楊曉華， 胡海波， 許俊德， 汪濤

(1.中國鐵建投資集團(tuán)有限公司， 北京 519015；2.中鐵建蘇州設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215007；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189; 4.道路交通工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(東南大學(xué))， 江蘇 南京 211189)

建筑信息模型(BIM)作為一種新的資產(chǎn)管理方式，在土建工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)全生命周期中得到越來越廣泛的應(yīng)用。原國際數(shù)據(jù)互用聯(lián)盟(IAI)法國分支與日本Muroran技術(shù)研究所聯(lián)合發(fā)布IFC-BRIDGE橋梁模型標(biāo)準(zhǔn)專用程序，實(shí)現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)軟件與數(shù)據(jù)分析軟件之間的信息交換。沈海華等基于中國公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)的軟件框架組織架構(gòu)，研究了如何將BIM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合并應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護(hù)。胡娟等立足于Bentley旗下的橋梁核心建模軟件OpenBridge Modeler，在預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)和短線法施工中采用BIM技術(shù)進(jìn)行了精細(xì)化建模和施工監(jiān)控的二次開發(fā)。梁才利用Bentley數(shù)字孿生技術(shù)解決了公路設(shè)計(jì)和施工中存在的諸多問題，促進(jìn)了項(xiàng)目建、管、養(yǎng)的一體化。該文以合銅(合陽—銅川)高速公路王家河特大橋?yàn)楸尘?，?yīng)用Autodesk旗下核心BIM軟件Revit中參數(shù)化模型，利用Autodesk官方提供的Forge技術(shù)實(shí)現(xiàn)BIM模型輕量化，并借助Three.js等腳本文件對其進(jìn)行網(wǎng)頁端在線渲染，實(shí)現(xiàn)多塔斜拉橋拉索系統(tǒng)、索塔、鋼箱梁、附屬設(shè)施等數(shù)據(jù)的錄入與可視化展示，便于管養(yǎng)單位在實(shí)地巡檢中快速判斷橋梁構(gòu)件病害類型，從而采取精準(zhǔn)有效的養(yǎng)護(hù)措施。

1 工程概況

王家河特大橋采用塔梁墩固結(jié)鋼構(gòu)體系，為五塔六跨預(yù)應(yīng)力砼矮塔斜拉橋。全橋長2 050 m，主橋長1 170 m，單跨最大跨度為230 m，最高墩為144 m，最大總高度188.5 m。橋墩為異型雙肢雙向漸變空心薄壁墩，塔墩梁組合高度名列陜西省第二。主橋按整體式斷面設(shè)置，橋面全寬29.5 m，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度100 km/h。

施工中測量墩頂變位和梁頂標(biāo)高，以實(shí)際測量結(jié)果對合理預(yù)拱度進(jìn)行預(yù)估，提供各梁段施工模型的標(biāo)準(zhǔn)高度，確保成橋線形與設(shè)計(jì)吻合。此外，拉索錨具內(nèi)預(yù)埋的磁通量傳感器可為拉索索力控制及后期運(yùn)營健康檢測提供原始數(shù)據(jù)。

2 橋梁管養(yǎng)信息化技術(shù)

2.1 BIM模型輕量化

為提高信息化模型數(shù)據(jù)效率，工程實(shí)踐中一般采用以下方法實(shí)現(xiàn)BIM輕量化：對BIM模型中的非幾何信息表達(dá)進(jìn)行有效剝離，在減小模型數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，對幾何信息表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，最終將經(jīng)Web三維引擎渲染的模型數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在瀏覽器端視圖中，實(shí)現(xiàn)快速、便捷和高效的實(shí)時(shí)追蹤與展示。該項(xiàng)目管養(yǎng)信息化研究中將輕量化處理分為兩部分：一是模型數(shù)據(jù)的壓縮處理，即通過一定的數(shù)學(xué)方法對BIM模型中的幾何特征信息進(jìn)行簡化處理，采取盡可能少的三角面片以保證模型外觀相似性；二是三維幾何數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染，即在模型被壓縮處理轉(zhuǎn)化為輕量化的文件后，采用特定的圖形圖像渲染技術(shù)進(jìn)行渲染，達(dá)到Web端平臺進(jìn)行展示和交互操作的使用目的。

隨著HTML5技術(shù)的發(fā)布和推廣，WebGL技術(shù)可高效且不失真地對模型進(jìn)行高效渲染和三維瀏覽。WebGL不用考慮開發(fā)環(huán)境，可直接在底層GPU上工作，具備通過Three.js腳本、JSON數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)制作三維動畫的便捷性和實(shí)用性，被廣泛應(yīng)用于主流BIM輕量化引擎中。Three.js在封裝WebGL API的同時(shí)，支持CSS和Canvas動畫，可用于快速渲染和實(shí)例化創(chuàng)建的內(nèi)置對象，配合攝像機(jī)、渲染器、場景和光照等元素，可極大縮短程序的時(shí)間成本。Autodesk Viewer API是實(shí)現(xiàn)模型解析轉(zhuǎn)化的常用引擎之一，開發(fā)者在Autodesk Forge網(wǎng)站可通過Token的身份權(quán)限認(rèn)證方式對不同訪問者的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全管理。實(shí)際操作中，*.rvt文件大小往往超出Forge網(wǎng)站數(shù)據(jù)儲存桶的容量，可先通過Navisworks軟件安裝插件將*.rvt文件導(dǎo)出為*.svfzip格式，整個(gè)過程脫離Forge云端獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。

2.2 管養(yǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)

目前常見應(yīng)用架構(gòu)主要有B/S瀏覽器端架構(gòu)、C/S客戶端架構(gòu)2種，各有利弊，適用于不同開發(fā)需求類型的管理平臺。

(1) B/S架構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。采用該模式的應(yīng)用管理平臺無需單獨(dú)在客戶端下載與安裝，只需確保使用時(shí)設(shè)備能正常聯(lián)網(wǎng)，可在Web瀏覽器即時(shí)使用，為市場上絕大部分BIM應(yīng)用的技術(shù)方案。其優(yōu)點(diǎn)在于諸多核心業(yè)務(wù)可只在服務(wù)端完成，升級服務(wù)器就能獲取模型數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的版本更新。缺點(diǎn)是BIM模型加載速度直接受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度影響，需定制化開發(fā)個(gè)性化需求。

(2) C/S架構(gòu)即客戶端/服務(wù)器架構(gòu)。采用該模式的應(yīng)用管理平臺需在本地安裝客戶端，安裝包和模型數(shù)據(jù)都在本地存儲，業(yè)務(wù)需要邏輯和功能提示頁面主要在客戶端實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)和共享。其優(yōu)點(diǎn)在于BIM應(yīng)用的定制化開發(fā)，操作多樣化，容易保證數(shù)據(jù)安全。缺點(diǎn)是對橋梁管養(yǎng)的覆蓋面較窄，需安裝程序后才能使用，維護(hù)成本較高。

橋梁管養(yǎng)信息化系統(tǒng)主要針對監(jiān)控構(gòu)件或單元，除需保證在普通公共網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行外，還需適當(dāng)簡化開發(fā)和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。因此，系統(tǒng)開發(fā)適合采用B/S架構(gòu)。

3 管養(yǎng)一體化平臺構(gòu)建

采用上述信息化模型輕量化技術(shù)和管養(yǎng)系統(tǒng)架構(gòu)搭建王家河特大橋管養(yǎng)一體化平臺瀏覽器網(wǎng)頁端主頁。主橋部分在Navisworks軟件平臺中漫游展示，輕量化模型部分由IDEA集成環(huán)境采用Spring和Bootstrap框架編寫開發(fā)。平臺分為監(jiān)測評估、模型查看、橋梁管養(yǎng)、施工檢查四大模塊(見圖1)。

圖1 王家河特大橋建養(yǎng)一體化平臺瀏覽器主頁

3.1 斜拉橋監(jiān)測

構(gòu)建橋梁管養(yǎng)平臺的目的是為固定周期的橋梁維護(hù)提供所需關(guān)鍵信息，力爭做到有的放矢，有針對性地指導(dǎo)橋梁維修養(yǎng)護(hù)。

王家河特大橋?yàn)榇罂缍榷嗨崩瓨?，其例行檢查包括定期檢查、專項(xiàng)檢查和不定期抽查。若檢查中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象，可提前進(jìn)行定期檢查或特殊檢查，以確保結(jié)構(gòu)的整體安全和穩(wěn)定性。不同部位的監(jiān)測內(nèi)容如下：

(1) 斜拉索系統(tǒng)的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括護(hù)套有無裂縫、劃傷破損、老化積水、松動、銹蝕等病害；鋼索有無鼓包、銹脹、開裂或斷裂等病害；錨固系統(tǒng)中錨具是否滲水，錨頭是否銹蝕等；減振系統(tǒng)阻尼器是否銹蝕、破損或漏油；逐根測試索力，計(jì)算索力值。

(2) 鋼箱梁的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括涂層是否有粉化、氣泡或脫落等病害，鋼箱梁外觀有無銹蝕、裂縫，有無鉚釘、螺栓松動，焊縫是否完好，箱梁內(nèi)部有無積水，通風(fēng)和除濕設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，斜拉索錨固區(qū)有無開裂或銹蝕等病害。

(3) 索塔的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括砼索塔是否存在滲水、大面積蜂窩麻面、銹蝕或漏筋，橫梁有無大面積蜂窩麻面、銹蝕、露筋及底部排水是否通暢，斜拉索錨固區(qū)及套筒周邊有無裂縫及裂縫發(fā)展情況。

(4) 下部結(jié)構(gòu)與支座的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括墩身是否存在蜂窩、麻面、凍脹、剝落或露筋等病害，支座有無腐蝕、開裂、老化及位移、錯(cuò)位或變形等病害。

(5) 附屬設(shè)施的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括橋面鋪裝是否清潔，橋面有無鼓包、開裂及其他缺陷，伸縮縫是否平整、有無異響、型鋼是否斷裂、密封橡膠帶有無老化開裂，防撞護(hù)欄鋼筋有無銹蝕、涂層脫落和變形等病害，橋面排水系統(tǒng)的蓋板有無損壞、泄水管是否完好及管體有無損傷。

3.2 橋梁管養(yǎng)信息化展示

如圖2所示，瀏覽器中網(wǎng)頁端BIM輕量化模型可實(shí)現(xiàn)環(huán)繞鏡頭、上下移動、縮放、第一視角漫游、相機(jī)交互(布滿視圖、滾動)、剖面分析(X、Y、Z三剖面或自定義剖切平面)、測量、分解和全屏顯示。

圖2 管養(yǎng)平臺模型可視化渲染

除信息化展示功能外，系統(tǒng)還分別構(gòu)建了斜拉索系統(tǒng)病害數(shù)據(jù)庫、索塔病害數(shù)據(jù)庫、鋼箱梁病害數(shù)據(jù)庫和附屬設(shè)施病害數(shù)據(jù)庫，用以應(yīng)對常見病害識別和錄入(見圖3)。將斜拉橋常見病害信息上傳到病害數(shù)據(jù)庫中，包括病害名稱、成因、危害、病害圖片及相應(yīng)維修措施，管養(yǎng)部門可及時(shí)比對、發(fā)現(xiàn)、治理病害，一線操作人員也可在后臺從本地直接導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)表格，實(shí)現(xiàn)添加、刪除、修改橋梁病害數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容，形成管養(yǎng)監(jiān)控平臺的動態(tài)調(diào)整和常態(tài)化運(yùn)營。

圖3 橋梁檢查信息錄入管養(yǎng)平臺

3.3 橋梁狀態(tài)評估

拉索索力、結(jié)構(gòu)位移等為斜拉橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，需進(jìn)行長期監(jiān)測。通過對斜拉橋監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、剔除野值、降噪平滑等處理，得到每個(gè)月的索力及其平均值、位移。通過對這些數(shù)據(jù)的擬合建模，得到序列數(shù)據(jù)的預(yù)測模型，并提取相應(yīng)趨勢變化，利用指標(biāo)的上下閾值對序列指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到序列指標(biāo)的評定結(jié)果。

由于橋梁評估存在一定的主觀性及多重因素影響帶來的評估復(fù)雜性，各類評估信息往往表現(xiàn)出模糊、不完全等特性。為此，采用層次分析模型得到各子指標(biāo)的評分結(jié)果，通過隸屬度函數(shù)模糊化處理，得到面向評估等級的隸屬度向量。隸屬度變化滿足非線性的特點(diǎn)，選用嶺形分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)(見圖4)。通過不確定推理方法得到與子指標(biāo)相對應(yīng)的上層指標(biāo)的等級隸屬度向量，對全橋狀態(tài)進(jìn)行綜合評估，并與傳統(tǒng)加權(quán)平均方法進(jìn)行對比分析。DS證據(jù)理論是不確定推理的典型方法，可體現(xiàn)評定思維的模糊性，能類比人的推理過程，將該方法用于橋梁狀態(tài)評估，以修正傳統(tǒng)加權(quán)方法掩蓋子指標(biāo)差異性的缺點(diǎn)。

圖4 評估指標(biāo)得分的隸屬度函數(shù)

根據(jù)上述評估方法建立橋梁評估運(yùn)算界面(見圖5)，用戶評定時(shí)，可自行輸入相應(yīng)權(quán)重和分值，也可選用默認(rèn)權(quán)重。程序左下方可選擇2種計(jì)算方式中的一種進(jìn)行判斷，點(diǎn)擊生成圖表按鈕即可得到相應(yīng)方法的柱狀圖分布。

圖5 橋梁決策評估體系

4 結(jié)語

以王家河特大橋工程為依托，將BIM技術(shù)引入多塔斜拉橋運(yùn)營管養(yǎng)領(lǐng)域，以IDEA為開發(fā)平臺，選取Java為底層開發(fā)語言，結(jié)合Javascript等網(wǎng)頁開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)基于B/S架構(gòu)的王家河特大橋管養(yǎng)一體化平臺搭建。利用Autodesk官方提供的Forge技術(shù)實(shí)現(xiàn)BIM模型的輕量化，借助View3D.js和Three.js等腳本對其進(jìn)行高質(zhì)量渲染和可視化?；谳p量化BIM模型的管養(yǎng)信息化系統(tǒng)，不僅可在線錄入、編輯橋梁檢查信息和監(jiān)控信息，還能結(jié)合橋梁構(gòu)件病害數(shù)據(jù)庫對不同在役狀態(tài)橋梁制訂詳細(xì)的交通資產(chǎn)管理方案。