感器在桥梁上的安装位置，如图3.3，第一时间现场勘查并联合管养部门进行处置，利用登高车现场勘查时发现，西侧桥墩处，箱梁北端与盖梁挡块空隙较大，约6 cm，箱梁南端与盖梁挡块空隙处模板未拆除，已经抵死，拆除模板后，测量空隙约2 cm，如图3.4。该事件从发现数据异常到BIM直观定位再至最后的快速准确处置，充分体现了桥梁三维模型与系统交互及其作用。

4 总结与展望

BIM技术作为建筑领域的一种新的建筑信息模型，可以进行直观的三维浏览并读取桥梁信息，并通过桥梁三維模型与系统实现交互，大大加强人机交互直观性。以合肥桥梁监测工程案例表明，BIM与桥梁健康监测系统的结合能更加高效的把握桥梁结构的异常响应信息，并及时处置。为桥梁的安全预测及养护提供了 一种新思路。未来BIM技术在桥梁健康监测中将向着更加细化和数据化的方向进行，其中桥梁病害的BIM精确展示能将桥梁检测的结果直观体现，将作为桥梁健康监测结果的对照，为基于监测数据的结构状态评估提供依据，基于同时利用BIM强大的数据处理能力，对收集到的数据信息进行处理和分析，实现了桥梁养护的数据化 处理、信息化管理。

参考文献：

[1]马继成.受损钢筋混凝土梁式桥承载力计算方法研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]翁方文，朱浩，郑建新.大跨斜拉桥全寿命安全监测系统设计[J].天津：中国港湾建设，2017，37（3）：48-52.

[3]许宏亮，唐亮.西堠门大桥及金塘大桥结构运营监测综合管理系统总体设计[J].公路，2008（9）：354-357.

[4]张泳.建筑信息模型（BIM）的概念框架[J].价值工程，2012，31（8）：33-34.

[5]谢全宁.三维可视化桥梁远程健康监测系统的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2007.