耿方方，尹方舟，丁幼亮，孫 震，徐 照

（1 南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2 東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；3 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

近年來(lái)，我國(guó)的橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)，但是橋梁的服役狀況卻不容樂(lè)觀，在復(fù)雜環(huán)境荷載持續(xù)作用下的性能劣化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期，如何保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)已成為政府、業(yè)主和公眾所關(guān)心的重要問(wèn)題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部作用和結(jié)構(gòu)響應(yīng)來(lái)評(píng)估橋梁的安全性能，是國(guó)際公認(rèn)的保障橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)手段，已在國(guó)內(nèi)外眾多橋梁中得到應(yīng)用［1-2］。然而，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各類(lèi)傳感器每天采集海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如何科學(xué)有效地管理和使用這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為“擺設(shè)”是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面臨的突出問(wèn)題。

BIM 技術(shù)在建筑業(yè)應(yīng)用的日趨成熟，為橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理開(kāi)拓了新思路。建筑信息模型（或建筑信息建模）技術(shù)（BIM，Building Information Modeling）旨在建設(shè)項(xiàng)目的全壽命周期內(nèi)對(duì)其各類(lèi)物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化信息化表達(dá)。BIM技術(shù)及其應(yīng)用屬于新興且具有極大開(kāi)發(fā)空間的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，自Chuck Eastman于20世紀(jì)70年代提出以來(lái)，以其可視化性能強(qiáng)、可協(xié)調(diào)性高、出圖便捷等特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域獲得了眾多關(guān)注［3-7］。目前，BIM技術(shù)在房屋建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施方面的應(yīng)用研究也在逐步推進(jìn)。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段運(yùn)用BIM技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、管線(xiàn)碰撞檢查、設(shè)計(jì)復(fù)核更加準(zhǔn)確（包含有限元力學(xué)分析）、綠色建筑模擬，預(yù)制構(gòu)件在工廠(chǎng)加工更加精確等。在施工階段，BIM技術(shù)在施工過(guò)程模擬及施工進(jìn)度控制、三維模型轉(zhuǎn)二維圖紙、相關(guān)資料管理以及質(zhì)量安全管理等方面也應(yīng)用廣泛。然而，BIM技術(shù)在運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)階段除資產(chǎn)管理應(yīng)用之外，針對(duì)土木結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的應(yīng)用相對(duì)較少［8］。

本文在充分調(diào)研傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM可視化技術(shù)及其BIM模型應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了新型“BIM+健康監(jiān)測(cè)”模式下的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立了海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自診斷、可視化、實(shí)時(shí)預(yù)警和安全評(píng)估的綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了橋梁安全運(yùn)營(yíng)的多用戶(hù)協(xié)同管理以及監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)一體化運(yùn)維管理，為BIM 技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供新思路和方法。

1 傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最早源自于航天航空領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代逐漸引入土木工程行業(yè)，在橋梁領(lǐng)域發(fā)展迅速。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展可以劃分為3個(gè)階段。早期橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于單項(xiàng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器種類(lèi)有限，采集設(shè)備安全度不高，監(jiān)測(cè)時(shí)間有間隔，不連續(xù)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，橋梁第二代健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器種類(lèi)大大豐富，采集系統(tǒng)較為完善，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，并且有數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。目前發(fā)展到橋梁第三代健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在第二代監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，并利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的在線(xiàn)評(píng)估、在線(xiàn)預(yù)警，并為深入地離線(xiàn)評(píng)估提供支持。

盡管橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外眾多橋梁中得到應(yīng)用，然而，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)只進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與保存，在以下幾方面仍有諸多問(wèn)題：

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自診斷與在線(xiàn)處理。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)具有海量性、多維性、復(fù)雜性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，各種無(wú)效和干擾信息都有可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失真。橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)失真大多是由信息獲取環(huán)節(jié)的傳感設(shè)備造成的，為此，需要建立研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自診斷與在線(xiàn)處理方法，滿(mǎn)足后續(xù)橋梁安全評(píng)估對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求。

（2）健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化。橋梁健康監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的工作，海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具備4V特征：Volume（大 量）、Velocity（高 速）、Variety（多 樣）、Value（價(jià)值），是一種特殊的“大數(shù)據(jù)”。對(duì)于橋梁管養(yǎng)單位、政府管理部門(mén)等非專(zhuān)業(yè)人士，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果存在枯燥、專(zhuān)業(yè)圖表多、不直觀等缺點(diǎn)，如何準(zhǔn)確理解這些海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的困難。為此，需要建立探討橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尤其是數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可視化方法，滿(mǎn)足橋梁健康監(jiān)測(cè)多用戶(hù)的使用要求。

（3）橋梁安全預(yù)警的實(shí)時(shí)性。橋梁在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，因受各種因素的影響會(huì)逐漸出現(xiàn)病害，其結(jié)構(gòu)性能不斷劣化，進(jìn)而嚴(yán)重威脅著橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。為滿(mǎn)足橋梁長(zhǎng)期安全服役的需求，需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件或者整體結(jié)構(gòu)開(kāi)展失效分析與預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上對(duì)橋梁可能的失效模式進(jìn)行安全預(yù)警、控制和處理，實(shí)現(xiàn)橋梁服役失效可防、可減、可控［9］。

（4）突發(fā)事件下的安全評(píng)估。橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不可避免發(fā)生車(chē)/船撞擊、臺(tái)風(fēng)和地震作用或其他嚴(yán)重突發(fā)事件，需要及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)橋梁的服役狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估并提供安全應(yīng)急管理措施，保障橋梁運(yùn)營(yíng)暢通及通行人員的安全。為此，需要建立突發(fā)事件下橋梁安全運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)、聲音、電子郵件、短消息等多種形式實(shí)現(xiàn)橋梁安全預(yù)警的可視化綜合分析及動(dòng)態(tài)管理［10］。

2 “BIM+健康監(jiān)測(cè)”模式下橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)

在提倡“互聯(lián)網(wǎng)+”的今天，產(chǎn)業(yè)信息化是大勢(shì)所趨，大力推廣、深化BIM技術(shù)有助于結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)層面上深度應(yīng)用并積極拓展，形成“BIM+健康監(jiān)測(cè)”的概念，以BIM技術(shù)、BIM數(shù)據(jù)模型、空間定位與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相結(jié)合，為健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評(píng)估等服務(wù)功能提供全面、完整的信息化解決方案。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施單位、大橋管養(yǎng)單位、政府管理部門(mén)、第三方專(zhuān)家評(píng)估等開(kāi)放權(quán)限，做到多用戶(hù)集成平臺(tái)。根據(jù)上述分析，結(jié)合BIM技術(shù)，構(gòu)建了面向橋梁工程健康監(jiān)測(cè)的BIM協(xié)同平臺(tái)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源為跨專(zhuān)業(yè)、跨部門(mén)和跨主體的協(xié)同管理提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可追溯、統(tǒng)一的健康監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)服務(wù)，如圖1所示。

“BIM+健康監(jiān)測(cè)”模式下橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由健康監(jiān)測(cè)模塊、擴(kuò)展計(jì)算模塊和BIM模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)相連而成。健康監(jiān)測(cè)模塊采集并分析數(shù)據(jù)，得到監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)結(jié)果，并存入健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。擴(kuò)展計(jì)算模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目不同采用不同算法將單個(gè)傳感器計(jì)算結(jié)果擴(kuò)展至全橋，按構(gòu)件類(lèi)別存入擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)。BIM數(shù)據(jù)庫(kù)與前兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)相聯(lián)通，主要從中間數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取結(jié)果并存儲(chǔ)，通過(guò)BIM模型進(jìn)行展示。主要功能分為四大模塊：傳感器自診斷和維護(hù)模塊、健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)BIM可視化模塊、日常運(yùn)營(yíng)下統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)警模塊和極端事件下聯(lián)動(dòng)分析與評(píng)估模塊。“BIM+健康監(jiān)測(cè)”模式下橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖1 多用戶(hù)集成平臺(tái)

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 “BIM+健康監(jiān)測(cè)”模式下橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自診斷和在線(xiàn)處理

橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)失真大多是由信息獲取環(huán)節(jié)的傳感設(shè)備造成的。美國(guó)“智能維護(hù)系統(tǒng)中心”研究表明，一般系統(tǒng)40%以上的故障警報(bào)是由于傳感器系統(tǒng)自身的故障而產(chǎn)生的誤警。此外，儀器設(shè)備的使用與橋梁的服役年限之間存在著巨大的差距，一旦傳感設(shè)備出現(xiàn)故障或失效，將無(wú)法提供客觀、準(zhǔn)確的信息，從而對(duì)橋梁安全預(yù)警與評(píng)估產(chǎn)生不利影響。

為此，利用BIM技術(shù)首先建立了傳感器維護(hù)模塊，如圖3和圖4所示。在BIM模型中建立傳感器模型，可以迅速定位傳感器，直觀地展現(xiàn)其位置，統(tǒng)計(jì)傳感器類(lèi)別及數(shù)量。對(duì)于傳感器所在位置，可以將模型進(jìn)行多方向剖切，查看平面位置。在查看界面，可以進(jìn)行傳感器工作狀態(tài)區(qū)分，以不同顏色標(biāo)識(shí)。對(duì)于損壞的傳感器進(jìn)行維修并保存其維修記錄供以后管理養(yǎng)護(hù)參考。

圖3 BIM模型中傳感器顯示界面

圖4 傳感器工作狀態(tài)

針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在的數(shù)據(jù)遺漏、數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)趨勢(shì)突變、數(shù)據(jù)漂移、數(shù)據(jù)奇點(diǎn)、長(zhǎng)周期干擾和噪聲干擾等失真原因，建立了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自診斷和預(yù)處理系列方法，并結(jié)合BIM數(shù)據(jù)庫(kù)編制了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理程序。該程序的主要功能是智能識(shí)別異常健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在保證數(shù)據(jù)完整性和真實(shí)性的基礎(chǔ)上修正異常值，如圖5所示。程序算法特點(diǎn)是應(yīng)用大量智能以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維、多角度異常識(shí)別以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自我診斷和修正，算法涉及到支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波分析等。

圖5 健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理效果對(duì)比

3.2 健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的BIM可視化

傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示存在枯燥、難以理解等缺點(diǎn)，利用BIM技術(shù)良好的可視性，建立了溫度、撓度、振動(dòng)、加速度等健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可視化模塊。由于傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)只能布設(shè)數(shù)量有限的傳感器，所采集得到數(shù)據(jù)難以體現(xiàn)全橋的工作狀態(tài)。為此，研發(fā)了基于健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全橋結(jié)構(gòu)響應(yīng)可視化技術(shù)，利用有限采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，得到全橋不同位置相應(yīng)類(lèi)型的數(shù)據(jù)預(yù)估，預(yù)測(cè)的全橋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)，BIM數(shù)據(jù)庫(kù)從擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)讀取信息，以構(gòu)件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)并與BIM關(guān)聯(lián)進(jìn)行相關(guān)展示。

目前橋梁普遍存在運(yùn)營(yíng)車(chē)輛多、超載運(yùn)行的現(xiàn)象，為此，研發(fā)了一種車(chē)輛荷載效應(yīng)識(shí)別技術(shù)，即根據(jù)車(chē)輛荷載經(jīng)過(guò)時(shí)所采集健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行車(chē)輛類(lèi)別判斷。先將各類(lèi)車(chē)型通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)的結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)存儲(chǔ)，然后通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)儲(chǔ)存的響應(yīng)進(jìn)行組合運(yùn)算以匹配車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，得到全橋所有構(gòu)件的車(chē)輛荷載效應(yīng)。根據(jù)分析結(jié)果，在BIM模型中進(jìn)行可視化展示，如圖6所示。

圖6 車(chē)輛荷載效應(yīng)的BIM可視化

3.3 日常運(yùn)營(yíng)下統(tǒng)計(jì)分析與實(shí)時(shí)預(yù)警

橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的一般過(guò)程根據(jù)采用多元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了風(fēng)、溫度和車(chē)輛荷載與橋梁頻率、應(yīng)變和變形等的多元映射數(shù)學(xué)模型。針對(duì)不同環(huán)境荷載與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的強(qiáng)相關(guān)性和弱相關(guān)性特征，采用貝葉斯正則化技術(shù)對(duì)耦合環(huán)境荷載場(chǎng)的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，采用統(tǒng)計(jì)均值控制圖法建立了日常運(yùn)營(yíng)條件下“環(huán)境條件歸一化”的橋梁實(shí)時(shí)安全預(yù)警方法。

在該方法基礎(chǔ)上結(jié)合BIM技術(shù)，對(duì)全橋各構(gòu)件進(jìn)行性能追蹤與實(shí)時(shí)安全預(yù)警?；贐IM碰撞檢查功能，提出了一種新的安全預(yù)警——BIM碰撞檢查關(guān)聯(lián)技術(shù)。以橋梁豎向變形為例，根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)期變形的極限狀態(tài)建立全橋變形后模型，通過(guò)全橋插值技術(shù)得到的橋梁運(yùn)營(yíng)期橋梁實(shí)時(shí)線(xiàn)形模型，對(duì)二者實(shí)施碰撞檢查功能，對(duì)于有碰撞的部位進(jìn)行報(bào)警，如圖7所示。該方法可解決兩個(gè)問(wèn)題：一是克服了傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較難判斷無(wú)傳感器位置難題狀態(tài)；二是可快速定位全橋范圍內(nèi)超過(guò)安全額度的部位并直觀地展示。

圖7 基于BIM碰撞檢查的實(shí)時(shí)預(yù)警流程圖

3.4 極端事件下聯(lián)動(dòng)分析與安全評(píng)估

船撞、火災(zāi)等突發(fā)事件狀況下，橋梁性能分析與安全運(yùn)營(yíng)管理是橋梁管養(yǎng)單位的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。充分挖掘BIM技術(shù)獨(dú)具的模擬、可視化等功能優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于突發(fā)事件狀況下的橋梁安全運(yùn)營(yíng)管理中。首先，利用BIM的4D技術(shù)實(shí)現(xiàn)船撞、地震等突發(fā)事件下的橋梁安全評(píng)估，將突發(fā)事件發(fā)生后的橋梁各類(lèi)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與日常狀況下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，判斷橋梁當(dāng)前工作狀況。其次，利用BIM的疏散模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)突發(fā)交通事故下的交通安全管制方案的可視化，對(duì)橋梁上車(chē)輛、行人進(jìn)行疏散模擬，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的瓶頸問(wèn)題，本文基于BIM技術(shù)和海量數(shù)據(jù)可視化集成管理理念，提出了新型“BIM+健康監(jiān)測(cè)”模式下橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，研發(fā)了傳感器自診斷和維護(hù)模塊、健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)BIM可視化模塊、日常運(yùn)營(yíng)下統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)警模塊和極端事件下聯(lián)動(dòng)分析與評(píng)估模塊，建立了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施單位、橋梁管養(yǎng)單位、政府管理部門(mén)、第三方專(zhuān)家的多用戶(hù)協(xié)同管理以及監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)一體化運(yùn)維管理平臺(tái)，為BIM技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的深入應(yīng)用提供新思路和技術(shù)。

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