BIM在桥梁健康监测中的应用研究

陈 虹 颖

(上海理工大学，上海 200093)

1 工程简介

某大桥总长8 346 m，其中主桥长846 m，引桥长7 500 m，总宽度为30.35 m。主塔高154 m，为“H”形钢筋混凝土结构，大桥主梁为钢—混凝土叠合梁结构。

为增强结构健康监测信息与三维模型的交互，本文基于BIM建立监测信息数据库，并对其进行管理，根据监测信息界面开发实现大桥结构健康监测的可视化，主要监测项：1)桥梁动力特性监测；2)斜拉索索力监测；3)基础沉降监测；4)钢梁监测；5)混凝土桥面板监测；6)塔、墩混凝土监测。本文主要由三部分组成：基于Revit建立监测信息数据库、进行监测信息数据库的管理、大桥的BIM集成[1]。

“桥梁健康监测预警系统”是对桥梁进行监测，实现桥梁环境和结构状态监测、危险状况预警、提出应对措施来保障桥梁安全和提高服役年限的系统。具体而言，该系统的总体目标是：大桥的结构健康监测系统，其成果必须直接服务于大桥结构健康与安全监控系统设计，为大桥建成后的运营维护管理服务，确保大桥安全运营。同时，可以为同类型大桥结构的健康与安全监控预警系统研究积累经验。

2 大桥模型的建立

针对斜拉桥先建立项目样板，运用IFC(Industry Foundation Classes建筑业国际工业标准)作为标准进行数据交换，解决不同系统应用中不同标准下模型信息的共享和修改。IFC标准是计算机可处理的建筑数据表示和交换标准，用于建筑物整个生命周期内的信息表达与交换的国际标准，Revit可以基于IFC进行数据交换和共享。打开Revit，在插入面板中选择导入该IFC文件，成功打开后，另存为RVT格式的文件，三维模型如图1所示。

3 大桥无线传感器的布置

大桥的主要构件为主梁、索塔和斜拉索，考虑到结构安全性和易损性，本着技术安全可靠、性能耐久稳定、实用成本优化的原则对传感器进行选型。测点位置的选择主要理论来源有：1)结构仿真的模型修正方法；2)遗传算法的测点优化布置；3)神经网络方法的数值模拟[2]。监测系统传感器和其数量如表1，表2所示。

表1 环境荷载监测项

监测内容类别监测参模型数传感器种类数量风速桥面风速超声风速仪1塔顶风速螺旋桨式风速仪1温度空气温度、混凝土表面温度、钢结构表面温度光纤光栅温度传感器24车辆车辆总重、轴重、轴数、车速光纤传感器称重系统1

表2 结构响应监测项

3.1 主梁的监测

大桥的主梁为钢箱梁，主要监测项包括内力分布、断面应变、横向位移，还应考虑交通荷载和环境影响等作用。对主梁振动进行监测可以了解结构的动力特性参数。采用加速度传感器进行监测主梁的横向与纵向振动[3]。

主梁局部结构和连接处的应力应变也会随外界荷载作用变化，通过对主梁内力的监测可以评估结构的损伤识别、疲劳寿命。采用光纤应变传感器和振弦式应变仪进行监测。

3.2 索塔的监测

斜拉桥的索塔是主要的承重构件，不同于柔性的桥面主梁和斜拉索，有刚度大的特性，在强风、地震荷载作用下会影响索塔结构安全。纵向荷载会导致横梁和索塔身连接处的开裂，塔墩沉降可能对主体结构内力分布有影响。基于对索塔的动力响应分析和模态分析，选取沿垂直方向的监测面，采用2个倾角仪测量塔顶位移倾角。

3.3 环境监测

环境监测主要分为风况监测、交通荷载监测。采用1个螺旋桨式风速仪测量塔顶风速和风向，采用1个光纤传感器称重系统监测车辆总重、轴重、轴数、车速等交通荷载。

4 基于Revit的结构监测信息处理

为了对监测信息更好地管理，以Revit为开发平台，以C#为基础开发语言，以RevitAPI封装的类和函数作为开发支持，进行监测信息的应用与管理、监测数据的分析、构件的安全预警，实现BIM模型和健康监测可视化的结合应用[4]。利用RevitAPI对健康监测界面的功能进行设计，包含数据操作功能、信息分析功能、构件预警功能与安全合理措施方法改进[5]。

利用Visual Studio开发新建的项目流程，在解决方案资源管理器中添加引用PresentationCore,RevitAPI和RevitAPIUI程序集。通过Revit外部开发程序调用，实现在Revit菜单栏的附加模块中添加新的面板应力监测、变形监测、不安全构件检查，采用开发外部应用法，开发方法为External Application，方法为OnStartup和OnShutdown，对应参数为application和UIControlledApplication[1]。

RevitAPI中输入CreateRibbonPanel创建面板按钮，并添加自定义按钮图片，可以点击按钮启动相应的程序。

基于Revit监测信息可视化，插件分为数据操作模块、分析模块、构件预警模块，且均为Revit的附加模块，每个模块都创建了面板，还设计了操作按钮和图标，便于监测信息的操作，如图2所示[6]。

4.1 数据操作模块

大桥的监测是一个动态的过程，数据是实时更新的，通过Revit软件将收集到的数据传入到数据库中，用StreamReader方法和.NET体系通过点击选取相应文件夹自动读取需要更新的监测数据，并用曲线图实时显示监测构件的变形值，最后将实时更新的数据用文件夹导出。数据操作模块是将windows操作系统、SQL Server数据库和RevitAPI相结合的过程，这一模块将分为数据更新和窗口显示表格查看[7]。

4.2 数据分析模块

传感器所监测到的数据会有噪声的混入，为得到更为真实的监测信息，需要剔除监测信号中的噪声，从而得到最真实的结构响应状态。在监测过程中，为实现噪声信号和真实信号的分离，于是选择db4小波函数将原始信号中分离出高频噪声，对含噪声的正弦信号四层分解，通过四层分解，得到四个低频系数以及四个高频系数，将每层的高频系数阈值进行量化处理，将阈值量化后的高频系数与第四层的低频系数进行小波逆变换，从而得到原始数据和去噪声后的数据信息。

4.3 构件预警功能

基于Revit开发的监测预警系统是帮助服役结构更快地提供构件是否安全的信息，如果安全，则不需要处理并继续监测；如果构件出现了不同程度的损坏，通过监测信息可以快速发现，如索塔的沉降和倾斜，柱身、梁和拉索两端锚固区的开裂、锈蚀、渗水，拉索减震措施失效，吊杆上端与主缆连接处的索箍松弛、锈蚀，则需要采取相应措施进行结构加固。

此程序应用RevitAPI获取到数据库中不安全构件的图元ID号，创建了弹窗列出不安全构件的表格和对应图元监测信息以及与阈值比较的结果，并在整个项目中用蓝色相应高亮。

通过ExternalCommandData添加一个控件窗体，用ref语句定义一个message参数，用ElementSet elements选择需要高亮的构件，从CommandData中取到Document，选取图元ID号，运用条件语句if，如果数据库表格行语句中出现“不安全”字样，则创建交互窗体TaskDialog.Show，显示不安全构件的图元ID号和基本监测信息，并返回结果。

为了便于识别构件，一开始对每一个构件依据其Revit管理面板中“选择项的ID”进行了编号。构件预警功能通过Revit平台读入构件的应力应变值，并与阈值作比较，如果超过了阈值则自动弹出交互窗口进行报警。如图3所示为主梁F截面桥面板北监测结果显示。

报警窗口选择用表格查看监测数据，会弹出交互窗口表格显示相应构件的应力监测、变形监测，表格会显示动态的监测数据的更新，发生的相应变化，用户可以选择查看的时间有利于对这段时间内构件的变形有直观的认知，便于掌握数据的变化过程，如图4所示。

5 结语

本文实现了基于BIM的大桥项目监测信息开发与管理，主要完成了大桥三维模型的建立、传感器的布置、数据库中监测信息的应用与管理、监测数据的分析、构件的安全预警，有效地将信息管理系统运用到实际工程项目中去，对服役斜拉桥项目的监测运行管理有实际参考意义。