BIM技術在橋梁運營階段的應用研究

杜德潤，喬素新

(中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

0 前 言

隨著時代發展，橋梁結構形式越來越復雜多樣，隨之對安全質量的要求也越來越高。因此，及時發現橋梁病害進行養護管理引起越來越多的關注，橋梁工程要實現全生命周期的監測目標是一個很大的挑戰。近年來，隨著科技的進步，橋梁監測朝著智能化方向發展，將BIM技術應用到橋梁健康監測系統中是一個新的發展趨勢。BIM技術具有可視化性、周期性和協同性，支持項目全生命周期監測管理。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，BIM技術的應用涉及項目周期的各個環節，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，實現在BIM模型中操作項目信息，提高工作效率和質量目標。

BIM的概念最早出現在20世紀70年代，此后隨著計算機水平的提高BIM開始快速發展，在美、英、日、韓等發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，雖然在建筑業實現各階段均應用BIM技術還任重道遠，但BIM的推廣將會越來越順利。

1.2 監測技術介紹

結構健康監測起源于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在內的交叉性學科。隨著社會的發展，人們對突發安全事故日益重視，結構健康監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、高層建筑監測等。橋梁結構監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，傳感器會將監測和收集的數據實時傳輸給計算機，并形成數據庫，結合數據庫的信息，計算機會用相關的算法處理釆集到的數據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，以避免事故發生的可能性，是一種能夠評定結構狀態并確保結構運行安全的監測系統[1-2]，典型的健康監測系統主要包括4個子系統，如圖1所示。

圖1 健康監測系統構成

隨著科學技術發展，結構日益向大型化、復雜化方向發展，結構監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，健康監測技術的實際應用還未達到監測系統的目標，如監測系統的合理設計、數據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 橋梁健康監測系統的研究現狀及不足

2.1 對中、小跨徑橋梁健康監測相關的研究相對較少

隨著橋梁建設的迅猛發展，橋梁健康監測系統的地位凸顯，當前橋梁健康監測研究已取得豐碩的理論成果，但占據橋梁很大比例的中、小跨徑橋梁往往被忽視。目前橋梁監測系統都是通過量身訂制實現一橋一系統管理，昂貴的監測成本造成了在數量眾多的中、小橋中無法普及。目前中、小跨徑橋梁養護管理尚屬薄弱環節，但是事實上橋梁事故往往都發生在中、小跨徑橋梁，需要對中、小跨徑橋梁的狀況提高重視[3]。

2.2 缺乏有效的數據管理與分析

橋梁健康監測的目的是通過實時監測橋梁結構并對獲取的數據進行分析來診斷橋梁結構，其中監測信息管理是監測階段的核心環節。如果沒有一個可靠的后臺系統，監測產生的海量信息很難有保障。健康監測不僅僅是監測數據采集，更核心的技術是監測數據的分析，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測技術的不斷發展，進一步可以為橋梁維修、養護與管理提供指導。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測數據分析方面的研究還不太完善[4]。

2.3 自動化、智能化水平低

橋梁監測管理的工作模式、管理方式相對滯后，比如結構監測手段機械化、記錄病害平面化、資料管理靜態化，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測系統，橋梁管養工作的質量和效率難以提高，橋梁管養水平要想進一步發展必須提高自動化、智能化水平，依靠高專業度的健康監測系統作為支撐。

2.4 評估標準不完善

傳統監測系統的監測對象一般是單個橋梁構件，每次監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，監測系統缺乏整體性?，F在橋梁監測系統大多都是針對某座橋梁開發的，沒有形成統一的標準，缺乏通用性。目前沒有可以作為參考的標準，國內還未分類建立行業范圍內統一的系統平臺，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的橋梁健康監測系統充分利用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，充分展現橋梁以及周邊的環境情況。通過基于BIM技術開發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、形象的節點構造圖如圖2所示。

圖2 節點構造三維詳圖

全景觀察尤其適用于管理隱蔽工程，在橋梁監測中會布置一些監測設備可能在某個不被注意的位置，特別是隨著橋梁監測年限的增加，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?；贐IM平臺的橋梁運營管理系統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技術的橋梁監測系統的構建可以規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分病害發生程度。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，為后續工作提供參考。

3.3 項目協同管理

項目管理一直是工程中的難題，管理落后、人員素質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；項目各方缺乏協同性使得信息傳達溝通不足，這些問題直接影響工程質量和經濟效益。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據實現資源共享，所有參與方都可以協同工作。

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、空間利用虛擬現實技術進行管理，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，實施資源規劃、資金風險管理、節能降耗和提高效率等使項目協同管理更上一層樓。

4 BIM技術在橋梁運維管理中的優勢

BIM技術的優勢在于不同于傳統的工作模式和管理方式，它改變了傳統的粗放式管理弊端，向先進集約式管理方式轉變，在進度控制、可視化仿真和監控等方面進行了創新。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發展。

BIM技術可以聯結建筑的規劃、建造和運維管理各個階段，在運維階段，橋梁監測系統在BIM平臺中以橋梁三維模型為基礎實現可視化效果，以信息管理為技術核心實現橋梁信息的三維可視化管理。BIM的加入改善了傳統的項目信息管理方式，增加了各專業和各階段相互工作的協同性，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地呈現；其次，運營階段需要對大量的數據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，基于BIM的監測系統運行可以實現有效、規范的管理，有效地提高橋梁的管養水平。將BIM技術應用于橋梁監測不僅可以提高橋梁監測效率，而且可以實現對橋梁結構的精確識別以及及時反饋橋梁監控數據的異常情況，對減少災害損失，保護人身財產安全，在發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揮更大的作用，將會繼續給建筑行業帶來新的生命。

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