大跨径连续刚构桥施工管控可视化系统研究

任万鹏，潘本金

（陕西路桥集团有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

随着智能制造重点专项“智能桥梁”为主题的“中国桥梁2025”科技计划的推行[1]，加之国家相关政策的高度扶持，桥梁施工管控技术迎来新的发展机遇。

国内外学者围绕施工控制系统开展了相关研究：Son 等[2]通过对桥梁建设项目管理进行研究，提出协同管理在项目进行中的重要性，总结出一个内部协作演化模型进行模拟，以此为基础提出项目的成功是需要不同个人之间的协作实践。Anumba CJ等[3]将项目协同工作的范围由设计延伸到施工阶段，建立了有效的方法来进行设计及施工信息的管理，开发了基于web 的项目信息管理系统。同济大学袁帅华[4-5]以互联网为基础，使用高速网络实现对施工现场的实时监控，并使用专家决策功能辅助工程控制。西南交通大学李乔[6]等人基于自适应控制法，开发了适用超大跨径桥梁的施工控制系统，包含控制制造、工况评估、参数是被修正、状态预测、控制决策等六大模块。

但是，目前的桥梁建设过程仍具有参与方多、信息复杂、协同管理困难等诸多问题，信息化建设普遍性不足，缺乏面向桥梁建设项目多主体的协同化、集成化管理的深入研究[6-10]。因此，施工控制软件需要从单一功能、静态演示、客户端形式，逐步向多功能、动态化演示、浏览器端形式转变，并结合多软件交互等技术实现软件的集成化转变[11-15]。

本文针对波形钢腹板桥梁施工控制精度高、控制难度大的特点，开发了一套基于B/S（浏览器/服务器）架构的施工可视化管控系统。该系统将二维平面化信息与三维实体深度融合，通过在三维场景中高度还原真实桥梁施工状态，实现信息流的立体化展示。研究结果可以帮助桥梁施工管理人员更加直观地获知现场结构状态，提升桥梁施工管控效率。

1 系统开发技术

波形钢腹板三维管控可视化信息系统的主要功能为：

（1）对施工过程中的信息进行收集汇总，实现对数据的实时监测与修正，提高施工信息的实时交互能力，以实现对施工过程的实时管控；

（2）建立施工过程动态展示模型，将设计、施工的关键信息以图形化方式展示，提高施工过程中的信息沟通效率。本系统框架见图1。

图1 系统总体框架图

本系统采用微软公司公司开发的.NET 开发平台进行开发，该平台可实现对软件开发过程的多层面功能，为WEB 架构提供一个便捷的开发环境。考虑到目前主流的开发语言中C# 与该平台的匹配度最好，便于后期维护，故选用C#为开发语言。.NET 开发平台与传统的开发平台相比，开发语言多样，语言包容度更好，在该平台开发的应用可以较为方便的进行多系统应用，并且开发语言遵循共同协议，提高开发效率，所以本系统采用.NET 体系作为开发平台，并选用VisualStudio.NET 作为系统的开发环境。

目前软件开发主要分为C/S 和B/S 两种结构形式（见图2）。C/S 结构称为客户/服务器结构，在该结构中，任务在客户和服务器端分配，通过机器硬件将任务解析，两端通讯开销很小，不过多消耗网络资源，但任务完成水平受限于机器硬件条件，早期软件开发多采用这种结构。随着互联网技术的日趋成熟，以B/S（浏览器/服务器）结构设计的系统开始逐步得到发展，使用这种结构可以减轻客户端的硬件压力，避免繁琐的客户端升级过程，可直接通过WEB 端运行，降低了硬件要求与运维成本，具有很好的便捷性和适用性，因此，系统开发选择采用B/S 软件架构。

图2 B/S 架构和C/S 架构体系架构图示

2 主梁线形预测方法

使用C# 语言开发了Matlab 的接口模块，实现系统数据与Matlab 计算模块的交互，达到对桥梁主梁线形预测的目的。

2.1 接口开发

系统设计模式：B row ser/Sever架构（浏览器/服务器架构）。使用浏览器上传数据后，返回服务器计算显示结果。

表示层开发技术：基于Severde 的神经网络计算，基于C 语言的中间业务模块、Matlab 接口模块，基于.Net的Web 页。

MEC-BP 算法的实现逻辑：在最底层的MEX 文件中使用Matlab 语法编写。

计算引擎组件：在已有的环境和逻辑下，通过开发接口模块Matlab Anncom 类（变量包括网络结果参数、工作空间路径和训练数据），实现对程序的通信控制。系统体系结构见图3。

图3 系统体系结构图

神经网络构造函数：训练数据的设置使用SetAdapt Matrix 函数；模拟数据的设置使用SetSimulate Matrix 函数；神经网络的推理使用Ann Simulate函数。

2.2 线形预测

在线形预测窗口，通过对系统中录入信息的读取，将系统数据带入有限元模型中进行计算，得到预测线形的响应输出，并通过图形化界面进行展示。对输入参数进行录入，调用MATLAB 接口实现预测值计算，并通过图形显示预测值与实测值的变化规律。从曲线变化可以看出，线形预测差值与实测差值拟合精度较好，能够满足误差变化规律，预测结果可以指导施工。

3 工程应用

3.1 工程背景

梁渠沟大桥位于陕西省旬邑县湫坡头镇车门村南、太村镇张家村北，是陕西省首座波形钢腹板预应力混凝土连续刚构桥。主桥全长430 m（75 m+2×140 m+75 m），顶板12.65 m，底板宽6.65 m，跨中梁高3.5 m、墩顶梁高8.5 m，墩顶至跨中梁高以1.8 次抛物线的形式变化。成桥效果见图4。

图4 梁渠沟大桥成桥效果图

3.2 系统主界面

用户登录主界面后，可通过上侧导航栏进行不同子系统。在主系统界面，用户可查看到桥梁的实时动态展示模型，通过该模型了解到项目的基本信息、施工进度状态、结构构件信息等，并且通过该界面可以实现对不同子系统的管理。

主界面系统主要分为4 个区域：（1）菜单栏，主要用来提供各子系统导航入口；（2）子菜单栏：提供子系统各功能模块的导航入口；（3）选项卡展示栏，用来方便快捷的打开已有界面；（4）信息窗口，用来展示当前模块的功能信息。

系统管理界面可对系统的基本信息进行设置，主要功能有：桥梁参数的定义、用户权限管理、系统菜单与子系统名称管理和系统日志管理。在桥梁参数定义模块中可定义当前工程的基本信息，通过对桥梁基本信息定义实现对施工信息的管理。在人员管理模块实现对不同登录账号的管理，并通过角色管理模块对不同账号赋予相应权限。

3.3 施工过程动态演示及监测子系统

3.3.1 动态演示模块

该模块使用WebG L 技术实现桥梁施工模型的三维动态展示，该技术较好的解决了WEB 平台交互式三维模型存在依靠外部插件、无法跨平台展示、兼容性差的缺点。依托该技术，三维模型可以在浏览器平台实现动态展示与数据交互，无需依靠额外插件并且适用多种平台。模型仅通过机器显卡进行3D 渲染解析，方便用户随时查看，提高了系统的便利性。

施工模型动态展示模块主要功能是进行施工过程模型动态演示，并查看施工过程中块段的主要施工信息，见图5。通过视图按钮进行三维模型的不同方向展示，对细部构件的细节展示；通过工况选择栏查看不同工况下的施工状态及施工信息，当鼠标停留在块段上时，可以查看当前施工阶段该块段的主要信息（施工进度、高程监测值、应力监测值、人员信息等）。同时该模块预留模型的外部导入接口，可将高精度激光扫描仪扫描得到的三维模型以及第三方建模软件建立的模型导入。

图5 桥梁可视化施工模型

3.3.2 线形及应力控制模块

为了保证桥梁施工过程中的施工质量与结构安全，必须时刻掌握施工中的动态信息，作为施工控制中重要的控制指标，线形和应力的控制管理更为重要，因此本系统的核心模块就是线形和应力控制模块，该模块主要通过图形化界面显示，便于管理者发现趋势，及时发出控制指令，两个模块的功能如下：

（1）线形模块

线形模块可管理施工过程中不同阶段不同块段的理论高程、实测高程、预拱度信息、挂篮变形量、累计位移等，利用统一的数据模板对施工控制中的测量结果进行导入，便于数据管理，见图6，同时将测量数据图形化显示，对理论值与实测值的变化趋势进行展示。

图6 线形控制界面

（2）应力模块

为保证桥梁施工安全，达到设计要求，对施工过程的主梁和桥墩处关键界面应力应变进行监测也是施工管控的主要组成部分。由于受到钢筋混凝土材料本身的不稳定性、模型选取参数的不准确性、施工工况的复杂性以及计算软件对实际模拟的不精确等因素的影响，在施工过程中测得的实际应力很难和理论计算所得应力完全一致。因此在开展应力测试时应需对监测结果进行误差判定、分析和处理，及时调整，使理论应力与实际应力差值控制在规范规定范围，保证施工安全与结构可靠性。该模块可管理各施工阶段的测点应力信息，包含各应力测点的理论值、实测值、预警值，并通过图形化方式动态显示数据变化规律，通过数据对比为管理者提供决策依据，见图7。

图7 应力控制界面

3.3.3 工程数据管理子系统

因系统将一个工程作为单独的项目进行管理，故在不同项目下，需要对项目中产生的各种信息进行统一管理汇总，该子系统主要对以下两方面信息进行管理：

（1）施工进度和计划：该系统可对施工进度与计划信息进行管理，通过点选左侧导航栏，进入不同管理项目，在施工进度项目中可填写不同工序对应的开始和完成日期，最终形成横道图。

（2）应力与高程数据：该系统对施工中的高程和应力数据进行管理，可将E xcel中的数据，通过批量复制的方式输入对应高程测点的设计值、测量值等信息，提高了输入效率。

3.3.4 成果输出子系统

为了提高系统的数据交互能力，便于施工管理人员随时查看项目信息，方便数据的传递交互，在该系统中设置成果输出子系统。该子系统基于云理念，将数据存储于特定服务器中，数据交互时无需携带存储设备，仅通过WEB 端即可查看数据。因此该子系统可实现对施工过程中产生的各种记录信息的录入与导出，如立模指令、施工周报、施工月报等，用户可将上述文件上传至数据库实现云存储，并可将上述文件导出为常用的软件格式，方便编辑打印。对项目记录文件，如周报、月报、立模指令等文件，已经施工过程中的影响资料文件均可实现电子化管理，方便数据的追溯与查询，提高了项目的管理效率。

4 结语

本文通过自主开发的CSW-PC 连续刚构桥施工管控三维可视化信息系统，对系统开发技术与各模块功能进行了说明和演示，介绍了施工模型的三维动态展示与施工数据动态监测的成果，并将之应用于梁渠沟大桥的线形预测中与施工可视化管控中，取得了很好的效果。

（1）该系统实现了施工过程中信息流的高度集合，提高了施工参与各方的管控效率，取得了良好的工程应用效果。

（2）目前施工管控三维可视化系统的许多功能还未完善，后续在施工信息自动化采集、三维模型实时导入、施工模型动态演示等方面还有待完善。