惠記莊，鄧偉森，丁 凱*，徐子健，程 高

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 陜西省“四主體一聯(lián)合”橋梁工程智能建造技術(shù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710064；3. 西藏天路股份有限公司，西藏 拉薩 850000)

0 引言

作為保證公路暢通運(yùn)輸而在水域、山谷、交通構(gòu)造物等特殊地段架設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，公路鋼橋是典型的裝配式建筑產(chǎn)品，主要可分為鋼箱梁、鋼桁架梁、鋼混組合梁等類型[1]。與傳統(tǒng)的混凝土橋相比，鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有強(qiáng)度高、重量輕、抗震性強(qiáng)、施工周期短、維修方便和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。公路鋼橋建管養(yǎng)過程橫跨制造業(yè)和建筑業(yè)，需要多行業(yè)多單位協(xié)同推進(jìn)：設(shè)計(jì)單位實(shí)地勘察對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定；鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)按照設(shè)計(jì)流程對(duì)鋼橋構(gòu)件進(jìn)行生產(chǎn)；施工單位對(duì)橋梁構(gòu)件進(jìn)行組裝與調(diào)試；養(yǎng)護(hù)單位對(duì)交付后的鋼橋進(jìn)行定期維護(hù)。因此，鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目通常具有業(yè)務(wù)鏈長(zhǎng)、參與方多、精益化管理難度大等特點(diǎn)。由于缺乏有效的數(shù)字化手段，鋼橋全生命周期各階段往往易形成信息孤島，導(dǎo)致項(xiàng)目各參與方之間協(xié)作效率低、項(xiàng)目進(jìn)度滯后、無法對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行有效的調(diào)整決策等問題。

為充分發(fā)揮公路鋼橋的優(yōu)勢(shì)，解決目前公路鋼橋建管養(yǎng)過程中存在的問題，學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)的研究。Shim等[5]提出了橋梁可擴(kuò)展信息模型，解決了橋梁在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、維護(hù)和拆除中的數(shù)據(jù)互通問題。王一川[6]開發(fā)了基于云平臺(tái)的裝配式橋梁項(xiàng)目管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝配式橋梁項(xiàng)目智慧建造和精益管理。王慶賀等[7]采用全過程建筑信息模型(BIM)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)，構(gòu)建了適用橋梁全生命周期的信息管理平臺(tái)。Ding等[8]針對(duì)傳統(tǒng)鋼橋建設(shè)項(xiàng)目中施工進(jìn)度、質(zhì)量和成本的不可控性和低效率問題，探討了基于BIM和IoT的智能鋼橋建設(shè)框架。岳乃華等[9]將二維碼與BIM進(jìn)行結(jié)合，解決了裝配式建筑構(gòu)件信息匹配不完整、定位慢等問題。Karim等[10]通過采用優(yōu)劣解距離法(TOPSIS)和層次分析法(AHP)開發(fā)了用于機(jī)器評(píng)估的決策系統(tǒng)。Omer等[11]基于Unity 3D開發(fā)了橋梁表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，提高了檢測(cè)準(zhǔn)確性。肖春紅等[12]對(duì)公路橋梁的各階段業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，并以各場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求制定了BIM模型的分類編碼和設(shè)計(jì)信息等指標(biāo)。Sun等[13]研究了大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)橋梁的狀態(tài)評(píng)估和損傷檢測(cè)。徐強(qiáng)等[14]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了智能化橋梁缺陷診斷模型和知識(shí)庫(kù)，開發(fā)了橋梁病害成因分析模塊，實(shí)現(xiàn)了橋梁病害的自動(dòng)診斷分析。上述研究表明，通過利用IoT、BIM等新興信息技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)處理效率和鋼橋建管養(yǎng)智能化水平。然而，目前仍缺乏有效手段將IoT和BIM融合應(yīng)用于鋼橋建管養(yǎng)等全生命周期。

本研究以中小跨徑公路鋼橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用BIM與IoT相融合的方法構(gòu)建鋼橋數(shù)字智能實(shí)體，實(shí)現(xiàn)鋼橋數(shù)字信息和現(xiàn)場(chǎng)反饋信息的融合，搭建基于BIM與IoT的裝配式鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中小跨徑公路鋼橋的快速、高質(zhì)量建造以及全生命周期透明化管理，為公路鋼橋工業(yè)化建設(shè)提供支撐。

1 基于BIM與IoT的智能鋼橋建管養(yǎng)主線

BIM與IoT技術(shù)為建筑行業(yè)中的信息壁壘問題提供了解決方案。依托BIM和IoT技術(shù)，建立橋梁全生命周期的可視化大數(shù)據(jù)，將有效提升橋梁建設(shè)過程中的管理水平及協(xié)作效率。下文將圍繞鋼橋設(shè)計(jì)-制造-建設(shè)-管養(yǎng)的全生命周期主線進(jìn)行探討，如圖1所示。

圖1 鋼橋智能建管養(yǎng)主線Fig.1 Guideline of intelligent construction，management and maintenance of steel bridges

(1)多主體參與的鋼橋協(xié)同設(shè)計(jì)：裝配式鋼橋項(xiàng)目具有業(yè)務(wù)鏈長(zhǎng)和參與方多的特點(diǎn)，因此對(duì)信息傳輸和數(shù)據(jù)處理方面有更高的要求。在設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化的智慧橋梁BIM與IoT融合平臺(tái)，為后續(xù)的制造、建設(shè)和管養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[15]。

(2)預(yù)制構(gòu)件協(xié)同制造與監(jiān)控：鋼橋預(yù)制構(gòu)件通常在多個(gè)鋼橋構(gòu)件工廠進(jìn)行分布式加工。為確保準(zhǔn)時(shí)交付，需要對(duì)各工廠的加工任務(wù)和進(jìn)度進(jìn)行規(guī)劃與跟蹤。根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的多屬性決策評(píng)價(jià)方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工廠進(jìn)行科學(xué)篩選，并制定多工廠協(xié)同生產(chǎn)方案。基于二維碼、BIM與IoT技術(shù)，可將構(gòu)件數(shù)字化為智能實(shí)體。各工廠之間可以通過智能實(shí)體實(shí)時(shí)交互預(yù)制構(gòu)件的加工任務(wù)和生產(chǎn)進(jìn)度等信息，從而監(jiān)控構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量并調(diào)整協(xié)同生產(chǎn)計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)跨工廠生產(chǎn)任務(wù)流程的優(yōu)化[17]。

(3)鋼橋裝配式施工可視化：鋼橋施工過程中，存在多種要素作業(yè)，需要合理安排工作順序和工作區(qū)域等因素。利用虛擬現(xiàn)實(shí)和BIM技術(shù)，可以對(duì)鋼橋裝配施工流程進(jìn)行仿真和優(yōu)化[18]?；阡摌虻腂IM模型，在施工前對(duì)施工流程進(jìn)行高置信度的可視化仿真，以便發(fā)現(xiàn)潛在的偏差和擾動(dòng)，并將優(yōu)化后的施工方案?jìng)鬟_(dá)給項(xiàng)目各參與方。在正式施工階段，基于輕量化的BIM模型可實(shí)現(xiàn)云端遠(yuǎn)程監(jiān)控[19]。

(4)鋼橋健康狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)：鋼橋運(yùn)營(yíng)過程中易受惡劣環(huán)境及多種負(fù)面因素影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能與整體狀態(tài)逐漸下降，因此健康監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)已成為鋼橋管養(yǎng)的關(guān)鍵[20]。利用BIM和IoT技術(shù)，結(jié)合數(shù)字化橋梁基礎(chǔ)信息和傳感器采集的海量數(shù)據(jù)，采用基于模糊層次馬爾科夫模型的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)方法，可精準(zhǔn)評(píng)估鋼橋狀態(tài)并給出管養(yǎng)建議，提高管養(yǎng)效率。

2 鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)輕量化運(yùn)行的目標(biāo)，鋼橋建管養(yǎng)系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)總體架構(gòu)包括：Web端瀏覽器、服務(wù)支撐層、應(yīng)用層、物理層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示。

(1)物理層：物理層為系統(tǒng)提供最基本的服務(wù)支持，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，采用阿里云服務(wù)器，操作系統(tǒng)為ECS Centos 7.x，將應(yīng)用框架部署在云端上，通過開放特定端口提供服務(wù)；通過Nginx作為代理服務(wù)器，主要掛載系統(tǒng)所需的靜態(tài)文件并為系統(tǒng)處理請(qǐng)求重定向等功能；使用MySQL作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

(2)數(shù)據(jù)層：使用MySQL作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的訪問和修改操作。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源包括BIM數(shù)據(jù)庫(kù)、構(gòu)件/節(jié)段數(shù)據(jù)庫(kù)、企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、權(quán)限數(shù)據(jù)庫(kù)和通過采集上傳的制造信息數(shù)據(jù)。

(3)服務(wù)支撐層：服務(wù)支撐層為系統(tǒng)提供底層的服務(wù)支撐，從系統(tǒng)運(yùn)維層面看：該層面基于角色權(quán)限認(rèn)證，確保無權(quán)限用戶不能修改服務(wù)器資源；對(duì)身份偽造進(jìn)行安全認(rèn)證與判斷，阻止對(duì)服務(wù)器的攻擊；對(duì)接口進(jìn)行管理，確保信息上傳正常。從數(shù)據(jù)交互層面看：該層面包括對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的ORM操作，即數(shù)據(jù)的主從同步機(jī)制、各數(shù)據(jù)庫(kù)之間聯(lián)通共享資源數(shù)據(jù)的機(jī)制以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?/p>

(4)應(yīng)用層：應(yīng)用層是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最頂層，為用戶直接提供界面和服務(wù)。系統(tǒng)管理員為用戶分配對(duì)應(yīng)的角色，用戶可通過支持瀏覽器的設(shè)備登陸系統(tǒng)，在當(dāng)前權(quán)限限定的功能界面內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程作業(yè)。

2.2 系統(tǒng)模塊劃分

鋼橋建管養(yǎng)系統(tǒng)共分為8個(gè)功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊劃分Fig.3 Classification of system function modules

(1)系統(tǒng)權(quán)限管理：按角色的資源劃分，保證鋼橋建設(shè)過程中高效的數(shù)字化協(xié)作、全過程的信息化和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)精益化管理。

(2)圖文檔管理：儲(chǔ)存項(xiàng)目中的圖文檔信息，解決文檔存儲(chǔ)分散、文檔無法協(xié)作共享以及文檔的權(quán)限控制界限不明確導(dǎo)致容易泄密的問題[21]。

(3)智能實(shí)體：將構(gòu)件/節(jié)段的身份碼與對(duì)應(yīng)的BIM進(jìn)行唯一綁定，建立以身份為識(shí)別的信息接口，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件與節(jié)段信息的精確溯源。

(4)裝配施工可視化：通過掃描智能實(shí)體的狀態(tài)來對(duì)鋼橋建設(shè)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，該模塊還包括虛擬建設(shè)仿真系統(tǒng)，能對(duì)建設(shè)方案進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

(5)協(xié)作企業(yè)管理：對(duì)各參與方進(jìn)行集中管理，同時(shí)為決策模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

(6)制造企業(yè)決策：基于多屬性決策評(píng)價(jià)方法計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件制造企業(yè)的優(yōu)劣指數(shù)和推薦適合企業(yè)加工的預(yù)制構(gòu)件類型。

(7)制造信息管理：收錄構(gòu)件/節(jié)段狀態(tài)信息，是創(chuàng)建智能實(shí)體的基礎(chǔ)。

(8)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)：基于模糊算法和馬爾科夫模型，用于評(píng)估橋梁當(dāng)前狀態(tài)等級(jí)并對(duì)未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多主體參與的鋼橋協(xié)同設(shè)計(jì)

基于模型-視圖-控制器(Model-View-Controller，MVC)架構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)搭建的基于BIM和IoT的鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)，為各參與方提供項(xiàng)目信息交流平臺(tái)，使相關(guān)人員可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)注設(shè)計(jì)成果，并進(jìn)行資料互提、資料審核、模型審核及成果審核等操作。基于如圖4所示的協(xié)同作業(yè)流程，采用RBAC模型和協(xié)同數(shù)據(jù)庫(kù)將用戶與部門、角色、專業(yè)等相互關(guān)聯(lián)。設(shè)置系統(tǒng)的功能模塊控制權(quán)限及用戶角色權(quán)限，確保在協(xié)同設(shè)計(jì)與作業(yè)模式中，有權(quán)限用戶對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、設(shè)計(jì)資料及模型等進(jìn)行訪問與共享，避免不同專業(yè)人員產(chǎn)生交叉訪問與協(xié)同不規(guī)范等問題，實(shí)現(xiàn)鋼橋建造多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)與作業(yè)。

3.2 面向預(yù)制構(gòu)件協(xié)同制造的智能實(shí)體構(gòu)建

鋼橋構(gòu)件智能實(shí)體的構(gòu)建流程如圖5所示，以鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，根據(jù)《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的編碼體系對(duì)鋼橋構(gòu)件/節(jié)段進(jìn)行編碼，并依據(jù)編碼生成二維碼，由相關(guān)人員在具體的步驟中采用恰當(dāng)?shù)臉?biāo)識(shí)技術(shù)將二維碼標(biāo)識(shí)到對(duì)應(yīng)需要制造的構(gòu)件/節(jié)段上，構(gòu)件/節(jié)段與二維碼形成一個(gè)智能實(shí)體。智能實(shí)體以二維碼為紐帶，基于IoT技術(shù)完成制造過程信息采集、制造任務(wù)下達(dá)等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程全要素信息集成。

圖5 鋼橋智能實(shí)體構(gòu)成Fig.5 Intelligent entities of steel bridges

3.3 基于輕量化BIM的鋼橋裝配式施工可視化

采用如圖6所示的BIM輕量化與施工可視化實(shí)現(xiàn)過程，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的構(gòu)件/節(jié)段信息，使用Revit對(duì)鋼橋進(jìn)行BIM建模并基于Revit API對(duì)模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，保證格式適用于WEB端展示。采用Draco對(duì)導(dǎo)出的glTF模型進(jìn)行幾何信息的壓縮，并與對(duì)應(yīng)的智能實(shí)體進(jìn)行綁定，組成“二維碼-模型-實(shí)體”關(guān)聯(lián)的信息體。采用WebGL技術(shù)中的Three.js框架將智能實(shí)體的三維模型在網(wǎng)頁中進(jìn)行可視化展示，并通過在前端定義的控件達(dá)到點(diǎn)擊具體構(gòu)件/節(jié)段獲取詳細(xì)信息的方式來細(xì)化監(jiān)控的粒度。同時(shí)，中央大屏顯示通過IoT獲取的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼橋裝配式施工過程可視化監(jiān)控。

圖6 裝配施工可視化功能的實(shí)現(xiàn)路線Fig.6 Route to realize visualization function of assembly construction

3.4 鋼橋健康狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)

鋼橋狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)種類繁多，對(duì)鋼橋所涉及的各種參數(shù)布置傳感器會(huì)導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)硬件繁雜和產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余等問題。在決定傳感器所需監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮到鋼橋工程設(shè)計(jì)的具體要求，國(guó)內(nèi)外鋼橋狀態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括鋼橋所受應(yīng)力應(yīng)變、撓度和溫度等參數(shù)。本研究基于溫度、撓度、應(yīng)力和銹蝕4種類型的傳感器設(shè)計(jì)了一種基于模糊層次馬爾科夫模型的鋼橋技術(shù)狀態(tài)等級(jí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)方法，其設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 鋼橋健康狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)流程Fig.7 Design process of intelligent monitoring of steel bridge health status

首先，基于層次分析法建立傳感器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建該層次模型中各個(gè)因素的判斷矩陣，由此確定該層次模型的因素權(quán)向量；進(jìn)一步通過傳感器對(duì)影響鋼橋狀態(tài)的各因素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定當(dāng)前時(shí)間段的數(shù)據(jù)對(duì)鋼橋狀態(tài)的影響程度，進(jìn)而建立模糊關(guān)系矩陣，并利用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算當(dāng)前時(shí)間段鋼橋所處的技術(shù)狀態(tài)等級(jí)；最后，基于歷史大數(shù)據(jù)建立馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，在模糊綜合評(píng)價(jià)法所確定的鋼橋當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)等級(jí)基礎(chǔ)上，對(duì)鋼橋未來的運(yùn)行狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 案例驗(yàn)證

以某裝配式鋼橋項(xiàng)目作為實(shí)施案例，結(jié)合鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)橋梁施工概況進(jìn)行分析，驗(yàn)證本系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。

4.1 多主體參與的鋼橋協(xié)同設(shè)計(jì)

多主體參與的鋼橋協(xié)同設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方面，主要包括：

(1)圖紙方案上傳：大型工程的設(shè)計(jì)圖紙，施工圖紙，制造圖紙都是其建設(shè)過程中的核心支撐和憑據(jù)，鋼橋的設(shè)計(jì)、制造和施工等階段都將依靠圖紙完成，在協(xié)同建造的模式下，各方于系統(tǒng)中開展協(xié)同作業(yè)，具有唯一性的圖紙就成為了鏈接各方的紐帶。例如設(shè)計(jì)單位在完成上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后將設(shè)計(jì)圖圖紙上傳至系統(tǒng)中，制造企業(yè)通過數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)計(jì)圖紙初步制定各工藝流程，并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)供其他單位評(píng)審。

(2)圖紙方案送審：考慮到設(shè)計(jì)過程的理想化條件在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可能無法實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)圖紙?zhí)岢鲆欢ǚ秶母膭?dòng)，在協(xié)同設(shè)計(jì)模式下，制造和施工企業(yè)單位成員通過對(duì)存疑的圖紙開據(jù)評(píng)審單報(bào)表推送至協(xié)同辦公區(qū)，接收到推送的設(shè)計(jì)單位成員將對(duì)評(píng)審單提出的意見進(jìn)行答復(fù)并送還給原企業(yè)，其他具有權(quán)限的角色也可以發(fā)表意見或提出修改，最終得到一套多方認(rèn)可的方案。例如制造單位可以主動(dòng)向設(shè)計(jì)單位發(fā)出評(píng)審清單，針對(duì)設(shè)計(jì)圖紙中與實(shí)際制造條件不符的部分提出審議要求，以確保最終方案的可靠性。

4.2 預(yù)制構(gòu)件工廠決策與協(xié)同制造

首先根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況從協(xié)作企業(yè)管理模塊中選出符合要求的工廠名單，經(jīng)過專家評(píng)分、權(quán)重劃分以及條件篩選，得到企業(yè)的綜合接近度指數(shù)及推薦加工的預(yù)制構(gòu)件類型。篩選條件為準(zhǔn)時(shí)交貨率>70%，合格率>90%的結(jié)果如表1所示。

表1 制造工廠決策結(jié)果Tab.1 Decision result of manufacturing plants

在對(duì)各制造工廠的訂單任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)分配和確定之后，相關(guān)的節(jié)段加工信息將被平臺(tái)收錄。這一過程有助于實(shí)現(xiàn)信息的集中管理與實(shí)時(shí)更新，便于各方參與者查閱和跟蹤加工進(jìn)度，從而提高生產(chǎn)效率和協(xié)作水平。

4.3 裝配施工可視化

4.3.1 施工吊車仿真及節(jié)段吊裝

為還原真實(shí)吊裝施工，需要在虛擬環(huán)境中模擬車輛的移動(dòng)、固定與吊裝施工操作。主要測(cè)試功能為吊車的行進(jìn)、支腿支撐、吊臂的工作運(yùn)行、鋼節(jié)段的吊裝測(cè)試。用戶在虛擬環(huán)境中通過操作鍵盤控制吊車進(jìn)行鋼節(jié)段吊裝工作。經(jīng)測(cè)試，施工吊車仿真滿足真實(shí)要求，施工吊車行進(jìn)功能正常，鋼節(jié)段吊裝固定點(diǎn)處碰撞體設(shè)置合理，吊車艙身可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，支腿和吊臂伸縮功能正常。

4.3.2 裝配施工數(shù)據(jù)獲取

為更好在虛擬環(huán)境中指導(dǎo)施工操作，系統(tǒng)將施工過程中獲取的信息(如構(gòu)件信息、位置信息、施工進(jìn)度信息和施工吊車承載能力信息等)實(shí)時(shí)顯示在交互界面。用戶操作施工吊車吊裝鋼節(jié)段時(shí)，控制臺(tái)輸出系統(tǒng)檢測(cè)到的被吊裝節(jié)段信息，并把鋼節(jié)段位置、質(zhì)量、編號(hào)、施工進(jìn)度等信息傳遞給交互界面。除了主攝像機(jī)，系統(tǒng)還設(shè)置了多個(gè)副攝像機(jī)全方位監(jiān)控橋墩與鋼節(jié)段施工連接處，防止誤操作造成的重大事故。

4.3.3 施工過程與進(jìn)度可視化

現(xiàn)場(chǎng)施工人員根據(jù)施工情況掃描二維碼，更新鋼橋節(jié)段/構(gòu)件的狀態(tài)。系統(tǒng)通過讀取該智能實(shí)體的狀態(tài)并計(jì)算已施工實(shí)體所占全部實(shí)體的比例得到制造進(jìn)度，如圖8所示。監(jiān)控大屏顯示鋼橋建設(shè)過程信息采用輕量化BIM模型和智能實(shí)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過在網(wǎng)頁上渲染智能實(shí)體的模型即可展示鋼橋建設(shè)過程，由于在前端定義了一些控件，可以點(diǎn)擊具體構(gòu)件/節(jié)段獲取詳細(xì)信息的方式來細(xì)化監(jiān)控的粒度。

圖8 橋梁節(jié)段建設(shè)進(jìn)度監(jiān)控Fig.8 Bridge section construction progress monitoring

4.4 鋼橋健康狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)與壽命預(yù)測(cè)

項(xiàng)目布置了溫度、撓度、應(yīng)力和銹蝕4種類型的傳感器各5個(gè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖9所示。在系統(tǒng)的鋼橋狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)界面選取傳感器類型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)將顯示采集數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)超過限定值則會(huì)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行智能記錄。

圖9 傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.9 Sensor monitoring locations

橋梁健康狀態(tài)等級(jí)查詢及預(yù)測(cè)功能包括當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)評(píng)估和橋梁未來技術(shù)狀態(tài)等級(jí)預(yù)測(cè)，并且不同的技術(shù)狀態(tài)等級(jí)都有相應(yīng)的狀態(tài)描述。當(dāng)前的技術(shù)等級(jí)是根據(jù)服役年限和傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得出，輸入預(yù)測(cè)的年限，系統(tǒng)將預(yù)測(cè)未來的狀態(tài)等級(jí)，并給出相應(yīng)的狀態(tài)描述。通過預(yù)測(cè)橋梁未來一段時(shí)間的健康狀態(tài)等級(jí)并結(jié)合預(yù)警數(shù)據(jù)工作日志，可以提前發(fā)現(xiàn)橋梁潛在的風(fēng)險(xiǎn)，從而為制定處理預(yù)案提供了寶貴的時(shí)間，同時(shí)也提高了橋梁管養(yǎng)和維護(hù)效率。

5 結(jié)論

本研究以中小跨徑公路鋼橋?yàn)檠芯繉?duì)象，從提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)全生命周期智能化與數(shù)字化方面進(jìn)行研究，主要研究成果如下：

(1)提出基于BIM與IoT技術(shù)的裝配式鋼橋數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)框架，并開發(fā)相應(yīng)的鋼橋智能建管養(yǎng)系統(tǒng)，以將鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)階段中人工反饋數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)和IoT采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。系統(tǒng)通過角色管理模塊解決項(xiàng)目各參與方協(xié)同工作中產(chǎn)生的問題，有效消除了不同行業(yè)及部門間的信息壁壘，提高了信息同步與方案決策效率。

(2)提出鋼橋設(shè)計(jì)制造協(xié)同的信息模型，構(gòu)建“信息模型-BIM編碼-二維碼”唯一綁定的鋼結(jié)構(gòu)橋梁智能實(shí)體模型。以智能實(shí)體為紐帶，為鋼橋跨領(lǐng)域的協(xié)同作業(yè)提供一種新的模式和手段，并加入了施工裝配可視化模塊，通過虛擬裝配環(huán)境對(duì)橋梁實(shí)際施工過程中可能遇到的問題進(jìn)行模擬，提高橋梁裝配質(zhì)量。同時(shí)也考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁的全生命周期管理的需求，通過擴(kuò)展智能實(shí)體的信息以適應(yīng)未來的業(yè)務(wù)需求。

(3)提出基于模糊層次馬爾科夫模型的鋼橋技術(shù)狀態(tài)等級(jí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)方法，并搭建相應(yīng)的系統(tǒng)模塊。依據(jù)IoT獲取的橋梁歷史數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁運(yùn)營(yíng)過程中的健康狀態(tài)以及未來可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行評(píng)估，幫助橋梁方提早建立應(yīng)對(duì)方案，保證橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

最后將該系統(tǒng)應(yīng)用在某裝配式鋼橋項(xiàng)目推進(jìn)過程中，有效提升了建造和管理水平，證明了系統(tǒng)在鋼橋施工過程中適用性好，能滿足鋼橋裝配化建造和管養(yǎng)的智能化要求，可為同類型橋梁智能建管養(yǎng)框架的搭建與系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)提供參考。