BIM技术在桥梁健康监测中的应用分析

2023-11-30杨迪张宇峰徐一超吴家伟

运输经理世界 2023年23期

杨迪、张宇峰、徐一超、吴家伟

（1.长大桥梁安全长寿与健康运维全国重点实验室，江苏南京 211112；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112）

0 引言

在桥梁工程建设完成之后，需要对其进行定期检修与养护。传统类型的桥梁质量监测系统和专项监测系统更多地依赖于管理人员和专业技术人员的经验，对桥梁工程的运转情况和各环节作用发挥情况进行把握。值得注意的是，此类传统管理与养护办法的适应性存在极大的局限性，尤其对于大型桥梁而言，难以真正实现全面把握与了解养护管理信息并及时反馈。对此，可以积极应用信息技术手段，发挥BIM技术的综合优势，在信息模拟平台中模拟当前桥梁建筑的三维立体信息，从桥梁建设项目设计、施工阶段开始，直至桥梁全生命周期终结，都可以在信息数据库中对其进行管理，通过充分发挥BIM 技术的最大价值，弥补传统管理养护方式的不足。

1 桥梁健康监测系统概述

桥梁健康监测系统需要结合桥梁自身结构特点和所处地区地质条件等相关因素，融合桥梁健康预警、桥梁应用评估和管养决策等多方面需求来建立。当前我国广泛应用的桥梁健康监测系统，主要涵盖自动化传感测试、综合预警、结构评估、健康监测、数据存储与管理等多个子系统。具体工作内容如下。

一是桥梁荷载及运行环境监测。桥梁荷载监测需要应用专业动态地秤以及腐蚀传感器、强震仪、风速仪等，对桥面通行荷载以及桥梁周边环境的地震系数、风量、温湿度等进行监测[1]。

二是桥梁几何状态监测。在长时间运行过程中桥梁各个环节和部位在车辆荷载的影响下，容易发生位置偏移情况，因此需要对桥梁几何状态进行专项监测，例如针对桥梁桥台、墩柱、锚线的沉降与倾斜程度，应用激光挠度仪、测距器进行监测。

三是桥梁结构的动静力反应。在动静力反应监测中，主要针对正常通车环境、强风或地震等不同荷载作用之下桥梁结构的反应情况，同时也需要对当前环境温湿度以及地下发生不均匀沉降之后结构的稳定性反应进行监测。

四是监测数据处理。在前期监测完成之后会产生大量的监测数据和指标数据，对此需要进行专项监测数据处理与存储，结合桥梁实际使用情况建立损伤评估体系，明确不同指标阈值或建立专项桥梁健康程度评估模型，确保对桥梁当前运行情况和结构健康状态进行准确的评估和预测[2]。

2 当前我国广泛应用的桥梁健康监测系统存在的主要问题

当前我国很多桥梁工程中广泛应用的健康监测系统主要分为三个部分，分别是自动化传感模块、数据存储模块和评估模块。得益于当前信息技术手段的飞速发展，桥梁健康监测系统的应用频率和信息化水平大幅度提升，如虎门大桥、安庆长江大桥等已经逐渐建立专项桥梁健康监测系统，但是在实际应用过程中，此类系统仍旧存在一些问题。

2.1 桥梁监测系统实际运行效果不佳

当前仍旧有很多桥梁监测系统并不是根据桥梁自身特点及周边环境建设需求等进行专项设计与统筹规划，而是直接套用其他桥梁的健康监测系统，过于追求大而全，忽视了桥梁健康监测的实际目的。例如，在桥梁监测系统传感器选型和通信方式设置中，并没有充分结合监测需求进行优化选择。

一方面，传感器种类多样，其精度、周期寿命以及具体的安装保存条件、维修养护举措等存在极大差异，如果传感器选型不合理，会造成过度成本投入和健康监测系统数据缺失等情况。

另一方面，当桥梁监测系统传感器获取海量数据之后，如果并未及时处理数据信息进行桥梁健康状态评估，同样也会导致桥梁健康监测系统“ 形同虚设”[3]。

2.2 桥梁健康监测系统的建设与维护存在弊端

很多桥梁健康监测系统的投资相对较大，建设费用往往在100 万元以上，成本投入较高，在实际建设与维护中仍存在管理模式混乱的现象。

第一，一部分监测设备和传感器等由专业设备供应商负责，此类供应商大多只是结合设计方案或施工方案等内容进行统筹安排，而缺乏对桥梁结构的了解和认知，甚至出现仅凭经验进行方案设计的情况，导致桥梁健康监测系统在后期应用过程中作用不大，性价比不高，造成巨大的资源和资金浪费。

第二，在桥梁健康监测系统建设期间，传感器、信息采集仪的布线、接电存在施工误差或不良施工情况，导致建设成本增加。

第三，管理人员忽视桥梁健康监测系统的后期专项维护，导致系统的使用寿命大幅度缩短。

3 BIM 技术在桥梁健康监测中的应用要点

3.1 桥梁BIM 模型建立

从桥梁工程施工图交付阶段开始，针对工程细节建立精细的BIM 模型，同时对桥梁建设关键环节的最小构件单位进行逐一编码。由于桥梁不同位置构件的数量、种类繁多，且其整体结构存在多种复杂因素，因此在三维空间中有时难以对个别构件进行定位。为了进一步提升BIM 技术的应用流程，提高建模速度和效率，对现有组合梁以及其他桥梁构件进行专业系统的拆分，有针对性地进行构件建模，应用桥梁中心线绑定不同构件，确定构件的平面几何关系，从而实现良好定位。随后对桥梁的承台、桩基等关键环节进行参数建模，提前根据桥梁结构框架和支撑结构等，选取标高视图，让桥梁构件能够组合为族，进而进行平面创建。

例如，在水平方向需要结合承台的参照面以其作为标高，而桩基参照面则设置为承台底部，此类结构关系并不会因为具体参数的变化而发生改变，因此在实际建模中需要根据所选标高和构件参数等建立参照平面视图。

在桥墩族参数化建模中，需要对实例参数和类型参数进行区分，其中实例参数是指不同桥墩构件个体的参数，虽然大多桥墩构件都是相同的尺寸，但也有个别环节的桥墩应用了不同的尺寸参数，因此需要以实例参数为主；而类型参数则侧重对同一类型的桥墩族进行公用参数设置。同理，在桥梁箱梁族的参数化建模中，同样可以应用此类多元化、差异化参数设置方法。结合BIM 技术的应用需求和特点，首先进行外轮廓的设计和描画，并添加特定标签，如箱梁的梁高、底板宽度等等；随后将外轮廓复制到新建参数图中进行快速绘制和参数调整，提高BIM 技术的应用效率；相关参数设置好之后，需要对其进行优化调试，如果存在差异问题，要第一时间进行修改[4]。

3.2 设置桥梁健康监测关键指标

结合前期桥梁BIM 精细化模型，可以为后续桥梁运维和养护管理提供重要抓手和依据，为保障桥梁健康监测数据的有效性和可应用性，首先需要对各类传感器进行优化选型和设置，其次再进行监测关键指标的专项设计。

在传感器优化选型和设置中，需要根据不同应用需求进行合理选择，如针对桥梁车辆荷载情况进行监测时，应该选择动态称重设备，在桥梁施工阶段直接将传感器安装设置于混凝土铺装层内，并确保其覆盖桥梁上的所有车道，实现稳定支撑和正常运转。进行风速参数监测时，可以在桥面两侧设置风速仪。地震运动监测可以直接在桥梁所处区域安装强震动记录仪或直接加载三向加速度传感器，确保其能够实时传达和反馈桥梁在地震时的运动情况。此外，在桥梁健康监测中，其环境要素监测尤为重要，需要同步设置温度传感器，确保能够及时体现桥梁截面的温度变化以及桥梁结构升降温情况。

另外，桥梁整体结构的稳定性是桥梁健康监测的重中之重，主要测量要素在于加速度、变形挠度等等，对此可以直接在桥梁结构振幅相对较大处设置加速度传感器，或在结构变形程度大、容易发生横向变形或倾角处设置变形传感器，实现多项应变监测，确保能够针对复杂的构件和容易发生变形问题的区域进行全面监测。

在桥梁健康监测关键指标提取中，可以针对现有监测传感器设置情况和监测指标进行优化设计。

一是荷载与环境监测中，需要对车重、车速、当前桥面风速、地震加速度、环境温湿度以及桥梁自身结构温度进行综合监测与评估。

二是结构整体响应监测中，需要分别针对桥梁结构的振动变形和转角开展监测，振动因素主要涵盖主梁不同方向的振动加速度和桥墩纵向与横向加速度，主梁、梁端、支座、桥墩等不同结构的挠度、位移条件和倾角情况。

三是结构局部响应监测中，需要针对主梁断面应变情况、钢筋混凝土裂缝情况、斜拉索作用发挥情况以及钢梁疲劳情况等进行综合健康监测，此类关键指标的覆盖性广阔，可以根据不同桥梁的实际需求进行专项设置[5]。

四是需要搭配视频图像进行监测，确保能够实时反馈桥梁通车运行状态，真正发挥桥梁健康监测系统的应有作用和价值。

3.3 桥梁健康监测数据对接与业务功能分析

桥梁在长期通车运行过程中，其整体结构会发生沉降，混凝土路面容易产生裂缝等诸多问题，如果不能及时监测并进行专项养护，则会严重影响桥梁的使用寿命。

因此，可应用BIM 技术进行桥梁健康监测数据对接与业务功能分析。首先在数据对接方面，可以对现有桥梁构件变化情况、监测传感器反馈数据等进行实时响应，进而判断相关特点的数据值是否与理论计算相符合或出现异常差异情况。在桥梁运行维护及专项养护阶段，需要及时将监测设备的数据反馈于BIM系统模型中，确保能够及时掌握数据变化情况。其次，在进行业务功能分析与处理时，可以结合现有BIM 平台建设桥梁健康监测专业平台，发挥BIM 手段信息化管理的作用，真正实现数模分离，同时兼顾工程设计、施工、运行、养护等多个阶段的信息集成，实现各项业务数据有效串联。可以针对现有BIM 数据进行应用维度拓展，以IFC 拓展为基础，实现良好的数据表达与交换水平，IFC 可以实现分层级分模块设置，因此可以围绕领域层、共享层、核心层、拓展层、资源层等不同层次设置功能业务模块。领域层主要针对当前桥梁总体结构、电气设备以及结构要素分析等诸多方面；共享层涵盖了周边地形、共享设备以及管理元素等等；核心层与拓展层分别体现于产品和控制拓展；资源层为当前时间气候、桥梁属性、成本等多项资源，其中结构荷载和前期施工组织工程量管理等资源也同属于资源层模块之中。通过不同模块的优化设置和统筹安排，实现对现有桥梁健康监测传感器信息的充分管理与共享，让数据流由下而上进行单向流动，上一层级可以对下一层级进行信息资源的调用，一旦上层信息发生改变，也不会影响下一层级数据内容。

3.4 BIM 技术在桥梁健康监测中的应用效果

在桥梁全周期管理中，无论是前期工程设计施工阶段，还是后续桥梁维护管理阶段，都发挥了BIM 技术的应有意义和价值。例如，施工阶段应用BIM 技术可以对施工全过程进行有效监测，保障施工质量和施工进度，同时也能及时发现施工过程中存在的安全隐患问题并进行专项处理，减少后续返工的成本投入。而在桥梁运行维护和专项养护阶段，BIM 技术的价值更为凸显，通过对不同构件的参数设置明确桥梁健康监测指标，合理设置和选择监测传感器，并从施工阶段开始，提前做好传感器埋设和设置点位优化，为后续桥梁健康监测系统发挥作用提供重要保障。桥梁健康监测数据的应用水平成为直接影响系统作用发挥的核心因素，对此需要建立专项BIM 数据扩展平台，明确不同模块的功能区间和应用领域，实现信息资源的充分管理和有效共享，大幅度提升桥梁管理与养护水平，同时也可以为桥梁运维工作人员提供决策依据和工作参考。