基于BIM的健康监测系统设计与应用

郝　建　杜中和

(中铁西南科学研究院有限公司,四川 成都　611730)

1　BIM技术

1.1　BIM的特点

1)可视化。

将未建成的结构通过建模软件三维模拟，突破了以往平面软件的点、线、面等几何元素常规化绘图方式，提供了一套可视化的思路，增加了结构各构件之间的互动性和反馈性，让工程项目的各个阶段都能在可视化的状态下进行。

2)信息的完备性。

BIM模型可设定全生命周期的信息化服务方案，如设计阶段的结构构造、材料、使用功能等，施工阶段的工艺、进度、成本、质量以及人力、机械、材料资源等，运营阶段的结构安全性和结构耐久性等。

3)模型信息的优化性。

建筑项目在施工、设计、运营管理等整个阶段的信息，都能通过BIM手段进行优化。随着现代建筑工程项目的复杂程度不断提高，BIM模型可以提供建筑物的全方位信息并对这些信息进行综合分析提供最科学合理的优化方案。

4)工作协同性。

BIM技术是提高工程管理效率及工程质量的重要保障工具和手段。在设计阶段，BIM模型可对结构施工前期进行碰撞检测，找出问题并加以解决；在施工和运营阶段，BIM技术可为设计方、施工方、监理方、业主等提供详尽资料和解决方案，便于各参建方信息的交互和交流，促进工作的协同进行。

1.2　BIM软件介绍

BIM的实现要基于三维数字化技术，利用BIM相关软件来创建整个建筑物的所有信息。BIM软件是以信息化技术为基础，用三维立体模型方式来体现结构构件信息的定义、利用与管理，并实现信息传递作用。因为BIM技术的应用包含整个建筑生命周期，从而在整个BIM分析过程中可渉及到多种类型的软件。要发挥BIM的价值，需要结合各种软件的特点和优势，采用适合功能需要的软件类型。按照BIM的功能可将BIM软件分为3D模型创建软件和模型整合、分析软件等，具体种类如表1所示。

2　基于BIM的桥梁健康监测系统的设计

2.1　依托工程介绍

依托项目为成都市某桥，为弧形独搭单索面斜拉桥，桥长215 m，桥宽31 m，跨径布置为130 m+57 m+28 m。主桥桥塔侧面为“人”字形独塔体系，分为主塔和副塔两部分，采用预应力混凝土结构，桥面以上塔高72.7 m，桥塔总高度为89.5 m，索塔基础采用群桩基础。主梁为钢箱梁+预应力混凝土箱形梁，主跨为钢箱梁，按正交异性板设计，为单箱5室结构，边跨为预应力混凝土箱形梁，混凝土梁体采用三向预应力，为单箱4室结构，两者之间设2 m的钢—混凝土结合段。

表1　BIM软件分类

2.2　系统总体框架设计

在综合国内外桥梁管理系统先进理念、成功经验及发展趋势的基础上，依托国家电子政务总体框架，充分借鉴云计算、物联网、大数据、建筑信息模型(BIM)等先进技术，按照系统的六个层次结构：采集层、系统层、数据层、支撑层、业务层、展示层进行设计，系统建立在完善的标准规范体系和信息安全体系基础上。系统逻辑上的分层设计可以大大加快开发效率，提高系统的可靠性、安全性和可扩展性，同时也便于日后的维护和升级，系统总体架构图见图1。

3　各子系统设计

3.1　数据自动化采集与远程传输子系统

通过采集设备或调理器将传感器端传过来的模拟量信号进行模拟—数字转换(A/D)，将采集到的电信号转换成计算机可识别的数字信号并通过有线或无线网络远程输送到监测中心。

按照信号输入方式和监测的物理量不同，目前国内外传感设备输出信号主要有模拟信号、数字信号和光信号三种，各厂家也提供与其传感设备配套的采集与传输软件，配套软件能实现基础的数据采集与传输功能，见表2。

表2　数据采集与传输软件功能设计

3.2　数据管理与储存子系统

桥梁健康监测将产生海量监测数据。因此，需基于数据中心计算机设备和相应的数据管理和数据库软件，搭建中央数据库，有效管理和储存桥梁群运行期海量监测数据。数据管理应保证数据的共享性、数据结构的整体性、有效性、安全性及后期查询快捷性。

数据管理是通过建立系统数据库来实现的。系统数据库建立在数据库服务器上，由数据库服务器来运行和管理整个系统数据库，其具体功能设计如表3所示。

表3　数据管理与存储功能设计

3.3　桥梁健康监测BIM可视化设计

根据系统功能要求，桥梁健康监测BIM可视化设计划为三大功能模块，分别是：结构状态监测模块、监测数据查询模块、系统管理模块。

各模块的功能描述及对应功能点如下所示：

1)结构状态监测模块。

结构状态监测模块的主要应用功能如表4所示。

2)监测数据查询模块。

监测数据查询模块的主要应用功能如表5所示。

3)系统管理模块。

系统管理模块的主要应用功能如表6所示。

表4　结构状态监测模块功能描述

表5　监测数据查询模块功能描述

表6　系统管理模块功能描述

4　结语

BIM技术以其信息化、可视化和集成化等优势，近年来在土木工程设计、施工、运营维护等全生命周期内得到越来越广泛的应用，但在桥梁工程特别是桥梁监测中的应用还有很大的空白。为了更好的推广BIM技术在桥梁工程中的应用，促进桥梁工程的信息化运营管理以及桥梁监测的可视化管理，急需研究如何借助BIM技术平台的可视化和信息化优势来完善BIM技术在桥梁工程中的应用与发展，促进桥梁监测工作的可视化进程。针对实际工程探讨了BIM技术在桥梁监测可视化应用中的可能性，提出了一种利用BIM技术实现桥梁监测数据可视化和信息反馈的方式。