夏曉亮，姚金悅，卞勝平（.寧波市杭州灣大橋發(fā)展有限公司，浙江 寧波 57；.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇 南京 0096；.泰州市鼎益建設(shè)工程有限公司，江蘇 泰州 500）

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)作為一種具有高效率、高質(zhì)量的新型技術(shù)理念，在我國(guó)建筑工程領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1]。目前，BIM 技術(shù)在我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用仍處于探索階段，而橋梁建設(shè)作為我國(guó)交通網(wǎng)建設(shè)中的重要節(jié)點(diǎn)，在運(yùn)維和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中面臨病害管理的難題。國(guó)內(nèi)主流的橋梁病害記錄方式分為數(shù)據(jù)庫(kù)管理和橋梁病害管理軟件兩大類(lèi)，存在檢測(cè)效率、精度低下、無(wú)法直觀精細(xì)標(biāo)定病害位置信息等缺陷。通過(guò) BIM 自動(dòng)化建模技術(shù)對(duì)橋梁病害信息進(jìn)行三維可視化采集與管理，可以極大減輕橋梁維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高橋梁檢測(cè)維護(hù)效率，提升橋梁工程建設(shè)水平，推動(dòng)交通智能化建設(shè)。

本文以激光點(diǎn)云掃描測(cè)量技術(shù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合利用點(diǎn)云參數(shù)化模型和三維實(shí)景模型的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用 Real Works 和 Context Capture 等軟件，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于點(diǎn)云和實(shí)景數(shù)據(jù)融合的 BIM建模關(guān)鍵技術(shù)研究，探索了基于激光掃描和傾斜攝影數(shù)據(jù)的BIM 技術(shù)在橋梁工程信息化管理中的應(yīng)用。

1 基于數(shù)據(jù)融合的橋梁信息化管理方法

基于數(shù)據(jù)融合的橋梁信息化管理方法本質(zhì)是建立起橋梁幾何參數(shù)、力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)和病害數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，提高橋梁病害檢測(cè)精度與效率，最大化減少由于檢測(cè)信息更新不及時(shí)導(dǎo)致的嚴(yán)重衍變病害。本文結(jié)合實(shí)際工程，提出了一套基于點(diǎn)云和實(shí)景數(shù)據(jù)融合的橋梁信息化管理方法。

1.1 數(shù)據(jù)融合建模

目前，基于數(shù)據(jù)融合的三維實(shí)景建模技術(shù)已在工程實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用，傾斜攝影和激光點(diǎn)云掃描技術(shù)融合建模因具備明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)性，當(dāng)前已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)[2]。傾斜攝影可輕松實(shí)現(xiàn)服役橋梁結(jié)構(gòu)快速、高效、厘米級(jí)成像，但存在數(shù)據(jù)精度低、區(qū)域貼圖易受遮擋丟失等問(wèn)題；激光點(diǎn)云掃描可對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行毫米級(jí)參數(shù)化三維刻畫(huà)，但存在外業(yè)測(cè)量效率低、多站式數(shù)據(jù)拼接等缺陷。二者融合建?？纱蠓嵘龢蛄喝S模型的完整度、精細(xì)度與生產(chǎn)效率。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)圖、點(diǎn)云模型、航攝實(shí)景等數(shù)據(jù)可建立實(shí)際橋梁的參數(shù)化模型，進(jìn)一步搭建信息化管理平臺(tái)。

1.2 橋梁病害信息化管理

近年來(lái)，信息化管理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)中。橋梁在服役過(guò)程中受到橋型結(jié)構(gòu)、環(huán)境氣候、交通量等因素的影響，在復(fù)雜力學(xué)響應(yīng)情況下不定期表現(xiàn)出多樣化的病害問(wèn)題。針對(duì)服役橋梁建立三維可視化模型不僅可以測(cè)量縱坡、結(jié)構(gòu)物直徑、視線角度等幾何參數(shù)，還能獲取鋪裝層表面如裂縫長(zhǎng)度、坑槽面積、車(chē)轍深度等病害信息。

通過(guò)在關(guān)鍵部位埋設(shè)傳感器的方式，結(jié)合力學(xué)指標(biāo)波動(dòng)程度制定點(diǎn)云掃描和傾斜攝影測(cè)量周期，以實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)變形與病害衍生監(jiān)測(cè)。以點(diǎn)云、實(shí)景模型和現(xiàn)場(chǎng)記錄信息作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在 BIM 橋梁管理平臺(tái)中的集成高精度三維模型，完成病害的可視化標(biāo)記。BIM 橋梁管理平臺(tái)集成了病害所處空間位置、病害類(lèi)型、損壞程度、實(shí)拍圖像、檢修狀態(tài)、檢修日期與人員等多維度信息于一體。

2 點(diǎn)云與實(shí)景數(shù)據(jù)采集與建模

2.1 工程概況

工程基于蘇州太倉(cāng)市的楊林塘大橋展開(kāi)應(yīng)用研究，該橋?yàn)槿L(zhǎng) 730.02 m、橋面總寬 30 m、瀝青混凝土鋪裝的預(yù)應(yīng)力三跨 V 型墩直腹板變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。自 2008 年通車(chē)運(yùn)營(yíng)以來(lái)歷經(jīng)拓寬重建、橋欄桿維修及支座維修，面臨鋪裝病害、結(jié)構(gòu)安全等問(wèn)題，選取其作為數(shù)據(jù)融合信息化管理養(yǎng)護(hù)的研究對(duì)象。

數(shù)據(jù)融合建模階段涵蓋了橋梁點(diǎn)云參數(shù)化模型與三維實(shí)景模型的建立。該階段作為信息化管理的開(kāi)始，首先對(duì)測(cè)區(qū)制定測(cè)量方案，通過(guò)三維激光掃描儀的測(cè)程范圍確定測(cè)站布設(shè)方式，利用路徑規(guī)劃軟件制定無(wú)人機(jī)傾斜攝影飛行方案。完成實(shí)地測(cè)量后，借助 Trimble Real Works 軟件和 Context Capture 軟件分別對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景圖像進(jìn)行拼接、去雜、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)處理。在橋梁信息化管理階段，利用上一階段得出的模型可進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、病害參數(shù)的直接觀察測(cè)量，開(kāi)發(fā)了楊林塘大橋的信息管理平臺(tái)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與參數(shù)化

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)大橋共布設(shè) 47 個(gè)測(cè)站，其中橋面兩側(cè)左右交錯(cuò)布設(shè) 41 個(gè)，橋梁下方中間布置 2 個(gè)，墩柱位置處兩側(cè)各布設(shè) 2 個(gè)。 采用掃描速度 100 萬(wàn)點(diǎn)/s，測(cè)程 120 m的 TX 8 三維激光掃描儀對(duì)大橋進(jìn)行多站式掃描測(cè)量。通過(guò)平面標(biāo)靶和球型標(biāo)靶兩種基于控制點(diǎn)的人工配準(zhǔn)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多站拼接工作。

由于測(cè)量時(shí)存在激光入射角過(guò)大、掃描面細(xì)節(jié)特征突出、橋面有車(chē)輛瞬時(shí)行駛等情況，因此拼站后得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含遮擋點(diǎn)、錯(cuò)誤點(diǎn)、測(cè)量隨機(jī)誤差點(diǎn)等無(wú)效數(shù)據(jù)類(lèi)型[3]。利用 Trimble RealWorks 軟件針對(duì)噪聲點(diǎn)和誤差點(diǎn)進(jìn)行截取去除，經(jīng)去噪、光順、著色等操作后得到數(shù)據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云模型。

2.3 傾斜攝影實(shí)景輸出

本工程采用的天鷹 HD 1600 六旋翼無(wú)人機(jī)集高性能處理核心、GNSS 定位系統(tǒng)、多功能傳感器搭載平臺(tái)等優(yōu)勢(shì)于一體，實(shí)際飛行任務(wù)中通過(guò)改裝雙鏡頭相機(jī)實(shí)現(xiàn)了拍攝頻率的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制。飛行前實(shí)地考察測(cè)區(qū)地域特征，使用Mission Planner 軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃。方案確定無(wú)人機(jī)飛行分為三個(gè)架次，分別為160 m 高度的兩個(gè)架次和 180 m 高度的整體架構(gòu)，其中前兩個(gè)架次采用傾斜攝影重點(diǎn)拍攝側(cè)向紋理，整體架次則采用垂直攝影補(bǔ)拍細(xì)節(jié)紋理，飛行過(guò)程中需注意風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)光角度等因素的影響。

使用 Bently 公司開(kāi)發(fā)的 Context Capture 軟件對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間三角測(cè)量自動(dòng)計(jì)算。Context Capture 軟件具備還原度高、數(shù)據(jù)量小、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，空三過(guò)程中將自動(dòng)計(jì)算拍攝位置并對(duì)相同位置點(diǎn)進(jìn)行加密計(jì)算，完成切塊計(jì)算、材質(zhì)賦予、搭建三角網(wǎng)等生產(chǎn)過(guò)程后得到可在 Acute 3d Viewer 瀏覽器中查看的三維實(shí)景模型。

3 工程應(yīng)用效果

通過(guò) Trimble RealWorks 軟件查看上節(jié)中提到的基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的 BIM 參數(shù)化模型，可輕松測(cè)量縱坡、直徑、角度等橋梁結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。另外，軟件的平面切割工具可以得到現(xiàn)有橋梁的 CAD 二維設(shè)計(jì)圖紙，作為后期改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。點(diǎn)云逆向測(cè)量應(yīng)用效果如圖 1 所示。

圖1 點(diǎn)云逆向測(cè)量效果

在 Acute 3d Viewer 瀏覽器對(duì)實(shí)景模型進(jìn)行橋面鋪裝病害的識(shí)別與測(cè)量，可極大地減輕橋梁維護(hù)檢修人員的工作強(qiáng)度，提高橋梁檢測(cè)維護(hù)精度與效率。圖 2（a）所示的是橋面鋪裝某處裂縫長(zhǎng)度的測(cè)量，修復(fù)的坑槽面積測(cè)量如圖 2（b）所示，測(cè)量結(jié)果與橋梁實(shí)體誤差控制在 0.5 mm 以內(nèi)。

在上述全部模型創(chuàng)建完畢后，進(jìn)行模型的整合處理，搭建內(nèi)含病害信息、檢測(cè)日志、巡檢任務(wù)、巡檢流程等模塊的橋梁信息化管理平臺(tái)。管理平臺(tái)在生成可視化病害標(biāo)記體的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)病害類(lèi)別、位置、檢修情況等信息的集成統(tǒng)一，三維可視化病害標(biāo)記體如圖 2（c）所示。通過(guò)新增、更新病害數(shù)據(jù)記錄，逐步形成橋梁在服役期間的病害歷史數(shù)據(jù)庫(kù)如圖 2（d）所示。

圖2 楊林塘大橋信息化管理平臺(tái)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文綜合利用激光點(diǎn)云掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行基于點(diǎn)云和實(shí)景異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的建模關(guān)鍵技術(shù)研究，以蘇州太倉(cāng)市楊林塘大橋工程為例，建立了集成融合數(shù)據(jù)的橋梁信息化管理平臺(tái)，探索了基于激光掃描和傾斜攝影數(shù)據(jù)的信息化技術(shù)在橋梁養(yǎng)護(hù)管理中的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)橋梁養(yǎng)護(hù)方式，本文提出的方法可以極大減輕橋梁維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高橋梁維護(hù)效率和鋪裝層壽命，彌補(bǔ)傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式中速度慢、全局性差、可視化程度低、安全性差等缺陷。通過(guò)構(gòu)建橋面鋪裝病害修復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而建立橋梁全生命周期內(nèi)的信息化管理機(jī)制和橋梁全生命周期鋪裝養(yǎng)護(hù)智能決策系統(tǒng)，為橋梁后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供可靠直觀的科學(xué)依據(jù)。