嚴(yán)肖鋒， 孫賢斌， 鄒貽權(quán)， 莊子婧

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

近年來，我國交通運輸網(wǎng)的運輸壓力與日俱增，眾多公路橋梁在設(shè)計壽命周期內(nèi)的病害劇增，導(dǎo)致了橋梁的安全性、適應(yīng)性和耐久性等功能已無法滿足正常性能標(biāo)準(zhǔn)；再加上早期較低的建造標(biāo)準(zhǔn)以及缺乏養(yǎng)護意識，加劇了橋梁的病害化[1]。老舊橋梁在結(jié)構(gòu)安全性、實用性及耐久性等各項功能上均難以滿足現(xiàn)代交通發(fā)展的新需求[2]，因此，為保障交通運輸?shù)陌踩珪惩?，急需盡快將這些老舊橋梁拆除重建。隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化時代的到來以及“智能建造”和《中國建造2035戰(zhàn)略研究》的相繼提出，以大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等為代表的一批批新技術(shù)相繼問世，它們的發(fā)展深刻影響了我們的工作、學(xué)習(xí)乃至生活，倒逼傳統(tǒng)建造行業(yè)走上轉(zhuǎn)型發(fā)展之路，形成了智能化、信息化以及專業(yè)化的發(fā)展模式[3]。而在智能化升級改造過程中，實務(wù)界與學(xué)術(shù)界紛紛看到數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢，它是在數(shù)字信息化基礎(chǔ)上延伸形成的新技術(shù)，為建造行業(yè)的全方位感知，虛擬可視化操作，全面風(fēng)險管控等提供了新思路。從本質(zhì)上看，它是借助數(shù)字載體，結(jié)合物理空間建設(shè)虛擬模型，讓現(xiàn)實和虛擬之間形成映射，從而更好地對現(xiàn)實中的人、機、法、環(huán)、料等要素或系統(tǒng)狀態(tài)的實時感知，并通過承載指令的數(shù)據(jù)實時反饋到人、機、法、環(huán)、料等要素或系統(tǒng)指導(dǎo)其決策。

劉海濤[4]拆除過程采用先進的BIM建模技術(shù)，進行空間實體模擬講解，反復(fù)論證舊橋拆除的可行性，最大限度地降低施工風(fēng)險，保證施工安全。黃瑋征等[5]在老橋拆除施工階段運用BIM技術(shù)明確了拆除構(gòu)件的堆放場地，調(diào)整浮吊停機位置、明確錨點固定設(shè)置、提前做好疏浚工作，進一步論證了施工方案的合理性，降低施工風(fēng)險，保障施工安全進行。孫士鵬等[6]將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市立交拆除工程中，借助BIM技術(shù)模擬現(xiàn)場拆除施工情況，確保方案的可實施性，同時將建立的BIM模型，利用Navisworks軟件對項目實施過程進行全過程全空間推演，對機械設(shè)備進場線路、吊機站位及吊裝、平板車運梁線路進行優(yōu)化，對吊裝過程進行碰撞檢查。

綜上分析：上述學(xué)者利用數(shù)字化技術(shù)，解決了一些傳統(tǒng)工程建造過程中的重難點，推進了傳統(tǒng)建造行業(yè)向智能化方向發(fā)展。但是以上學(xué)者的研究，都是從某一點或局部出發(fā)，單純的利用數(shù)字化建模，或者是運用了數(shù)字化的單一功能到實際橋梁拆除施工中，缺少集成應(yīng)用、系統(tǒng)應(yīng)用的研究。

結(jié)合前人研究所得，引入了橋梁拆除施工的具體案例，結(jié)合工程項目的復(fù)雜性、信息繁冗特征，根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)，搭建了橋梁智能拆除多維模型，形成了橋梁拆除框架，提出了運行模式和關(guān)鍵技術(shù)。從數(shù)據(jù)收集、多維模型建立、數(shù)據(jù)驅(qū)動與融合預(yù)測等方面闡述基于數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁智能拆除方法，從而為橋梁拆除工程作業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供一些新思路。

1 橋梁拆除對數(shù)字孿生的需求

傳統(tǒng)橋梁拆除方法數(shù)字化、智能化程度低，且橋梁拆除施工具有涉及主體較多、資源配置復(fù)雜、工藝工序繁瑣的特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)施工過程中出現(xiàn)全生命周期管理流程割裂、資源未能最大化利用、施工安全難以保障。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于橋梁拆除實際工程中，實現(xiàn)項目信息化管理，數(shù)字孿生具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性，可在構(gòu)建的模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)施工場地預(yù)布置模擬、工程量自動統(tǒng)計、交通疏散模擬以及橋梁拆除全過程模擬等，能夠?qū)椖康碾y重點實時監(jiān)控，達到橋梁智能拆除的目的。

通過研究總結(jié)[7]出橋梁拆除對數(shù)字孿生的需求：

1)工程信息共享性需求 現(xiàn)階段工程施工尚未建立統(tǒng)一的信息共享平臺，施工信息傳遞滯后，數(shù)據(jù)交互受到限制，使得項目施工信息共享不充分。

2)空間碰撞檢查要求 當(dāng)前的二維圖紙不能全面反映管線、堆場、設(shè)備、材料等在整體空間的布局狀態(tài)。

3)交通組織動態(tài)管理需求 施工期間應(yīng)盡可能確保交通正常通行，現(xiàn)有的施工交通組織方案以分階段靜態(tài)管理為主，交通管理仍按階段性計劃執(zhí)行，遭遇異常天氣、施工進度等影響，交通組織缺少實時更新與全過程展現(xiàn)。

4)技術(shù)交底可視化需求 傳統(tǒng)的技術(shù)交底形式單調(diào)，施工人員難以通過枯燥的文字說明深入理解施工內(nèi)容關(guān)鍵、重要的施工環(huán)節(jié)交底資料相對復(fù)雜，文檔資料缺乏生動性，不利于施工人員充分了解施工過程中的每處細節(jié)，信息傳遞過程的精確性難以確保。

隨著施工工藝的不斷優(yōu)化以及三維建模仿真能力、軟硬件集成化水平的提高，使得基于數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)橋梁智能拆除成為可能。傳統(tǒng)橋梁拆除模式和智能化橋梁拆除模式對比如表1所示。

表1 傳統(tǒng)橋梁拆除模式和智能化橋梁拆除模式

2 橋梁拆除

2.1 多維模型

根據(jù)拆除橋梁項目的特征、屬性，結(jié)合國內(nèi)學(xué)者陶飛等人聯(lián)合研究的“數(shù)字孿生五維模型”[8]提出了本文的研究模型，具體如公式(1)所示。

MBDT=(BPE,EPE,PPE,BVE,EVE,PVE,BSS,BDD,BCN)

(1)

式中：MBDT表示面向橋梁拆除的多維模型；BPE表示橋梁物理實體；EPE表示車載裝備物理實體；PPE表示施工人員物理實體；BVE表示橋梁虛擬模型；EVE表示車載裝備虛擬模型；PVE表示施工人員虛擬模型；BSS表示面向全過程橋梁智能拆除服務(wù)；BDD表示與橋梁拆除相關(guān)的數(shù)據(jù)；BCN表示各組成部分的連接。

物理建造實體(PE)是五維模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，對物理建造實體(PE)的準(zhǔn)確分析與有效維護是建立MDT的前提[8]。物理實體包含的信息要素眾多，在該框架下BPE的信息主要包含待拆橋梁本身的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件以及橋梁的跨徑、重量等相關(guān)信息；EPE主要包含車載裝備的結(jié)構(gòu)組成，使用功能以及承載能力等信息；PPE是施工過程中對施工人員的總概括；除此之外，物理建造實體(PE)還需包括物料、工法、環(huán)境等對象的相關(guān)要素信息。

虛擬模型(VE)是對物理實體的一一映射，需要與物理實體保持良好的時空一致性，這就需要在模型的建立時，對物理實體的細節(jié)層次更加接近。目前在工程領(lǐng)域研究較多且應(yīng)用廣泛的模型類型主要有BIM模型、有限元模型、點云模型等，虛擬模型不僅包含了物理實體的幾何參數(shù)(如形狀、尺寸、功能、位置等)，還包含了物理實體的物理屬性、約束以及特征等重要信息。

橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)(BSS)具有強大的處理功能，結(jié)合現(xiàn)實場景中的需求，通過數(shù)據(jù)模型、運行算法、仿真實驗等，實現(xiàn)數(shù)字孿生內(nèi)部所需的各項功能性需求；同時又能以應(yīng)用軟件、客戶端APP以及Web端應(yīng)用程序等形式為施工管理決策人員提供智能決策服務(wù)。

孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(BDD)是數(shù)字孿生的驅(qū)動，數(shù)據(jù)主要來源包括待拆除橋梁以及施工人員、機械設(shè)備、工藝工法、施工環(huán)境、物料五大要素，通過實時數(shù)據(jù)交互反饋，對當(dāng)前施工狀態(tài)進行實時監(jiān)測，不斷將真實現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)系統(tǒng)端，利于施工管理決策人員在線實時決策，同時，將決策信息同步反饋給施工現(xiàn)場，便于施工進程安全、流暢進行。

連接模塊(BCN)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互反饋，是各模塊之間聯(lián)系的紐帶，實現(xiàn)現(xiàn)實物理世界與虛擬數(shù)字世界的互聯(lián)互通。

2.2 拆除框架

結(jié)合高速公路跨線橋梁拆除的數(shù)據(jù)特點和應(yīng)用要求，本文提出了數(shù)字孿生驅(qū)動的橋梁拆除應(yīng)用思路與方案，該框架總體架構(gòu)布局由橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、物理實體、虛擬模型和連接模塊構(gòu)成，如圖1所示。橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)是直接面向用戶，包含了橋梁及拆除設(shè)備數(shù)據(jù)管理功能、可視化橋梁拆除預(yù)警功能、可視化拆除引導(dǎo)功能等，當(dāng)然，用戶可根據(jù)自身需求，開發(fā)其他功能模塊。

圖1 基于數(shù)字孿生的橋梁智能拆除方法框架

3 實現(xiàn)方法

3.1 拆除運行原理

橋梁數(shù)字孿生體的運行需要孿生數(shù)據(jù)的實時驅(qū)動，橋梁物理實體、虛擬橋梁模型和橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)進行實時交互、持續(xù)優(yōu)化任務(wù)。

1)橋梁數(shù)字孿生體的迭代優(yōu)化過程，是橋梁物理實體與橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互過程，數(shù)據(jù)通過感知系統(tǒng)獲得，感知系統(tǒng)由分布在橋梁物理實體上的各類傳感器組成。當(dāng)橋梁數(shù)字孿生體運行橋梁拆除任務(wù)時，橋梁拆除服務(wù)系統(tǒng)在孿生數(shù)據(jù)中調(diào)運資源數(shù)據(jù)(包括施工人員、機械設(shè)備、工藝工法流程狀態(tài)、施工環(huán)境以及物料數(shù)據(jù))的驅(qū)動下，會自動識別任務(wù)內(nèi)容并匹配到滿足任務(wù)要求的初步橋梁拆除方案。并將該方案以指令的方式傳達給物理實體。物理實體根據(jù)系統(tǒng)指令進行調(diào)整，同時將實時數(shù)據(jù)不斷反饋給橋梁智能服務(wù)系統(tǒng)，反復(fù)迭代分析，達到最優(yōu)拆除要素，從而得到初步橋梁拆除方案。

2)在對橋梁拆除方案的迭代優(yōu)化過程，也是橋梁數(shù)字孿生體中橋梁智能拆除服務(wù)系統(tǒng)與虛擬物理實體的交互過程。虛擬物理實體根據(jù)初步橋梁拆除方案，結(jié)合橋梁孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺中的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、對橋梁拆除方案進行仿真、預(yù)測及優(yōu)化，并將結(jié)果反饋至橋梁智能服務(wù)系統(tǒng)，從而對橋梁拆除初步方案進行修正和優(yōu)化，并反復(fù)迭代優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)果?；谧罱K方案生成拆除過程操作指令。

3)對橋梁拆除過程的實時迭代優(yōu)化過程，也是橋梁數(shù)字孿生體中物理實體和虛擬模型的交互過程。在橋梁孿生數(shù)據(jù)平臺中，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化后得到最優(yōu)閾值，在橋梁物理實體與虛擬物理實體交互過程中，將實際數(shù)據(jù)與最優(yōu)閾值進行對比，當(dāng)實際數(shù)據(jù)接近閾值時，系統(tǒng)會彈窗提示，并讓技術(shù)人員做相應(yīng)的選擇措施(比如：停止正在進行的步驟或?qū)υ摬襟E進行調(diào)整)；當(dāng)實際數(shù)據(jù)超過閾值時，系統(tǒng)會自動停止當(dāng)前正在進行的操作，同時彈窗警告。

3.2 拆除關(guān)鍵技術(shù)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁智能拆除方法具有很多優(yōu)勢，如：自動感知、可識別、運算分析、智能決策執(zhí)行等等。此外，還涉及到物理空間模型的建立，數(shù)據(jù)信息傳輸分析等，運用到的關(guān)鍵技術(shù)，以云計算、大數(shù)據(jù)等為主。值得一提的是，在模型中還增加了復(fù)合導(dǎo)航、無人駕駛技術(shù)。這些均是傳統(tǒng)拆除方法無法企及的。

1)多維多尺度虛擬建模 在數(shù)字孿生框架中，虛擬模型起至關(guān)重要的作用，虛擬模型的精細化程度決定了施工信息量的多少，建立精細的虛擬模型才能最大程度保留工程的有效信息，且盡可能的減少信息的冗余和錯誤。虛擬模型需要反映物理實體的幾何尺寸、空間大小、物理形狀、位置關(guān)系等信息，橋梁虛擬模型的建立離不開BIM技術(shù)，BIM模型的創(chuàng)建又依賴于BIM核心軟件，所以應(yīng)當(dāng)選擇合適快速的BIM軟件。當(dāng)前，國內(nèi)工程領(lǐng)域的主流BIM軟件包括美國的Bentley系列和Autodesk系列、芬蘭的Tekla、法國的Dassault以及McNeel公司的Rhino軟件。由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，參數(shù)化軟件對于橋梁虛擬模型的建立是最好的選擇，Revit內(nèi)置有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫，同時還可以根據(jù)需要自定義構(gòu)件族或者創(chuàng)建新的族文件；Rhino具有很好的曲線建模功能，且內(nèi)置許多插件，是很好的復(fù)雜構(gòu)件和復(fù)雜曲線橋梁建模軟件，如圖2為建立的橋梁及車載裝備虛擬模型。

圖2 橋梁及車載裝備虛擬模型

2)感知傳輸與數(shù)據(jù)識別 整個數(shù)字孿生系統(tǒng)體系的基礎(chǔ)是高精度傳感器數(shù)據(jù)的采集和快速傳輸，監(jiān)測內(nèi)力、位移、溫度等多種功能的傳感器，它可以最大程度地還原物理實體系統(tǒng)運行的情況，通過全面、精準(zhǔn)及快速布局傳感器，形成一個龐大網(wǎng)格，隨時捕獲物理量信息[9]。對于橋梁拆除工程，本身就具有復(fù)雜性和變化性，其物理空間環(huán)境變化隨著拆除跟進也會發(fā)生復(fù)雜性變化。眾所周知，影響工程質(zhì)量的獨立因素有五大要素、智能感知以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)識別，其中：數(shù)字孿生系統(tǒng)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源五大要素，通過多種類型、多種功能的傳感器感知要素信息，采集多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，將其闡述給中央控制系統(tǒng)，為此需要在網(wǎng)絡(luò)模型中統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口、通訊協(xié)議，并針對不同類型、不同來源的信息進行統(tǒng)一化處理，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后再進行傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至虛擬空間。具體原理參考下圖3所示。

圖3 感知傳輸與數(shù)據(jù)識別流程

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動與輔助決策 數(shù)字驅(qū)動就是運用最新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對模型不斷更新和調(diào)整，考慮到系統(tǒng)機理特征、運行數(shù)據(jù)特征， 找數(shù)據(jù)驅(qū)動和解析模型契合之處，并通過解析模型，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動原理，對模型進行補充和優(yōu)化。在物理實體上分布了很多傳感器，它們采集了很多實體數(shù)據(jù)，由多數(shù)據(jù)融合算法，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)所承受的各類工況參數(shù)，可以精確預(yù)測橋梁及設(shè)備受力限值，融合型預(yù)測方法的實施流程如圖4所示。

圖4 融合型預(yù)測方法的實施流程

3.3 案例應(yīng)用

基于上述研究方法，以上海某項目為例進行研究。該高架橋接地段因道路改造規(guī)劃，需將三跨連續(xù)梁拆除，待拆除橋梁截面形式為等截面單箱三室直腹板鋼筋混凝土箱梁，橋面寬18 m，頂板寬度17.7 m，底板寬度為10.4 m，梁高2.2 m。下部結(jié)構(gòu)為整體式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，分離式雙柱式橋墩。

1)多維多尺度虛擬建模 選用Rhino軟件對施工現(xiàn)場的外觀進行建模，待拆除橋梁用ANSYS軟件建立，轉(zhuǎn)化為荷載形式作用在車載裝備(模塊車組+支撐結(jié)構(gòu))上，得出車載裝備可能出現(xiàn)的所有參數(shù)變化。將參數(shù)變化模塊化，建立動態(tài)可擴展的數(shù)字庫，打包封裝程可調(diào)用的文件包。通過在WEB端建立可視化的孿生數(shù)據(jù)平臺，進行橋梁拆除模擬仿真展示。

圖5 WEB端可視化平臺

2)感知傳輸與數(shù)據(jù)識別 橋梁體量大，拆除過程不可控因素較多，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可對橋梁進行全面感知。物理實體模型、數(shù)字孿生虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺通過低延遲、高速、高穩(wěn)定性的HTTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及bluetooth、WIFI等方式，為數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)軟硬件保障。

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動與輔助決策 通過對該項目橋梁拆除過程建立數(shù)字孿生模型，與此同時搭建了安全風(fēng)險預(yù)測控制平臺，實時分析拆除過程的信息，并在平臺上進行可視化展示，分析虛擬模型所存儲以及物理拆除過程實時采集的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對吊裝安全風(fēng)險的實時預(yù)測，并對吊裝過程風(fēng)險演化規(guī)律進行分析，在智能安全管理平臺上顯示所收集的拆除多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以及風(fēng)險預(yù)測結(jié)果，實現(xiàn)了對整個拆除過程數(shù)據(jù)全面獲取并保證了施工過程的安全性。

4 總結(jié)

隨著信息化和人工智能時代的到來，橋梁拆除施工必須向著數(shù)字化、智能化的方向前進，橋梁拆除智能化不僅能夠提高橋梁拆除施工效率、節(jié)約成本，還能更好地進行工地管控，使得橋梁拆除工程向著智慧工地邁進。

1)根據(jù)已有研究成果，提出了智能化橋梁拆除多維模型，通過模型生成了拆除框架，結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對整個拆除橋梁過程實施閉環(huán)管理，及時反饋跟進情況，提高作業(yè)質(zhì)量、效率，減少成本和誤差。今后在大數(shù)據(jù)集成的環(huán)境下，通過高精度的傳感器采集設(shè)備，對施工過程的全要素進行感知分析，實現(xiàn)物理實體在虛擬模型中的真實映射。

2)橋梁智能拆除的實現(xiàn)，還需要更多的保障措施，如：完善的理論基礎(chǔ)；先進的軟件條件；優(yōu)勢的硬件系統(tǒng)等，而本文研究僅從理論體系入手展開研究，分析了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，后續(xù)研究將會進一步討論軟件、硬件系統(tǒng)開發(fā)以及成本維護的相關(guān)內(nèi)容，以此補充本文研究的不足。

3)傳統(tǒng)橋梁拆除方法數(shù)字化、智能化程度低，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于橋梁拆除實際工程中，實現(xiàn)項目信息化管理，數(shù)字孿生具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性，可在構(gòu)建的模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)施工場地預(yù)布置模擬、工程量自動統(tǒng)計、交通疏散模擬以及橋梁拆除全過程模擬等，能夠?qū)椖康碾y重點實時監(jiān)控，達到橋梁智能拆除的目的。