姜震宇 解會(huì)兵

(1.中路高科檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司,北京 100088；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

近幾年，建筑信息模型(BIM)技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得在橋梁檢測(cè)中對(duì)病害的直觀展示和信息的自動(dòng)存儲(chǔ)成為可能。張貴忠等以滬通長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)維護(hù)方案為依托，針對(duì)大跨徑鐵路橋梁運(yùn)維需求，提出集多源信息獲取及管理、結(jié)構(gòu)智能分析與狀態(tài)評(píng)估、智能養(yǎng)修管理等功能于一身的數(shù)字化大橋運(yùn)維平臺(tái)架構(gòu)[12]。胡興意等提出了一種融合BIM與影像建模技術(shù)的橋梁檢測(cè)新方法,嘗試建立了橋梁運(yùn)維管養(yǎng)BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)[13]。趙偉等依托平塘特大橋施工過(guò)程，介紹了BIM技術(shù)在施工管理中實(shí)現(xiàn)模型應(yīng)用和協(xié)同管理平臺(tái)方面的研究[14]。張連河設(shè)計(jì)了基于BIM技術(shù)結(jié)合多種傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的橋梁工程信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[15]。陳志為等針對(duì)橋梁荷載試驗(yàn)及承載力評(píng)定中的信息管理問(wèn)題，形成一套基于BIM技術(shù)的橋梁承載力評(píng)定系統(tǒng)[16]。覃亞偉等將三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)相結(jié)合,提出了構(gòu)件加工質(zhì)量檢測(cè)、施工現(xiàn)場(chǎng)虛擬拼裝以及施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一體化的工程質(zhì)量管控方法[17]。然而，BIM技術(shù)在橋梁檢測(cè)工程的應(yīng)用中，尚未真正實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)信息的自動(dòng)化存儲(chǔ)、顯示及性能評(píng)估。

在橋梁檢測(cè)及評(píng)估過(guò)程中引入BIM技術(shù)，以某剛構(gòu)橋?yàn)槔ㄟ^(guò)構(gòu)建BIM病害模型，打通病害信息壁壘，真正實(shí)現(xiàn)病害的直觀展示和信息參數(shù)化，達(dá)到病害級(jí)分析和管理的目標(biāo)，并利用BIM加固模型，實(shí)現(xiàn)與有限元分析的結(jié)合應(yīng)用。

1 工程概況

以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔M(jìn)行分析，橋梁全長(zhǎng)150 m。上部結(jié)構(gòu)箱梁橫斷面為單箱單室型，箱梁底板下緣及底板上緣均采用二次拋物線變化，箱梁根部截面中心高度3.90 m，跨中截面中心梁高2.10 m，高跨比為1/34.6，箱梁僅設(shè)支點(diǎn)橫隔板，不設(shè)跨中橫隔板。

上部結(jié)構(gòu)主要存在的病害為：箱梁腹板斜向/水平裂縫、頂板/翼板縱向裂縫、橫隔板裂縫、節(jié)段接縫開(kāi)裂及體外索齒板裂縫。該橋進(jìn)行了多次維修加固，主要為裂縫封閉灌漿、增加體外預(yù)應(yīng)力束和粘貼鋼板。

2 參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)方法

2.1 剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)和加固模型建立

為了實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)化、語(yǔ)言化快速建立模型的目的，使用CATIA軟件建立剛構(gòu)橋本體模型。上部結(jié)構(gòu)共劃分為41個(gè)節(jié)段，下部結(jié)構(gòu)為雙肢薄壁空心墩。總體建模思路如下：

1)采用骨架線的方式，通過(guò)讀取參數(shù)表建立剛構(gòu)橋平曲線、道路中心線，通過(guò)提取關(guān)鍵控制點(diǎn)，利用EKL語(yǔ)言建立底板上、下表面二次拋物線，如圖1所示。

舞蹈作品是由舞蹈動(dòng)作組成舞句再連成舞段再由舞段銜接成一個(gè)舞蹈作品的這樣一個(gè)過(guò)程，音樂(lè)是由音符組成小節(jié)再連成一句繼續(xù)延伸到一段再銜接成一首曲子的這樣一個(gè)過(guò)程，所以音樂(lè)與舞蹈的創(chuàng)編過(guò)程是相似的，音樂(lè)是由單個(gè)的音符、舞蹈是由單個(gè)的動(dòng)作這樣往后繼續(xù)延續(xù)形成的一個(gè)作品，而且都是具有行進(jìn)與推動(dòng)性的，在時(shí)間值上也都具有變化，因此音樂(lè)與舞蹈都是具有節(jié)奏的這便是它們的基礎(chǔ)與共性，也因此決定了音樂(lè)與舞蹈不可分割的藝術(shù)表演形式。

2)沿著道路中心線在控制點(diǎn)處繪制控制斷面草圖，利用控制斷面草圖通過(guò)參數(shù)和超級(jí)副本進(jìn)行參數(shù)化控制和批量生成橫斷面，如圖2所示。

3)通過(guò)多截面曲面，利用1)中建立的骨架線生成案例橋梁主梁外輪廓和內(nèi)輪廓表面。通過(guò)封閉曲面功能封閉外輪廓和內(nèi)輪廓各實(shí)體，得到總體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 剛構(gòu)橋主梁結(jié)構(gòu)整體模型示意Fig.3 The integrated global model of the girder in the rigid-frame bridge

4)利用EKL語(yǔ)言對(duì)案例橋梁主梁整體節(jié)段進(jìn)行節(jié)段劃分和配色，得到主梁節(jié)段劃分模型如圖4所示。

圖4 剛構(gòu)橋主梁節(jié)段劃分模型示意Fig.4 The schematic diagram for segment divison of the girder in the rigid-frame bridge

5)依托4)中建立的輪廓面，以平曲線上橋梁起點(diǎn)作為參考點(diǎn)，根據(jù)體外束加固設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行定位，建立錨固齒塊、限位梁、體外預(yù)應(yīng)力束模型如圖5所示。

圖5 剛構(gòu)橋主梁體外束加固模型示意Fig.5 The strengthened model of the girder with externally prestressed cables

6)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立下部結(jié)構(gòu)，完成剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)和加固模型，以便于后續(xù)病害自動(dòng)生成作為空間位置參考和輸入條件。

2.2 病害自動(dòng)化生成方法

常規(guī)病害檢測(cè)方法通常是在檢測(cè)前選取一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，建立參考坐標(biāo)系，進(jìn)行結(jié)構(gòu)編號(hào)劃分?，F(xiàn)場(chǎng)借助檢測(cè)支架、橋檢車等輔助設(shè)備，使用裂縫測(cè)寬儀等設(shè)備，拍攝視頻照片，采用人工記錄表格、標(biāo)注示意斷面圖等形式記錄裂縫和其他病害位置，內(nèi)業(yè)整理成Excel統(tǒng)計(jì)表格，并利用手繪二維CAD平面展開(kāi)圖的形式展現(xiàn)裂縫和病害，如圖6所示。

圖6 剛構(gòu)橋第二跨裂縫展開(kāi)Fig.6 The propagration of cracks in the second span of rigid-frame bridge

常規(guī)病害描述方法主要采用箱梁各表面二維展開(kāi)的方式，整體可視化程度較差，尤其對(duì)于倒角處的病害，難以直觀進(jìn)行展示。同時(shí)，二維CAD裂縫和其他病害展開(kāi)圖僅能作為展示成果，并未攜帶更多的可用信息，也不能用于進(jìn)一步對(duì)病害歸類和分析，采用BIM技術(shù)可以對(duì)病害進(jìn)行直觀展示，并對(duì)病害的動(dòng)態(tài)發(fā)展情況進(jìn)行自動(dòng)化的跟蹤與分析。對(duì)于案例橋梁，共包括裂縫970條，其中左幅箱梁外側(cè)裂縫110條，左幅箱梁內(nèi)側(cè)裂縫331條，右幅箱梁外側(cè)裂縫83條，右幅箱梁內(nèi)側(cè)裂縫425條，右幅下部結(jié)構(gòu)裂縫21條。在上述結(jié)構(gòu)和加固模型的基礎(chǔ)上，直接利用檢測(cè)人員統(tǒng)計(jì)的病害數(shù)據(jù)表格，實(shí)現(xiàn)裂縫和病害的自動(dòng)化生成和屬性信息附加。主要技術(shù)思路如下：

1)整理病害數(shù)據(jù)表格。根據(jù)檢測(cè)人員記錄習(xí)慣和檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)格式，整理病害Excel表格，在不破壞原表格格式并保留檢測(cè)數(shù)據(jù)的前提下，加入病害比例系數(shù)(為了達(dá)到滿足裂縫可視化的要求)等補(bǔ)充參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型讀取Excel病害參數(shù)自動(dòng)生成病害模型的目的。

2)建立病害模板。病害考慮結(jié)構(gòu)存在曲面，利用展開(kāi)/折疊的方法，先將曲面展開(kāi)成平面，生成對(duì)應(yīng)裂縫模型后，再折疊為既有曲面形式。對(duì)于裂縫，考慮裂縫起點(diǎn)X和Y坐標(biāo)、裂縫終點(diǎn)X和Y坐標(biāo)、裂縫寬度、裂縫走向、裂縫長(zhǎng)度、照片編號(hào)、裂縫顏色、裂縫比例系數(shù)等參數(shù)。裂縫顏色根據(jù)裂縫寬度區(qū)分為3種顏色，其中紅色表示裂縫寬度在0～0.2 mm范圍內(nèi)，藍(lán)色表示裂縫寬度在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)，黃色表示裂縫寬度在0.5 mm以上。通過(guò)規(guī)則實(shí)現(xiàn)顏色的變化和裂縫形式的選擇，達(dá)到裂縫形狀隨機(jī)性和美觀的要求，如圖7所示。對(duì)于病害，考慮病害中心X和Y坐標(biāo)、病害X方向長(zhǎng)度、病害Y方向高度、病害類型、病害顏色、病害比例系數(shù)、照片編號(hào)等參數(shù)，由于部分病害如破損、滲水等，很難如裂縫般形象表達(dá)。因此本研究通過(guò)建立病害字典，以病害圖例的形式在對(duì)應(yīng)病害位置處予以生成達(dá)到病害辨識(shí)度和美觀的要求，如圖8所示。

圖7 裂縫顏色參數(shù)控制示意Fig.7 The parameter control for colors of cracks

圖8 病害圖例示意Fig.8 Legends of detects

3)批量生成裂縫和病害模型。將病害數(shù)據(jù)表格導(dǎo)入資源表中，通過(guò)EKL語(yǔ)言編寫(xiě)腳本，以病害附著面、病害相對(duì)參考原點(diǎn)、病害自動(dòng)讀取病害參數(shù)并添加到模型參數(shù)和信息中，快速建立全橋病害模型，如圖9所示。

圖9 全橋病害模型示意Fig.9 The defect model of the bridge

3 統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 基于BIM模型的病害統(tǒng)計(jì)分析

在已經(jīng)建立的病害模型中，每個(gè)病害均作為單獨(dú)的構(gòu)件管理，且與檢測(cè)人員提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)是互動(dòng)關(guān)聯(lián)的。病害模型所建立的參數(shù)并非一串描述性的數(shù)字，而是與病害模型存在邏輯關(guān)系，即實(shí)例化后的病害參數(shù)仍然是可以隨參數(shù)驅(qū)動(dòng)的，其意義在于：

1)如果發(fā)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)有誤，個(gè)別病害只需修改對(duì)應(yīng)病害參數(shù)即可；大量檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差或變更，可以通過(guò)修改關(guān)聯(lián)病害參數(shù)表格，表格驅(qū)動(dòng)模型以實(shí)現(xiàn)病害的自動(dòng)變更。

2)若日后裂縫發(fā)生延伸，如果需要在原裂縫基礎(chǔ)上延伸，只需修正相應(yīng)裂縫的起終點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)表，若延伸裂縫和原裂縫均需要保留，只需復(fù)制裂縫，對(duì)其中一條進(jìn)行修正坐標(biāo)即可，亦可通過(guò)修改顏色、改變類型達(dá)到辨識(shí)新、舊裂縫的目的，如圖10所示。

圖10 裂縫延伸和屬性拓展Fig.10 Propagation of cracks and attribute extensions

3)其屬性信息可以定制拓展，如病害檢測(cè)時(shí)間、詳細(xì)描述、病害記錄人員名稱、病害構(gòu)件編碼等等。以構(gòu)件編碼為例，拓展屬性如圖10所示。拓展的屬性并非靜態(tài)的，同樣可以用于病害的歸類統(tǒng)計(jì)等進(jìn)階分析。

每個(gè)病害作為一個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)例化，即每個(gè)病害都是獨(dú)立的構(gòu)件，具有獨(dú)立的、唯一的身份標(biāo)志和名稱等信息。因此通過(guò)獨(dú)立身份標(biāo)志和相關(guān)參數(shù)及屬性可以對(duì)病害進(jìn)一步分析。如對(duì)于裂縫走向的判斷，可以通過(guò)X和Y的坐標(biāo)參數(shù)計(jì)算出裂縫角度，根據(jù)角度利用與裂縫顏色定義相似的規(guī)則約定縱向裂縫、斜向裂縫、橫向裂縫的容許范圍，進(jìn)而得到各種裂縫類型的分布情況。同理可以根據(jù)病害的檢測(cè)時(shí)間，得到病害的時(shí)間分布；根據(jù)病害依附節(jié)段和病害長(zhǎng)度屬性，得到裂縫沿橋分布情況。以案例橋梁為例，依據(jù)病害模型得到的左幅頂板裂縫縱橋向分布如圖11所示。

裂縫數(shù)量； 裂縫長(zhǎng)度，m。圖11 左幅頂板裂縫沿縱橋向分布情況Fig.11 Crack distribution of the left top plate along the longitadinal direction of the bridge

由模型底板裂縫分布情況可以看出，底板裂縫多集中于左、右幅6、6′箱梁節(jié)段，裂縫分布較為集中。由圖12可以看出：底板裂縫集中區(qū)域正好位于體外預(yù)應(yīng)力底板束N3齒板位置附近，裂縫發(fā)展位置剛好位于粘貼鋼板加固區(qū)域以外，裂縫整體走向呈八字形分布。由裂縫走勢(shì)和分布位置可以直接由模型得到初步結(jié)論：

圖12 底板裂縫模型示意Fig.12 The schematic diagram of cracks of bottom board

1)底板裂縫的發(fā)展與加固新增體外預(yù)應(yīng)力有關(guān)；2)底板裂縫與底板粘貼鋼板加固有關(guān)，可能引起了應(yīng)力重分布，裂縫開(kāi)裂處剛度相對(duì)較小，為薄弱位置，應(yīng)力傳遞路徑發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3.2 關(guān)注部位結(jié)構(gòu)分析

由上述可視化分析可以直觀得到結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注位置，根據(jù)上述得到的結(jié)論，截取關(guān)注部位跨中兩側(cè)5號(hào)和5′號(hào)截面之間的BIM模型，利用源BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行裝配，在模型兩端施加力的邊界條件，考慮恒、活載和預(yù)應(yīng)力荷載，其中預(yù)應(yīng)力荷載采用降溫法模擬[18]。BIM模型、前處理模型和網(wǎng)格劃分模型如圖13所示。

圖13 BIM模型-前處理模型-網(wǎng)格劃分模型示意Fig.13 Schematic diagrams of the BIM model,the pretreatment model and meshing model

實(shí)體模型采用的力學(xué)單位為：N，長(zhǎng)度單位為：mm。箱梁及既有結(jié)構(gòu)齒塊材料為C50混凝土，體外預(yù)應(yīng)力束齒塊材料為C55混凝土，體外預(yù)應(yīng)力束材料為抗拉強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa的鋼絞線，加固鋼板材料為Q345D鋼。

為驗(yàn)證上述得到的初步結(jié)論，考慮以下3種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

1)工況一：僅考慮恒載和活載；2)工況二：考慮恒載、活載、體外預(yù)應(yīng)力束加固；3)工況三：考慮恒載、活載、體外預(yù)應(yīng)力束加固及粘貼鋼板加固。

三種工況下主拉應(yīng)力云圖如圖14所示，由計(jì)算結(jié)果可知：工況一下底板裂縫發(fā)展處最大應(yīng)力為0.99 MPa，工況二下底板裂縫發(fā)展處最大應(yīng)力為3.21 MPa，工況三下底板裂縫發(fā)展處最大應(yīng)力為3.73 MPa?？梢?jiàn)，張拉體外預(yù)應(yīng)力束顯著增大了底板主拉應(yīng)力的大小，超出C50底板混凝土抗拉承受能力2.64 MPa，因此底板出現(xiàn)八字形裂縫。此外，鋼板加固后最不利位置主拉應(yīng)力又有所增加，其原因是跨中底板鋼板加固后，剛度增大，其應(yīng)力釋放在較為薄弱的6～7號(hào)塊附近底板處，導(dǎo)致其拉應(yīng)力進(jìn)一步增大，其結(jié)果與根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)生成的BIM裂縫模型結(jié)果吻合。

a—工況一；b—工況二；c—工況三。圖14 主拉應(yīng)力云圖 MPaFig.14 Contours of principal tensile stress

3.3 結(jié)果反饋BIM模型

將有限元分析的計(jì)算結(jié)果反饋到所建立BIM模型中，對(duì)最不利應(yīng)力等信息進(jìn)行存儲(chǔ)。以最不利應(yīng)力分析結(jié)果為例，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到的最不利應(yīng)力結(jié)果，通過(guò)表格映射的方式與BIM模型進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)，其他計(jì)算內(nèi)容如應(yīng)力云圖以超鏈接形式展現(xiàn)，如圖15所示，即實(shí)現(xiàn)檢測(cè)病害、信息、模型和計(jì)算數(shù)據(jù)整合到同一BIM模型的功能，多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合便于數(shù)據(jù)查閱和分析，為后期的扁平化管理夯實(shí)堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

圖15 基于BIM模型的計(jì)算數(shù)據(jù)整合Fig.15 Integration of analysis data based on the BIM model

4 結(jié)束語(yǔ)

1)利用BIM軟件實(shí)現(xiàn)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)和加固模型的快速參數(shù)化、語(yǔ)言化建模方法，可以復(fù)用于同類剛構(gòu)橋。

2)提出了一種基于檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)裂縫和其他病害模型自動(dòng)化生成和屬性信息附加的方法。每個(gè)病害為單獨(dú)的構(gòu)件，并且與檢測(cè)數(shù)據(jù)雙向關(guān)聯(lián)。

3)基于生成的病害模型，通過(guò)獨(dú)立ID和相關(guān)參數(shù)及屬性可以進(jìn)一步對(duì)病害進(jìn)行分析，為檢測(cè)結(jié)論和加固措施提供依據(jù)，并可初步判別結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4)根據(jù)裂縫分析結(jié)果，對(duì)不利位置截取BIM模型進(jìn)行有限元分析，分析裂縫產(chǎn)生原因，并且可以將有限元分析結(jié)果反饋至模型。結(jié)果表明：有限元分析結(jié)果與初步分析結(jié)論吻合，根據(jù)BIM模型的病害分布情況，可以直觀快速地定位關(guān)注部位并初步判斷病害產(chǎn)生的原因。

5)該方法可實(shí)現(xiàn)不增加外業(yè)人員輸入工作，外業(yè)信息通過(guò)內(nèi)業(yè)人員處理快速轉(zhuǎn)換為參數(shù)化病害模型的目的。對(duì)于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人員信息錄入的同時(shí)完成現(xiàn)場(chǎng)建模及可視化的目標(biāo)將是下一階段研究的重點(diǎn)。