BIM 与物联网结合技术在桥梁施工过程中的应用

邓爱华

（中交三公局第六工程有限公司，北京 101100）

近年来随着信卢化技术的不断发展及在基础建设项目中的推广应用，在提高项目施工速度的同时降低了施工成本，起到了良好的施工辅助作用。桥梁工程BIM 技术是新型信卢化技术，尚处于技术探索和初步发展阶段，对于特大桥梁的高质量建设问题，还需进一步融入云计算、互联网和大数据等前沿技术，推动桥梁工程的技术创新[1]。

BIM 全称是“建筑信卢模型（Building Information Modeling）”，指把1 个工程项目的所有信卢包括在设计过程、施工过程和运营管理过程的信卢全部整合到1个建筑模型，可以使建设项目的所有参与方在项目从概念产生到完全拆除的整个生命周期内都能够在模型中操作信卢和在信卢中操作模型，从而从根本上改变从业人员依靠符号文字形式图纸进行项目建设和运营管理的工作方式，实现在建设项目全生命周期内提高工作效率和质量，以及减少错误和风险的目标。而物联网（Internet of things）是新一代信卢技术的重要组成部分，也是“信卢化”时代的重要发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中。BIM 与物联网技术的结合，可直观地理解为，以基础设施为对象，以先进传感器、数据采集仪器为媒介，以BIM 模型为信卢载体，搭建直观、完整和准确的基础设施数字模型，通过计算机进行记录、分类、处理、仿真、分析和模拟，可快速评价、诊断和预测基础设施的状态。

一些研究人员利用BIM、物联网等技术针对桥梁工程进行了一系列研究[2-9]。例如：马白虎等[1]以平塘大桥为例，构建了桥梁的BIM 项目管理信卢共享平台，实现平塘特大桥建设期的远程、动态及可视化管理。刘智敏等[2]以塞拉利昂公路项目桥梁作为研究对象，利用BIM 技术进行了项目的建模和设计检查等工作，结果表明BIM 技术可以实现项目设计阶段的可视化展示，可以提高设计质量和效率，达到控制项目成本并缩短工期的目的。钟康健等[3]采用建筑信卢模型+数字化+物联网技术，能够有效地提升信卢收集时相关数据的时效性和精准程度，同时在有效控制施工进度的基础上实现效率提升和资源节约。王庆贺等[4]建立的BIM 信卢管理平台解决了桥梁全生命周期内可视化程度低、数据信卢整合困难等问题，从整体上降低了桥梁项目的安全质量风险，加强了参建方之间的协同交流，提高了应急反应速度和效率，验证了云计算、物联网与BIM技术之间相辅相成，能够充分发挥BIM 的价值。上述研究表明BIM 与物联网技术的结合具有巨大的优势。

基于此，以新疆某桥梁项目为例，建立有限元BIM模型作为理论受力状态，通过先进传感采集技术，采集桥梁在现浇、预制、安装和受力全过程中的表观状态、几何状态、变形模式及应力场状态，通过物联技术将各类数据信卢汇入BIM 平台，进行大数据分析，及时掌握实际中桥梁的质量状态。

1 工程概况

新疆某公路项目全长20.621 km。有涵洞、通道合计61 道；路基填方247.95 万m2，挖方125 m2。特大桥1 座，大桥15 座，中桥8 座，桥梁总长7.091 km，占路线全长的34.39%，其中特大桥全长2 563 m，是项目的控制性工程。项目高墩73 根，预制梁约2 300 片。由于项目位于新疆天山腹地，地处高寒、高海拔区域，施工条件恶劣，预制箱梁数量大，施工环境多变，预制梁的外观质量、结构尺寸是质量管理的重点。此外，项目高墩多，共计约4 700 m，有效工期短，高峰期30 个高墩同时施工，施工质量控制困难，施工组织难度大。为解决本项目面临的巨大挑战，项目大力推进BIM、物联网和信卢化等新兴技术的研究。

2 BIM 和物联网结合技术应用

针对本项目桥梁施工管理特点，采用BIM、三维扫描和高可靠度应力传感器对桥梁施工质量控制的应用进行研究，建设1 套基于物联网与BIM 的智慧桥梁全程质量监控系统。通过物联网技术获取的信卢经过处理传输到BIM 模型中进行统一管理。利用BIM 平台对大数据进行分析、整合，以便在恶劣环境下及时发现和调整桥梁施工质量问题，降低风险和施工周期。

2.1 BIM 建立

BIM 技术具有可视化好、协调性强和模拟效果好等优势，可以极大缩短项目周期、降低成本，并且优化项目质量，逐步成为引领我国基建行业发展建设的新技术[10]。根据施工组织设计方案建立精细的BIM 模型（如图1 所示），进一步地根据施工方案及设计文件建立理论有限元BIM 模型，获取结构预期受力状态，初步分析桥梁施工过程风险。此外，建立BIM 施工综合评审及交底机制，即在BIM 数据支撑下，进行图纸、技术、模型、质量和安全进度等的全方位综合评审，针对隐患做到提前准备防范，做到管理前置，提升施工管理品质。利用BIM 模型还可以进行碰撞检查，提前发现碰撞冲突等问题，及时反馈并进行各专业间综合协调优化，减少后期现场施工因设计问题带来的返工、停工现象，提高了施工质量和施工效率，节约大量施工和管理成本，为现场施工及管理打好坚实基础。施工过程在BIM 模型中添加施工信卢，对施工过程质量管理及后期项目运营阶段的养护维修都十分重要。

图1 桥梁BIM 模型

2.2 桥梁构件物联标识布设

针对大批量预制梁库存管理及质量信卢跟踪管理问题，现有的二维码标识有不牢靠、损坏无法识别和寿命短等缺点，无法做到全生命期的信卢储存，项目引进了超高频RFID 水泥芯片，芯片抗干扰性能强，寿命长，浇筑完成后植入砼面下3～5 cm 内，采用手持读写器可实现无接触识别。在预制梁场中，对预制件生产过程中植入陶瓷封装的RFID 超高频标签，并将生产质量参数和人员设备等信卢写入到预制件的植入射频标签中，以便以后溯源使用。结合BIM 模型赋予每个预制梁唯一的身份标识，并将该唯一的身份标识和相应的安装位置、安装条件写入预制件的植入射频标签中（如图2 所示），以便进行数字化安装、建设，可以减少错存、错放、错误安装和施工安全事故的概率，缩短施工周期，并且可以有效削减施工和运维成本。此外，通过该措施可对每一片梁形成全面、完整和可追溯的数据库，随着建设阶段、运维阶段的不断累积，可记录大量包含结构设计信卢、材料信卢、施工过程信卢、结构静动力特性信卢、损伤病害信卢和养护维修信卢等，通过智能分析、大数据处理等手段，为桥梁服役寿命期内的健康状态和承载能力评估提供数据支撑。

图2 RFID 布设

2.3 先进传感系统搭建

为了解决传感器寿命不足、测量精度不可靠和意外损坏等难题，实现预制梁全寿命周期的应力监测，本项目创新性提出并实践了应力监测同点预埋+表贴接力方案。在预制箱梁浇筑阶段，在同一测点同时安装埋入式传感器和表贴式传感器，确保在同一点位至少有1 个传感器正常工作。当内部传感器损坏时，可以以外部表贴传感器为基准进一步跟踪箱梁的绝对应力水平的发展。

传感系统安装截面位置选取在边跨和中跨的二分之一截面和四分之一截面处。在二分之一截面和四分之一截面处分别在底板的两侧对称安置埋入式和表贴式传感器。四分之一截面处应变计导线汇集到二分之一截面处，埋入式应变计导线需要用PVC 管套住，用来保护导线。传感系统示意图如图3 所示。

图3 传感系统示意图

2.4 三维激光扫描构架

针对桥梁的不同构件和施工方案，主要面向现浇式和预制式构件进行三维激光扫描的扫描方案设计。对于如桥墩类的现浇结构，明确现场环境条件对扫描的影响，研究最优的扫描方案和扫描数据的及时传输方案。高墩三维扫描图如图4 所示。

图4 高墩三维扫描图

三维激光扫描的具体实施流程包括以下步骤：①三维扫描数据采集，数据采集过程中应注意控制点和设站位置。②点云数据拼接。③点云去噪：根据点云的特点，去除桥梁构件外的噪声点。主要包括去噪、数据精简等步骤。通过设置平滑度、迭代次数、体外孤点和非连接项等参数，实现点云去噪。通过按曲率采样的方式，在不影响曲面重构和保证一定精度的情况下对数据进行精简，从而提高数据处理速度。④构建模型和分析变形。基于点云构建桥梁模型，根据点云测量构件几何尺寸信卢。基于扫描点云拟合平面，以拟合出的平面为参考平面，点云为测试平面，进行3D 对比分析。通过色谱图确定大概偏差范围，对偏差较大部分进行注释获取精确偏差。通过扫描加载前后桥梁构件的点云模型，提取所测变形面中心线分析形变，评估形变对结构的影响。

通过三维激光扫描建模可以获取：①桥梁几何变形信卢；②预制梁、桥墩点云进行点云施工模拟；③预制梁、桥墩（高墩）点云，获取表观状态；④预制梁张拉前后点云；⑤已经建成的桥梁的整体点云。实际工程中，存在恶劣环境下大体量高墩竖直度控制难度大的问题，提出采用三维扫描技术对高墩实体进行高效、非接触及面棱镜数据采集，开发了各类型高墩的截面尺寸、中心线和垂直度等重要测控指标的自动计算算法，实现高墩的截面尺寸、中心线和垂直度的高效、智能和精准测控。预制箱梁模板三维扫描模型如图5 所示。已经实现了最快3 min 扫描+2 min 数据分析，实现高墩的快速测量与纠偏，在大桥10 个高墩的应用实践表明该技术可提升测量工作效率30%，提高高墩整体线形外观质量控制。此外，项目预制箱梁约2 300 片，配置整体式液压箱梁模板8 套，普通模板6 套，模板周转使用次数较多，后期模板的变形隐患增大，模板的质量直接影响箱梁的结构尺寸，项目通过BIM+三维扫描技术对模板的局部及整体变形进行精确监测，每周转10 次进行1 次数据采集并形成检测报告，进行数据对比，掌握模板变形情况，便于及时对模板进行加固和整修处理，确保箱梁尺寸满足设计规范要求。

图5 预制箱梁模板三维扫描模型

3 效益分析

项目在建设施工中应用BIM+物联网技术，首先保证本项目大桥施工中基于BIM+物联网的过程质量控制应用。同时，综合箱梁预制场及大桥施工的安全、质量、进度及成本的控制，可节约100 万元。本课题研究和成果应用有助于提升工程建设实体和外观质量，并且可提高结构物耐久性，为后期运营和维护提供持续的结构监测数据，节约运营检测费用，社会效益显著。

4 结束语

基于BIM 与物联网结合技术的应用，以桥梁工程为对象，以先进传感器、数据采集仪器为媒介，以BIM模型为信卢载体，搭建能够快速、直观、完整和准确的基础设施数字模型，通过计算机进行记录、分类、处理、仿真、分析和模拟，可快速评价、诊断和预测基础设施的状态。本项目研究极大地提高了桥梁施工质量控制的信卢化水平，及时发现并解决桥梁在施工过程中遇到的问题，可在相关隧道工程、路基工程和桥涵工程中推广应用。