基于BIM的桥梁健康监测系统研究

耿方方，尹方舟，丁幼亮，孙 震，徐 照

（1 南京工程学院，江苏 南京 211167；2 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 210096；3 苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112）

近年来，我国的桥梁建设突飞猛进，但是桥梁的服役状况却不容乐观，在复杂环境荷载持续作用下的性能劣化速度远远超过设计预期，如何保障桥梁结构的安全运营已成为政府、业主和公众所关心的重要问题。结构健康监测系统通过实时监测外部作用和结构响应来评估桥梁的安全性能，是国际公认的保障桥梁安全运营的重要技术手段，已在国内外众多桥梁中得到应用［1-2］。然而，桥梁健康监测系统的各类传感器每天采集海量的监测数据，如何科学有效地管理和使用这些监测数据，避免这些监测数据成为“摆设”是桥梁健康监测系统面临的突出问题。

BIM 技术在建筑业应用的日趋成熟，为桥梁健康监测系统及其监测数据管理开拓了新思路。建筑信息模型（或建筑信息建模）技术（BIM，Building Information Modeling）旨在建设项目的全寿命周期内对其各类物理和功能特性进行数字化信息化表达。BIM技术及其应用属于新兴且具有极大开发空间的学术领域，自Chuck Eastman于20世纪70年代提出以来，以其可视化性能强、可协调性高、出图便捷等特点，在工程领域获得了众多关注［3-7］。目前，BIM技术在房屋建筑领域应用广泛，在桥梁等基础设施方面的应用研究也在逐步推进。在设计生产阶段运用BIM技术有以下优点：多专业协同设计优化、复杂节点设计、管线碰撞检查、设计复核更加准确（包含有限元力学分析）、绿色建筑模拟，预制构件在工厂加工更加精确等。在施工阶段，BIM技术在施工过程模拟及施工进度控制、三维模型转二维图纸、相关资料管理以及质量安全管理等方面也应用广泛。然而，BIM技术在运营养护阶段除资产管理应用之外，针对土木结构安全性、适用性和耐久性的应用相对较少［8］。

本文在充分调研传统桥梁健康监测系统存在的问题基础上，结合BIM可视化技术及其BIM模型应用，开发了新型“BIM+健康监测”模式下的桥梁健康监测系统，建立了海量监测数据的自诊断、可视化、实时预警和安全评估的综合管理平台，实现了桥梁安全运营的多用户协同管理以及监测与养护一体化运维管理，为BIM 技术在桥梁健康监测中的应用提供新思路和方法。

1 传统桥梁健康监测系统存在的问题

结构健康监测系统最早源自于航天航空领域，20世纪80年代逐渐引入土木工程行业，在桥梁领域发展迅速。桥梁健康监测系统发展可以划分为3个阶段。早期桥梁健康监测系统属于单项健康监测系统，传感器种类有限，采集设备安全度不高，监测时间有间隔，不连续。经过多年发展，桥梁第二代健康监测系统的传感器种类大大丰富，采集系统较为完善，实现数据的连续采集，并且有数据库管理软件对数据进行管理。目前发展到桥梁第三代健康监测系统，在第二代监测系统的基础上，强调对监测数据的处理，并利用监测数据进行结构健康状态的在线评估、在线预警，并为深入地离线评估提供支持。

尽管桥梁健康监测系统已在国内外众多桥梁中得到应用，然而，通过调研发现，国内外桥梁健康监测系统大多数只进行监测数据的采集与保存，在以下几方面仍有诸多问题：

（1）监测数据的自诊断与在线处理。桥梁健康监测系统获取的数据具有海量性、多维性、复杂性和随机性的特点，各种无效和干扰信息都有可能导致监测数据的失真。桥梁监测系统中的数据失真大多是由信息获取环节的传感设备造成的，为此，需要建立研究监测数据的自诊断与在线处理方法，满足后续桥梁安全评估对监测数据的质量要求。

（2）健康监测数据的可视化。桥梁健康监测是一项专业性较强的工作，海量监测数据具备4V特征：Volume（大 量）、Velocity（高 速）、Variety（多 样）、Value（价值），是一种特殊的“大数据”。对于桥梁管养单位、政府管理部门等非专业人士，传统监测数据分析结果存在枯燥、专业图表多、不直观等缺点，如何准确理解这些海量监测数据存在一定的困难。为此，需要建立探讨桥梁监测数据尤其是数据分析结果的可视化方法，满足桥梁健康监测多用户的使用要求。

（3）桥梁安全预警的实时性。桥梁在长期运营过程中，因受各种因素的影响会逐渐出现病害，其结构性能不断劣化，进而严重威胁着桥梁的运营安全。为满足桥梁长期安全服役的需求，需要对桥梁结构关键构件或者整体结构开展失效分析与预测，在此基础上对桥梁可能的失效模式进行安全预警、控制和处理，实现桥梁服役失效可防、可减、可控［9］。

（4）突发事件下的安全评估。桥梁运营过程中不可避免发生车/船撞击、台风和地震作用或其他严重突发事件，需要及时准确地对桥梁的服役状态进行评估并提供安全应急管理措施，保障桥梁运营畅通及通行人员的安全。为此，需要建立突发事件下桥梁安全运营管理平台，通过动画、声音、电子邮件、短消息等多种形式实现桥梁安全预警的可视化综合分析及动态管理［10］。

2 “BIM+健康监测”模式下桥梁健康监测系统的整体架构

在提倡“互联网+”的今天，产业信息化是大势所趋，大力推广、深化BIM技术有助于结构产业的转型与升级。在桥梁结构健康监测层面上深度应用并积极拓展，形成“BIM+健康监测”的概念，以BIM技术、BIM数据模型、空间定位与互联网技术等相结合，为健康监测的数据采集、数据共享、数据分析、状态评估等服务功能提供全面、完整的信息化解决方案。同时实现对监测系统实施单位、大桥管养单位、政府管理部门、第三方专家评估等开放权限，做到多用户集成平台。根据上述分析，结合BIM技术，构建了面向桥梁工程健康监测的BIM协同平台，通过监测数据源为跨专业、跨部门和跨主体的协同管理提供及时、准确、可追溯、统一的健康监测与养护服务，如图1所示。

“BIM+健康监测”模式下桥梁健康监测系统是由健康监测模块、扩展计算模块和BIM模块通过数据库相连而成。健康监测模块采集并分析数据，得到监测项目如应力、位移等数据结果，并存入健康监测数据库。扩展计算模块根据监测项目不同采用不同算法将单个传感器计算结果扩展至全桥，按构件类别存入扩展数据库。BIM数据库与前两个数据库相联通，主要从中间数据库调取结果并存储，通过BIM模型进行展示。主要功能分为四大模块：传感器自诊断和维护模块、健康监测数据BIM可视化模块、日常运营下统计分析与预警模块和极端事件下联动分析与评估模块。“BIM+健康监测”模式下桥梁健康监测系统的整体架构如图2所示。

图1 多用户集成平台

图2 系统架构图

3 “BIM+健康监测”模式下桥梁健康监测系统的主要功能

3.1 监测数据自诊断和在线处理

桥梁健康监测系统中的数据失真大多是由信息获取环节的传感设备造成的。美国“智能维护系统中心”研究表明，一般系统40%以上的故障警报是由于传感器系统自身的故障而产生的误警。此外，仪器设备的使用与桥梁的服役年限之间存在着巨大的差距，一旦传感设备出现故障或失效，将无法提供客观、准确的信息，从而对桥梁安全预警与评估产生不利影响。

为此，利用BIM技术首先建立了传感器维护模块，如图3和图4所示。在BIM模型中建立传感器模型，可以迅速定位传感器，直观地展现其位置，统计传感器类别及数量。对于传感器所在位置，可以将模型进行多方向剖切，查看平面位置。在查看界面，可以进行传感器工作状态区分，以不同颜色标识。对于损坏的传感器进行维修并保存其维修记录供以后管理养护参考。

图3 BIM模型中传感器显示界面

图4 传感器工作状态

针对监测数据存在的数据遗漏、数据缺失、数据趋势突变、数据漂移、数据奇点、长周期干扰和噪声干扰等失真原因，建立了监测数据自诊断和预处理系列方法，并结合BIM数据库编制了监测数据预处理程序。该程序的主要功能是智能识别异常健康监测数据，并在保证数据完整性和真实性的基础上修正异常值，如图5所示。程序算法特点是应用大量智能以及机器学习算法对数据进行多维、多角度异常识别以及监测数据自我诊断和修正，算法涉及到支持向量机、神经网络、遗传算法、小波分析等。

图5 健康监测数据预处理效果对比

3.2 健康监测数据的BIM可视化

传统健康监测系统针对监测数据的实时显示存在枯燥、难以理解等缺点，利用BIM技术良好的可视性，建立了温度、挠度、振动、加速度等健康监测数据的可视化模块。由于传统桥梁健康监测只能布设数量有限的传感器，所采集得到数据难以体现全桥的工作状态。为此，研发了基于健康监测数据的全桥结构响应可视化技术，利用有限采集点的数据进行分析拟合，得到全桥不同位置相应类型的数据预估，预测的全桥数据存储在扩展数据库，BIM数据库从扩展数据库读取信息，以构件的形式进行存储并与BIM关联进行相关展示。

目前桥梁普遍存在运营车辆多、超载运行的现象，为此，研发了一种车辆荷载效应识别技术，即根据车辆荷载经过时所采集健康监测数据进行车辆类别判断。先将各类车型通过桥梁结构时的结构静动力响应存储，然后通过大数据分析技术对储存的响应进行组合运算以匹配车辆经过时传感器所采集到的数据，得到全桥所有构件的车辆荷载效应。根据分析结果，在BIM模型中进行可视化展示，如图6所示。

图6 车辆荷载效应的BIM可视化

3.3 日常运营下统计分析与实时预警

桥梁结构安全预警的一般过程根据采用多元神经网络模型建立了风、温度和车辆荷载与桥梁频率、应变和变形等的多元映射数学模型。针对不同环境荷载与结构响应的强相关性和弱相关性特征，采用贝叶斯正则化技术对耦合环境荷载场的权重进行优化。在此基础上，采用统计均值控制图法建立了日常运营条件下“环境条件归一化”的桥梁实时安全预警方法。

在该方法基础上结合BIM技术，对全桥各构件进行性能追踪与实时安全预警。基于BIM碰撞检查功能，提出了一种新的安全预警——BIM碰撞检查关联技术。以桥梁竖向变形为例，根据设计预期变形的极限状态建立全桥变形后模型，通过全桥插值技术得到的桥梁运营期桥梁实时线形模型，对二者实施碰撞检查功能，对于有碰撞的部位进行报警，如图7所示。该方法可解决两个问题：一是克服了传统健康监测系统较难判断无传感器位置难题状态；二是可快速定位全桥范围内超过安全额度的部位并直观地展示。

图7 基于BIM碰撞检查的实时预警流程图

3.4 极端事件下联动分析与安全评估

船撞、火灾等突发事件状况下，桥梁性能分析与安全运营管理是桥梁管养单位的重点关注问题。充分挖掘BIM技术独具的模拟、可视化等功能优势，将其应用于突发事件状况下的桥梁安全运营管理中。首先，利用BIM的4D技术实现船撞、地震等突发事件下的桥梁安全评估，将突发事件发生后的桥梁各类传感器监测数据与日常状况下的监测数据进行比较分析，判断桥梁当前工作状况。其次，利用BIM的疏散模拟技术实现突发交通事故下的交通安全管制方案的可视化，对桥梁上车辆、行人进行疏散模拟，实现安全运营。

4 结论

针对传统桥梁健康监测系统存在的瓶颈问题，本文基于BIM技术和海量数据可视化集成管理理念，提出了新型“BIM+健康监测”模式下桥梁健康监测系统架构，研发了传感器自诊断和维护模块、健康监测数据BIM可视化模块、日常运营下统计分析与预警模块和极端事件下联动分析与评估模块，建立了桥梁健康监测系统实施单位、桥梁管养单位、政府管理部门、第三方专家的多用户协同管理以及监测与养护一体化运维管理平台，为BIM技术在桥梁健康监测中的深入应用提供新思路和技术。

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