BIM技术在桥梁运营阶段的应用研究

杜德润，乔素新

(中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100)

0 前 言

随着时代发展，桥梁结构形式越来越复杂多样，随之对安全质量的要求也越来越高。因此，及时发现桥梁病害进行养护管理引起越来越多的关注，桥梁工程要实现全生命周期的监测目标是一个很大的挑战。近年来，随着科技的进步，桥梁监测朝着智能化方向发展，将BIM技术应用到桥梁健康监测系统中是一个新的发展趋势。BIM技术具有可视化性、周期性和协同性，支持项目全生命周期监测管理。目前，BIM技术在桥梁工程领域的应用多在前期的设计和施工阶段，而后期运营阶段的实用化进程还处于探索阶段。本文主要介绍BIM技术在桥梁工程运营阶段的一些应用以及优势。将BIM技术应用于桥梁工程的运营阶段，必定使桥梁的运行更加高效、健康和安全。

1 BIM技术与监测技术介绍

1.1 BIM技术介绍

BIM技术可以说是一种多维模型信息集成技术，利用信息集成方法将所有的信息整合在3D模型内，BIM技术的应用涉及项目周期的各个环节，让不同的使用单位针对各自的需求使用。不同阶段的同一模型信息可以使项目的所有参与单位(设计、施工、运营管理、造价、用户等)共享使用，实现在BIM模型中操作项目信息，提高工作效率和质量目标。

BIM的概念最早出现在20世纪70年代，此后随着计算机水平的提高BIM开始快速发展，在美、英、日、韩等发达国家快速推广应用，目前国外BIM的应用已取得了较好的效果。我国的BIM研究起步较晚，在政府的大力推动下，虽然在建筑业实现各阶段均应用BIM技术还任重道远，但BIM的推广将会越来越顺利。

1.2 监测技术介绍

结构健康监测起源于20世纪50年代，它是一门涉及计算机技术、工程技术、传感技术等多个专业在内的交叉性学科。随着社会的发展，人们对突发安全事故日益重视，结构健康监测的应用从航空领域逐渐到土木工程领域，例如重要的桥梁结构、高层建筑监测等。桥梁结构监测是通过在桥梁结构的关键部位安装各类传感器，利用传感技术以采集结构的响应信息，传感器会将监测和收集的数据实时传输给计算机，并形成数据库，结合数据库的信息，计算机会用相关的算法处理釆集到的数据自动分析并预测结构的各种响应、结构的安全性，并以可视的界面形式实时显示出来。若出现不利于结构正常运行的响应会采取预警及限定措施，以避免事故发生的可能性，是一种能够评定结构状态并确保结构运行安全的监测系统[1-2]，典型的健康监测系统主要包括4个子系统，如图1所示。

图1 健康监测系统构成

随着科学技术发展，结构日益向大型化、复杂化方向发展，结构监测技术的研究也日益广泛，并取得了一定的成果。然而，从理论研究到应用的完善还有许多问题需要解决，健康监测技术的实际应用还未达到监测系统的目标，如监测系统的合理设计、数据的处理与特征提取以及损伤识别与评估等问题还没有完善的解决方法。

2 桥梁健康监测系统的研究现状及不足

2.1 对中、小跨径桥梁健康监测相关的研究相对较少

随着桥梁建设的迅猛发展，桥梁健康监测系统的地位凸显，当前桥梁健康监测研究已取得丰硕的理论成果，但占据桥梁很大比例的中、小跨径桥梁往往被忽视。目前桥梁监测系统都是通过量身订制实现一桥一系统管理，昂贵的监测成本造成了在数量众多的中、小桥中无法普及。目前中、小跨径桥梁养护管理尚属薄弱环节，但是事实上桥梁事故往往都发生在中、小跨径桥梁，需要对中、小跨径桥梁的状况提高重视[3]。

2.2 缺乏有效的数据管理与分析

桥梁健康监测的目的是通过实时监测桥梁结构并对获取的数据进行分析来诊断桥梁结构，其中监测信息管理是监测阶段的核心环节。如果没有一个可靠的后台系统，监测产生的海量信息很难有保障。健康监测不仅仅是监测数据采集，更核心的技术是监测数据的分析，从而判断桥梁的损伤位置和程度，随着研究的深入以及健康监测技术的不断发展，进一步可以为桥梁维修、养护与管理提供指导。反问题的求解是指通过对桥梁响应的测试(动力与静力响应)，来反推桥梁各个位置的结构特性与力学状况，而实际获取的响应中不可避免地受噪音影响，这种微小的误差也会导致最后分析结果千差万别，因而对于桥梁运营中的监测数据分析方面的研究还不太完善[4]。

2.3 自动化、智能化水平低

桥梁监测管理的工作模式、管理方式相对滞后，比如结构监测手段机械化、记录病害平面化、资料管理静态化，浪费大量人力、物力和财力。对于智能化技术的应用，仅限于某些初级的桥梁监测系统，桥梁管养工作的质量和效率难以提高，桥梁管养水平要想进一步发展必须提高自动化、智能化水平，依靠高专业度的健康监测系统作为支撑。

2.4 评估标准不完善

传统监测系统的监测对象一般是单个桥梁构件，每次监测结果只能给出单个构件的损伤情况，无法对桥梁的整体情况做出全面的评估，监测系统缺乏整体性。现在桥梁监测系统大多都是针对某座桥梁开发的，没有形成统一的标准，缺乏通用性。目前没有可以作为参考的标准，国内还未分类建立行业范围内统一的系统平台，同样的桥梁评估，不同的专家评估结果会存在很大的不同[5]，人工评估主观性强，难于量化。

3 BIM技术在既有桥梁运维管理中的具体应用

3.1 全景观察

基于BIM的桥梁健康监测系统充分利用BIM可视化特点将抽象的CAD平面图转换成直观、精细的三维桥梁模型。通过相关BIM软件对项目整体情况进行深度模拟，充分展现桥梁以及周边的环境情况。通过基于BIM技术开发的运维管理平台可以让各部门工作人员快速了解桥梁各部件的组成，准确掌握桥梁的整体情况，直观、形象的节点构造图如图2所示。

图2 节点构造三维详图

全景观察尤其适用于管理隐蔽工程，在桥梁监测中会布置一些监测设备可能在某个不被注意的位置，特别是随着桥梁监测年限的增加，管理人员更换造成查找不便。基于BIM平台的运维管理可以在三维模型上直观显示相对位置，便于维修和定位。相关人员也可以随时调整这些设备信息，保证信息的完整性和准确性。

3.2 巡检模式

桥梁投入使用之后的病害监控尤为重要，BIM技术除对桥梁工程进行三维模拟之外，还可以对桥梁完成巡查工作。基于BIM平台的桥梁运营管理系统向管理者提供交互式、可视化的管理工具，桥梁维修人员通过BIM平台可以直观地掌握构件的病害数量，更准确地制定维修方案，有效降低修理成本并提高修理效率。

基于GPS和GIS技术的桥梁监测系统的构建可以规范桥梁管理者对桥梁病害的记录，利用BIM模型的三维可视化技术解决不能直观显示病害分布的问题。

病害信息以图形表示的方式显示在BIM模型的适当位置并用不同的颜色区分病害发生程度。维修人员检查病害问题、制定维修方案并且实施这一系列过程都可以完整地保存，为后续工作提供参考。

3.3 项目协同管理

项目管理一直是工程中的难题，管理落后、人员素质不高加上我国建设的基本国情，项目管理面临很多问题。二维设计图增加了工程施工的难度；工程成本计算不准确；项目各方缺乏协同性使得信息传达沟通不足，这些问题直接影响工程质量和经济效益。引入BIM技术进行项目管理上述问题明显地得到了改善。BIM技术可以集成整个项目的信息和数据实现资源共享，所有参与方都可以协同工作。

基于BIM平台的项目管理具有很多方面的应用，具体如下：统一管理招标文件、工程合同、支付款单等其他工程附件；对资产、空间利用虚拟现实技术进行管理，更好地分配资源和做出决策；准确掌握结构运营情况对突发事件迅速应对和及时处理，减少不必要的损失。在设计、施工和运营阶段BIM可以完成整个项目的管理，实施资源规划、资金风险管理、节能降耗和提高效率等使项目协同管理更上一层楼。

4 BIM技术在桥梁运维管理中的优势

BIM技术的优势在于不同于传统的工作模式和管理方式，它改变了传统的粗放式管理弊端，向先进集约式管理方式转变，在进度控制、可视化仿真和监控等方面进行了创新。结合BIM技术提供的信息模型，可以很方便地查找建筑构件几何信息以及工程项目信息，促进了桥梁工程建设和管理的自动化和智能化，降低了项目成本，提高了管理效率，促进了交通运输可持续发展。

BIM技术可以联结建筑的规划、建造和运维管理各个阶段，在运维阶段，桥梁监测系统在BIM平台中以桥梁三维模型为基础实现可视化效果，以信息管理为技术核心实现桥梁信息的三维可视化管理。BIM的加入改善了传统的项目信息管理方式，增加了各专业和各阶段相互工作的协同性，大大提高了工作效率。在运营阶段不仅提供了设计和施工阶段的较为全面的信息，更在管理上提供了平台基础。首先，BIM技术使得各种桥梁信息都能够动态地呈现；其次，运营阶段需要对大量的数据和图表进行有效的管理，BIM技术为桥梁工程的建设者、管理者和使用者提供直观、信息化的决策依据，基于BIM的监测系统运行可以实现有效、规范的管理，有效地提高桥梁的管养水平。将BIM技术应用于桥梁监测不仅可以提高桥梁监测效率，而且可以实现对桥梁结构的精确识别以及及时反馈桥梁监控数据的异常情况，对减少灾害损失，保护人身财产安全，在发生重大事故时具有重要意义。

5 结 语

BIM技术是工程领域兴起的一项新技术，越来越多地得到工程领域的重视，也越来越多地应用到道路桥梁领域。本文介绍了BIM技术在桥梁工程运营阶段的一些应用，但是BIM技术的应用远远不止这些。BIM具有巨大的潜力，随着BIM 相关研究工作的不断深入，对技术应用水平的不断提高， BIM会越来越多地在桥梁建设领域发挥更大的作用，将会继续给建筑行业带来新的生命。

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