杜德潤，喬素新

(中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

0 前 言

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

1 BIM技術與監(jiān)測技術介紹

1.1 BIM技術介紹

BIM技術可以說是一種多維模型信息集成技術，利用信息集成方法將所有的信息整合在3D模型內(nèi)，BIM技術的應用涉及項目周期的各個環(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目的所有參與單位(設計、施工、運營管理、造價、用戶等)共享使用，實現(xiàn)在BIM模型中操作項目信息，提高工作效率和質(zhì)量目標。

BIM的概念最早出現(xiàn)在20世紀70年代，此后隨著計算機水平的提高BIM開始快速發(fā)展，在美、英、日、韓等發(fā)達國家快速推廣應用，目前國外BIM的應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)實現(xiàn)各階段均應用BIM技術還任重道遠，但BIM的推廣將會越來越順利。

1.2 監(jiān)測技術介紹

結構健康監(jiān)測起源于20世紀50年代，它是一門涉及計算機技術、工程技術、傳感技術等多個專業(yè)在內(nèi)的交叉性學科。隨著社會的發(fā)展，人們對突發(fā)安全事故日益重視，結構健康監(jiān)測的應用從航空領域逐漸到土木工程領域，例如重要的橋梁結構、高層建筑監(jiān)測等。橋梁結構監(jiān)測是通過在橋梁結構的關鍵部位安裝各類傳感器，利用傳感技術以采集結構的響應信息，傳感器會將監(jiān)測和收集的數(shù)據(jù)實時傳輸給計算機，并形成數(shù)據(jù)庫，結合數(shù)據(jù)庫的信息，計算機會用相關的算法處理釆集到的數(shù)據(jù)自動分析并預測結構的各種響應、結構的安全性，并以可視的界面形式實時顯示出來。若出現(xiàn)不利于結構正常運行的響應會采取預警及限定措施，以避免事故發(fā)生的可能性，是一種能夠評定結構狀態(tài)并確保結構運行安全的監(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)構成

隨著科學技術發(fā)展，結構日益向大型化、復雜化方向發(fā)展，結構監(jiān)測技術的研究也日益廣泛，并取得了一定的成果。然而，從理論研究到應用的完善還有許多問題需要解決，健康監(jiān)測技術的實際應用還未達到監(jiān)測系統(tǒng)的目標，如監(jiān)測系統(tǒng)的合理設計、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)測相關的研究相對較少

隨著橋梁建設的迅猛發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的地位凸顯，當前橋梁健康監(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)護管理尚屬薄弱環(huán)節(jié)，但是事實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)測的目的是通過實時監(jiān)測橋梁結構并對獲取的數(shù)據(jù)進行分析來診斷橋梁結構，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)測技術的不斷發(fā)展，進一步可以為橋梁維修、養(yǎng)護與管理提供指導。反問題的求解是指通過對橋梁響應的測試(動力與靜力響應)，來反推橋梁各個位置的結構特性與力學狀況，而實際獲取的響應中不可避免地受噪音影響，這種微小的誤差也會導致最后分析結果千差萬別，因而對于橋梁運營中的監(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，比如結構監(jiān)測手段機械化、記錄病害平面化、資料管理靜態(tài)化，浪費大量人力、物力和財力。對于智能化技術的應用，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 評估標準不完善

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測對象一般是單個橋梁構件，每次監(jiān)測結果只能給出單個構件的損傷情況，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。現(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)一的標準，缺乏通用性。目前沒有可以作為參考的標準，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，不同的專家評估結果會存在很大的不同[5]，人工評估主觀性強，難于量化。

3 BIM技術在既有橋梁運維管理中的具體應用

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可視化特點將抽象的CAD平面圖轉換成直觀、精細的三維橋梁模型。通過相關BIM軟件對項目整體情況進行深度模擬，充分展現(xiàn)橋梁以及周邊的環(huán)境情況。通過基于BIM技術開發(fā)的運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，準確掌握橋梁的整體情況，直觀、形象的節(jié)點構造圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點構造三維詳圖

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?；贐IM平臺的運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。相關人員也可以隨時調(diào)整這些設備信息，保證信息的完整性和準確性。

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技術除對橋梁工程進行三維模擬之外，還可以對橋梁完成巡查工作。基于BIM平臺的橋梁運營管理系統(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件的病害數(shù)量，更準確地制定維修方案，有效降低修理成本并提高修理效率。

基于GPS和GIS技術的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的構建可以規(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 項目協(xié)同管理

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

基于BIM平臺的項目管理具有很多方面的應用，具體如下：統(tǒng)一管理招標文件、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)實技術進行管理，更好地分配資源和做出決策；準確掌握結構運營情況對突發(fā)事件迅速應對和及時處理，減少不必要的損失。在設計、施工和運營階段BIM可以完成整個項目的管理，實施資源規(guī)劃、資金風險管理、節(jié)能降耗和提高效率等使項目協(xié)同管理更上一層樓。

4 BIM技術在橋梁運維管理中的優(yōu)勢

BIM技術的優(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，向先進集約式管理方式轉變，在進度控制、可視化仿真和監(jiān)控等方面進行了創(chuàng)新。結合BIM技術提供的信息模型，可以很方便地查找建筑構件幾何信息以及工程項目信息，促進了橋梁工程建設和管理的自動化和智能化，降低了項目成本，提高了管理效率，促進了交通運輸可持續(xù)發(fā)展。

BIM技術可以聯(lián)結建筑的規(guī)劃、建造和運維管理各個階段，在運維階段，橋梁監(jiān)測系統(tǒng)在BIM平臺中以橋梁三維模型為基礎實現(xiàn)可視化效果，以信息管理為技術核心實現(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。在運營階段不僅提供了設計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。首先，BIM技術使得各種橋梁信息都能夠動態(tài)地呈現(xiàn)；其次，運營階段需要對大量的數(shù)據(jù)和圖表進行有效的管理，BIM技術為橋梁工程的建設者、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)運行可以實現(xiàn)有效、規(guī)范的管理，有效地提高橋梁的管養(yǎng)水平。將BIM技術應用于橋梁監(jiān)測不僅可以提高橋梁監(jiān)測效率，而且可以實現(xiàn)對橋梁結構的精確識別以及及時反饋橋梁監(jiān)控數(shù)據(jù)的異常情況，對減少災害損失，保護人身財產(chǎn)安全，在發(fā)生重大事故時具有重要意義。

5 結 語

BIM技術是工程領域興起的一項新技術，越來越多地得到工程領域的重視，也越來越多地應用到道路橋梁領域。本文介紹了BIM技術在橋梁工程運營階段的一些應用，但是BIM技術的應用遠遠不止這些。BIM具有巨大的潛力，隨著BIM 相關研究工作的不斷深入，對技術應用水平的不斷提高， BIM會越來越多地在橋梁建設領域發(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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