杜德潤，喬素新

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 前 言

隨著時代發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜多樣，隨之對安全質(zhì)量的要求也越來越高。因此，及時發(fā)現(xiàn)橋梁病害進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理引起越來越多的關(guān)注，橋梁工程要實(shí)現(xiàn)全生命周期的監(jiān)測目標(biāo)是一個很大的挑戰(zhàn)。近年來，隨著科技的進(jìn)步，橋梁監(jiān)測朝著智能化方向發(fā)展，將BIM技術(shù)應(yīng)用到橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中是一個新的發(fā)展趨勢。BIM技術(shù)具有可視化性、周期性和協(xié)同性，支持項(xiàng)目全生命周期監(jiān)測管理。目前，BIM技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用多在前期的設(shè)計(jì)和施工階段，而后期運(yùn)營階段的實(shí)用化進(jìn)程還處于探索階段。本文主要介紹BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)營階段的一些應(yīng)用以及優(yōu)勢。將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁工程的運(yùn)營階段，必定使橋梁的運(yùn)行更加高效、健康和安全。

1 BIM技術(shù)與監(jiān)測技術(shù)介紹

1.1 BIM技術(shù)介紹

BIM技術(shù)可以說是一種多維模型信息集成技術(shù)，利用信息集成方法將所有的信息整合在3D模型內(nèi)，BIM技術(shù)的應(yīng)用涉及項(xiàng)目周期的各個環(huán)節(jié)，讓不同的使用單位針對各自的需求使用。不同階段的同一模型信息可以使項(xiàng)目的所有參與單位(設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理、造價(jià)、用戶等)共享使用，實(shí)現(xiàn)在BIM模型中操作項(xiàng)目信息，提高工作效率和質(zhì)量目標(biāo)。

BIM的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，此后隨著計(jì)算機(jī)水平的提高BIM開始快速發(fā)展，在美、英、日、韓等發(fā)達(dá)國家快速推廣應(yīng)用，目前國外BIM的應(yīng)用已取得了較好的效果。我國的BIM研究起步較晚，在政府的大力推動下，雖然在建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)各階段均應(yīng)用BIM技術(shù)還任重道遠(yuǎn)，但BIM的推廣將會越來越順利。

1.2 監(jiān)測技術(shù)介紹

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測起源于20世紀(jì)50年代，它是一門涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程技術(shù)、傳感技術(shù)等多個專業(yè)在內(nèi)的交叉性學(xué)科。隨著社會的發(fā)展，人們對突發(fā)安全事故日益重視，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用從航空領(lǐng)域逐漸到土木工程領(lǐng)域，例如重要的橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑監(jiān)測等。橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測是通過在橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位安裝各類傳感器，利用傳感技術(shù)以采集結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息，傳感器會將監(jiān)測和收集的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給計(jì)算機(jī)，并形成數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)據(jù)庫的信息，計(jì)算機(jī)會用相關(guān)的算法處理釆集到的數(shù)據(jù)自動分析并預(yù)測結(jié)構(gòu)的各種響應(yīng)、結(jié)構(gòu)的安全性，并以可視的界面形式實(shí)時顯示出來。若出現(xiàn)不利于結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行的響應(yīng)會采取預(yù)警及限定措施，以避免事故發(fā)生的可能性，是一種能夠評定結(jié)構(gòu)狀態(tài)并確保結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全的監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]，典型的健康監(jiān)測系統(tǒng)主要包括4個子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)日益向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)的研究也日益廣泛，并取得了一定的成果。然而，從理論研究到應(yīng)用的完善還有許多問題需要解決，健康監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還未達(dá)到監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)，如監(jiān)測系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的處理與特征提取以及損傷識別與評估等問題還沒有完善的解決方法。

2 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及不足

2.1 對中、小跨徑橋梁健康監(jiān)測相關(guān)的研究相對較少

隨著橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的地位凸顯，當(dāng)前橋梁健康監(jiān)測研究已取得豐碩的理論成果，但占據(jù)橋梁很大比例的中、小跨徑橋梁往往被忽視。目前橋梁監(jiān)測系統(tǒng)都是通過量身訂制實(shí)現(xiàn)一橋一系統(tǒng)管理，昂貴的監(jiān)測成本造成了在數(shù)量眾多的中、小橋中無法普及。目前中、小跨徑橋梁養(yǎng)護(hù)管理尚屬薄弱環(huán)節(jié)，但是事實(shí)上橋梁事故往往都發(fā)生在中、小跨徑橋梁，需要對中、小跨徑橋梁的狀況提高重視[3]。

2.2 缺乏有效的數(shù)據(jù)管理與分析

橋梁健康監(jiān)測的目的是通過實(shí)時監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)并對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來診斷橋梁結(jié)構(gòu)，其中監(jiān)測信息管理是監(jiān)測階段的核心環(huán)節(jié)。如果沒有一個可靠的后臺系統(tǒng)，監(jiān)測產(chǎn)生的海量信息很難有保障。健康監(jiān)測不僅僅是監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，更核心的技術(shù)是監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，從而判斷橋梁的損傷位置和程度，隨著研究的深入以及健康監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)一步可以為橋梁維修、養(yǎng)護(hù)與管理提供指導(dǎo)。反問題的求解是指通過對橋梁響應(yīng)的測試(動力與靜力響應(yīng))，來反推橋梁各個位置的結(jié)構(gòu)特性與力學(xué)狀況，而實(shí)際獲取的響應(yīng)中不可避免地受噪音影響，這種微小的誤差也會導(dǎo)致最后分析結(jié)果千差萬別，因而對于橋梁運(yùn)營中的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方面的研究還不太完善[4]。

2.3 自動化、智能化水平低

橋梁監(jiān)測管理的工作模式、管理方式相對滯后，比如結(jié)構(gòu)監(jiān)測手段機(jī)械化、記錄病害平面化、資料管理靜態(tài)化，浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。對于智能化技術(shù)的應(yīng)用，僅限于某些初級的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，橋梁管養(yǎng)工作的質(zhì)量和效率難以提高，橋梁管養(yǎng)水平要想進(jìn)一步發(fā)展必須提高自動化、智能化水平，依靠高專業(yè)度的健康監(jiān)測系統(tǒng)作為支撐。

2.4 評估標(biāo)準(zhǔn)不完善

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象一般是單個橋梁構(gòu)件，每次監(jiān)測結(jié)果只能給出單個構(gòu)件的損傷情況，無法對橋梁的整體情況做出全面的評估，監(jiān)測系統(tǒng)缺乏整體性?，F(xiàn)在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)大多都是針對某座橋梁開發(fā)的，沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏通用性。目前沒有可以作為參考的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)還未分類建立行業(yè)范圍內(nèi)統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，同樣的橋梁評估，不同的專家評估結(jié)果會存在很大的不同[5]，人工評估主觀性強(qiáng)，難于量化。

3 BIM技術(shù)在既有橋梁運(yùn)維管理中的具體應(yīng)用

3.1 全景觀察

基于BIM的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)充分利用BIM可視化特點(diǎn)將抽象的CAD平面圖轉(zhuǎn)換成直觀、精細(xì)的三維橋梁模型。通過相關(guān)BIM軟件對項(xiàng)目整體情況進(jìn)行深度模擬，充分展現(xiàn)橋梁以及周邊的環(huán)境情況。通過基于BIM技術(shù)開發(fā)的運(yùn)維管理平臺可以讓各部門工作人員快速了解橋梁各部件的組成，準(zhǔn)確掌握橋梁的整體情況，直觀、形象的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造三維詳圖

全景觀察尤其適用于管理隱蔽工程，在橋梁監(jiān)測中會布置一些監(jiān)測設(shè)備可能在某個不被注意的位置，特別是隨著橋梁監(jiān)測年限的增加，管理人員更換造成查找不便。基于BIM平臺的運(yùn)維管理可以在三維模型上直觀顯示相對位置，便于維修和定位。相關(guān)人員也可以隨時調(diào)整這些設(shè)備信息，保證信息的完整性和準(zhǔn)確性。

3.2 巡檢模式

橋梁投入使用之后的病害監(jiān)控尤為重要，BIM技術(shù)除對橋梁工程進(jìn)行三維模擬之外，還可以對橋梁完成巡查工作?；贐IM平臺的橋梁運(yùn)營管理系統(tǒng)向管理者提供交互式、可視化的管理工具，橋梁維修人員通過BIM平臺可以直觀地掌握構(gòu)件的病害數(shù)量，更準(zhǔn)確地制定維修方案，有效降低修理成本并提高修理效率。

基于GPS和GIS技術(shù)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建可以規(guī)范橋梁管理者對橋梁病害的記錄，利用BIM模型的三維可視化技術(shù)解決不能直觀顯示病害分布的問題。

病害信息以圖形表示的方式顯示在BIM模型的適當(dāng)位置并用不同的顏色區(qū)分病害發(fā)生程度。維修人員檢查病害問題、制定維修方案并且實(shí)施這一系列過程都可以完整地保存，為后續(xù)工作提供參考。

3.3 項(xiàng)目協(xié)同管理

項(xiàng)目管理一直是工程中的難題，管理落后、人員素質(zhì)不高加上我國建設(shè)的基本國情，項(xiàng)目管理面臨很多問題。二維設(shè)計(jì)圖增加了工程施工的難度；工程成本計(jì)算不準(zhǔn)確；項(xiàng)目各方缺乏協(xié)同性使得信息傳達(dá)溝通不足，這些問題直接影響工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。引入BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目管理上述問題明顯地得到了改善。BIM技術(shù)可以集成整個項(xiàng)目的信息和數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)資源共享，所有參與方都可以協(xié)同工作。

基于BIM平臺的項(xiàng)目管理具有很多方面的應(yīng)用，具體如下：統(tǒng)一管理招標(biāo)文件、工程合同、支付款單等其他工程附件；對資產(chǎn)、空間利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行管理，更好地分配資源和做出決策；準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)運(yùn)營情況對突發(fā)事件迅速應(yīng)對和及時處理，減少不必要的損失。在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段BIM可以完成整個項(xiàng)目的管理，實(shí)施資源規(guī)劃、資金風(fēng)險(xiǎn)管理、節(jié)能降耗和提高效率等使項(xiàng)目協(xié)同管理更上一層樓。

4 BIM技術(shù)在橋梁運(yùn)維管理中的優(yōu)勢

BIM技術(shù)的優(yōu)勢在于不同于傳統(tǒng)的工作模式和管理方式，它改變了傳統(tǒng)的粗放式管理弊端，向先進(jìn)集約式管理方式轉(zhuǎn)變，在進(jìn)度控制、可視化仿真和監(jiān)控等方面進(jìn)行了創(chuàng)新。結(jié)合BIM技術(shù)提供的信息模型，可以很方便地查找建筑構(gòu)件幾何信息以及工程項(xiàng)目信息，促進(jìn)了橋梁工程建設(shè)和管理的自動化和智能化，降低了項(xiàng)目成本，提高了管理效率，促進(jìn)了交通運(yùn)輸可持續(xù)發(fā)展。

BIM技術(shù)可以聯(lián)結(jié)建筑的規(guī)劃、建造和運(yùn)維管理各個階段，在運(yùn)維階段，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)在BIM平臺中以橋梁三維模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)可視化效果，以信息管理為技術(shù)核心實(shí)現(xiàn)橋梁信息的三維可視化管理。BIM的加入改善了傳統(tǒng)的項(xiàng)目信息管理方式，增加了各專業(yè)和各階段相互工作的協(xié)同性，大大提高了工作效率。在運(yùn)營階段不僅提供了設(shè)計(jì)和施工階段的較為全面的信息，更在管理上提供了平臺基礎(chǔ)。首先，BIM技術(shù)使得各種橋梁信息都能夠動態(tài)地呈現(xiàn)；其次，運(yùn)營階段需要對大量的數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行有效的管理，BIM技術(shù)為橋梁工程的建設(shè)者、管理者和使用者提供直觀、信息化的決策依據(jù)，基于BIM的監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)有效、規(guī)范的管理，有效地提高橋梁的管養(yǎng)水平。將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁監(jiān)測不僅可以提高橋梁監(jiān)測效率，而且可以實(shí)現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的精確識別以及及時反饋橋梁監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的異常情況，對減少災(zāi)害損失，保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全，在發(fā)生重大事故時具有重要意義。

5 結(jié) 語

BIM技術(shù)是工程領(lǐng)域興起的一項(xiàng)新技術(shù)，越來越多地得到工程領(lǐng)域的重視，也越來越多地應(yīng)用到道路橋梁領(lǐng)域。本文介紹了BIM技術(shù)在橋梁工程運(yùn)營階段的一些應(yīng)用，但是BIM技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。BIM具有巨大的潛力，隨著BIM 相關(guān)研究工作的不斷深入，對技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提高， BIM會越來越多地在橋梁建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，將會繼續(xù)給建筑行業(yè)帶來新的生命。

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