BIM 技术在桥梁监测领域中的应用

马汝杰，马文琪，赵庆涛

（山东省交通规划设计院集团有限公司 全寿命周期BIM 技术应用研究中心，山东 济南 250101）

引言

桥梁是公路工程的重要节点，在建设期桥梁施工质量是保障项目安全性的关键一环，在运维养护期桥梁安全可靠的运营对区域社会经济稳定发展有着重大作用［1］。为掌握桥梁的施工质量和运营状态，工程上一般采用桥梁监测设施实时监测桥梁的震动、倾斜程度和变化参数。监测设备收集的数据信息经过数值计算方法的处理分析，可反映桥梁结构的动态变化情况，进而能够及时发现桥梁施工或桥梁运营过程中可能存在的病害问题，尽早地修复处理［2-4］。

基于BIM 的桥梁监测系统是将数据收集、数据分析、数据传送、安全评估及预测为一体的监测平台［5-7］。众多学者均把研究应用重点放在监测数据基于BIM 的可视化集成、可视化分析表达上，提升了监测系统的动态数据展示效果，但在监测方案的可视化和信息化表达上研究不足。

1 工程概况

新泰至台儿庄（鲁苏界）公路位于山东省西南地区的泰安新泰市，是山东省“九纵五横一环七连”高速路网规划中“纵五”线重要路段，是西部经济隆起带战略布局中对外联系的重要通道。在该项目施工建设过程中，全过程采用BIM 技术开展精细化管控。建立该项目典型桥梁结构的健康监测系统，实现运维期桥梁状态的实时监测。针对该项目中可利用的既有桥梁结构，需采用加固措施提高其力学性能和工作性能，同步增设部分监测设备，为桥梁后期养护提供数据支撑。

2 基于BIM 的监测方案可视化表达

2.1 施工过程监测

该项目在施工图交付时创建了全线（除既有结构）精细化BIM 模型，连续刚构桥梁按悬臂施工节段划分为最小构件单位并赋予唯一编码。桥梁施工监测方案要求：箱梁每一节段悬臂施工过程中，需进行4 个工况（挂篮就位立模后、箱梁混凝土浇筑前、箱梁混凝土浇筑后、纵向预应力钢束张拉后）下的挠度测量和高程控制测量；选定悬臂施工的不利截面，在悬臂段混凝土浇筑后和预应力张拉后进行应力测量。

按施工方案的要求，在精细化BIM 模型上通过放置空间测点的方式可视化表达监控方案，见图1。空间测点分为标高监测点和应力监测测点，测点坐标表达可为笛卡尔坐标系或经纬度坐标，并通过节段是否施工自动化控制在该工况下应完成的测试内容。

图1 施工过程监测方案可视化表达

2.2 运维期监测

典型桥梁健康监测系统是在竣工桥梁基础上，根据运维期的指标需求，现场安装监测设备实时监控桥梁运营状态。典型桥梁在运维期利用红外目标靶、基准靶和挠度传感器监测动挠度，利用应变传感器和应变智能采集仪监测动应变，利用温度传感器和通用信号智能采集仪监测结构温度，利用红外目标靶、基准靶和光电挠度传感器监测桥墩沉降，利用智能加速度传感器监测桥梁振动，利用高精度位移传感器和信号智能采集仪监测新旧梁板协同变形，利用网络相机捕捉桥面异常状况。

基于建立的监测设备和桥梁结构三维BIM模型，按照监测设备的现场安装位置，监测方案动态孪生于桥梁数字化形体之上。监测设备空间位置是基于工程桥梁模型确定，监测设备可作为桥梁构件进行运维期的管理和实时数据对接。以动挠度监测设备为例，说明桥梁运维期监测方案的可视化表达方法，见图2。

图2 动挠度监测方案可视化表达

2.3 养护过程监测

既有桥梁伴随监测可实时监测养护过程中桥梁的工作状态，养护完成后可作为运营期监测系统组成部分。道路线形在长期运营过程中会发生变化，而桥梁结构也会发生沉降，基于前期竣工设计资料不足以准确表达现状桥梁结构。伴随监测方案的可视化表达采用精准空间坐标点放置监测设备见图3。主体BIM 模型调整相应参数匹配监测设备的位置。

图3 伴随监测方案可视化表达

3 基于BIM 的监测信息集成

3.1 数据对接

3.1.1 基于空间测点的数据对接

空间测点的监测方案主要是施工过程监测，需要将构件编码体系与测点编码体系对应，通过构件变化驱动测点，集成工况下的测点数据，进而判断测定值是否符合理论计算的要求。

3.1.2 基于监测设备的数据对接

运维期和养护期伴随监测均创建了监测设备的精细化BIM 模型，但监测设备的数字化表达一般是在现场安装设备之前，为保证数字化监测方案与BIM 模型的同步交付，需预先创建监测设备的编码体系，后期根据现场安装设备的编码体系一一映射，进而将现场监测设备的实时数据传输到设备BIM 模型上，基于动态数据分析监测设备处的相关指标变化情况。

3.2 业务功能分析

基于BIM+GIS 监测管理平台，可按施工工况分析当前状态桥梁线形和受力状态；可即时动态分析监测过程集成的数据，观测其变化趋势和预警值；可查看历史监测数据，分析病害初始发生的时间，结合现场实际情况分析原因，做出快速响应措施。动挠度监测设备的即时数据和历史数据集成分析见图4。

图4 动挠度监测数据集成分析

4 结语

依托新泰至台儿庄（鲁苏界）公路探索了BIM技术在桥梁监测中的应用，面向施工过程监测、运维期监测及养护过程伴随监测的不同监测方案，采用基于桥梁BIM 模型标记测点、数字孪生桥梁BIM监测设施、实测空间坐标匹配设施模型等三种方式实现监测方案的可视化。针对空间测点及监测设备的数据集成问题，提出通过设备编码与设备数据映射的方法，实现监测数据的可视化表达、动态分析、历史追溯、预警分析等。BIM 技术在桥梁监测领域的应用，实现了桥梁养护的信息化管理，提升了桥梁结构的监测效率和安全性能，节约了时间与成本，推广应用价值较大。