BIM技术在桥梁管理可视化中的应用研究

宋 华，谢 艳，张浩阳，常 军

(苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

桥梁是交通咽喉要道，桥梁的健康安全对区域社会经济发展至关重要。然而长期连续的复杂环境荷载使桥梁产生不同程度的损伤，若其安全性和耐久性降到设计要求之下，则其承受自然灾害的能力下降，在突发状况时，极有可能产生灾难性的事故[1]。因此，采用科学的监测和评估手段，实现监控数据的动态与可视化监控管理，对确保桥梁的可靠性、安全性和耐久性极为重要。

目前，国内外学者在桥梁运营养护及系统管理方面开展了大量研究[2]。调查研究发现，传统的桥梁健康管理系统(BMS)是一个为设计、施工、运营和维护阶段提供决策支持的集成计算机系统，但其存在以下问题：1)缺失健康监测数据的可视化显示；2)不能实时预警桥梁安全状况；3)不能同步共享信息。

BIM被广泛应用于建筑业，技术日渐成熟，这为桥梁管理系统和监测数据管理开拓了新思路。BIM建筑项目是对全生命周期数字化、信息化的表达。目前，BIM技术主要是用于桥梁设计和施工阶段，而将其运用到桥梁结构健康监测系统中的研究较少。王晶[3]使用3Dmax建立桥梁的三维模型，并将模型搭载到WebGL中，可视化显示了桥梁监测状态，但该平台未能将监测数据输入模型，以数据驱动模型，实现监测数据的可视化显示。李志鹏[4]采用Blender软件对桥梁进行了三维建模，能够实现模型与监测数据的关联，但模型建立与渲染复杂，文件解析困难，管理人员不易掌握操作，人机使用界面并不友好。

为此，本文将BIM技术与桥梁健康监测相结合，开发了“BIM+BMS”的新型桥梁管理系统，利用Dynamo进行轻量化建模，实现数据自诊断，将模型与监测数据相关联，实现三维可视化与实时预警功能，提高了模型与监测数据的关联性，以期为BIM技术在桥梁管理系统中的应用提供新的思路与方法。

1 BMS传统桥梁管理系统

桥梁管理系统通过系统接收桥梁维护信息并对数据加以计算分析，是辅助规范化桥梁养护管理和决策的信息技术。桥梁的监测数据是桥梁管理系统的研究基础，通过对数据进行处理，从而对桥梁的安全状态做出准确的评估[5]。桥梁管理系统的基本框架如图1所示。

图1 桥梁管理系统基本框架

BMS系统的主要功能是通过传感器获得桥梁运营状态下的监测数据与信号，根据采集到的监测数据反演出桥梁的安全状态，识别损伤部位以及损伤程度，对桥梁安全性进行评估，监督桥梁定期检查，为桥梁养护提供支持[6]。然而，BMS系统用在实际工程应用过程中还存在许多问题，如在实时监测桥梁状态时，每min都在产生大量的数据。如何高效、实时、可视、共享监测成果，让参与方能随时动态了解其管辖范围内桥梁的安全状况，需对海量的数据进行处理与分析，为桥梁的运营状态评估提供准确的科学依据。经过大量调研，发现目前大部分的桥梁管理系统对于监测的数据只进行保存，而未进行处理，往往会导致以下几个问题：1)监测频率低，监测结果滞后，不能直观反映损伤位置和状况；2)桥梁安全预警缺乏实时性，不能及时进行损伤预警；3)采集的监测数据成为信息孤岛，无法在工程各参与方中实现共享与传递，与桥梁管理系统未实现无缝对接[7]。因此，要解决上述不足的途径是将BIM技术应用在桥梁管理系统中。

2 BMS+BIM整体架构

可视代指通过图像或动画等一些多媒体介质的手段将原始监测数据生动形象地表达出来的方式，更易理解监测信息。因此，监测信息可视化对于健康监测系统具有重要意义[8]。

2.1 数据建模

本文主要以Revit为核心平台，利用Dynamo插件进行桥梁参数化建模，建立轻量化模型。在Dynamo模型中设置lOT物联网数据接口，将传感器监测数据(BMS管理数据)导入模型中，并根据传感器数据改变桥梁参数，联动改变桥梁三维模型，实现监测数据可视化功能[9]。利用Python语言处理数据并进行实时预警，整体架构如图2所示。该系统的基本目标是将监控测点与数据等信息与轻量化的模型关联起来，在桥梁运行状况异常时，及时触发桥梁预警信号，为桥梁的养护、维修与管理决策提供依据与指导。

图2 BMS+BIM整体架构

2.2 参数化模块

基于对象参数化建模是BIM技术的基础，Dynamo可以将程序信息带入BIM环境。Dynamo是一款参数化设计插件，可与Revit等基于BIM的软件紧密配合。Dynamo具有自己独特的编程语言，同时也兼容了Python脚本语言，这种可视化的编程语言能够提供可视化块调色板。Dynamo使设计人员能够通过基于节点的可视化编译接口设置自动计算过程或平台，以便设计人员能够执行数据处理并关联结构和几何参数控制，具体由以下5个部分组成，其流程如图3所示。

图3 监测数据可视化流程

1)桥梁布置：根据桥梁结构特点布置传感器，利用Arduino平台进行数据采集。

2)创建BIM模型：通过Dynamo快速建立轻量化三维模型，提高建模效率。

3)数据接收和传输：通过Firefly套件创建编码，并将传统BMS系统的数据与参数模型连接，实现参数化设计软件与输入/输出设备之间的空白。

4)需求参数化：根据不同情况下的桥梁监测需求，使用Dynamo建立自定义节点的操作规则。

5)决策支持：将传统BMS数据系统搭载于BIM模型的可视化功能，通过改变需求参数化模块以变换模型，给决策者提供技术支持和决策依据。

BMS+BIM平台监测频率高，监测结果及时，能直接动态反映桥梁的损伤位置与损伤状况，同时该平台实现了对桥梁安全预警的实时性，即能及时预警损伤，并在不同参与方中实现了监测数据的实时传递与共享[10]。通过该平台，决策者能够快速预估桥梁的使用状态，做出桥梁的养护、维修与管理的决策。

3 工程实例

3.1 建立拱桥模型

上海某拱桥主跨188 m，全桥长715 m，由于其结构复杂，监控测点布置广而多，需要一个清晰、明确、直观的载体展示监测数据，以便在警报发生时，能够准确直观地观察桥梁预警部位，因此需要建立一个轻量化模型来搭载监测数据，其步骤如下：

1)根据桥梁跨长与桥梁横截面长度，输入X值与Y值，模型中的Z值由Arduino传感器输入；2)利用Dynamo建模软件中NurbsCurve.ByPoints、Surface.ByLoft和Surface.Thicken三个节点完成由点、线、面、体的桥面建模；3)拱圈的起点、终点与拱顶3个点确定了拱圈完整路径，利用Curve.SweepAsSolid节点，输入截面与路径参数，得到拱圈实体；4)利用Curve.PointAtParemeter节点是获得系杆、风撑相对于拱圈的位置，最后获取系杆、风撑实体[11]，实现拱桥的快速轻量化建模，如图4所示。利用Dynamo建立的模型，在后期修改时只需修改桥梁各项实际参数，即可对桥梁整体模型进行联动修改[11]。

图4 Dynamo拱桥轻量化模型

3.2 传感器布置

传感器主要布设在主桥的铺装层内。主梁的线形是反映当前大桥内力状态的重要指标，其中主梁挠度是识别桥梁内力状态最重要的输入参数，主梁下挠度监测统一采用基于密闭连通管原理且有大量工程实践应用的压力变送器，具体安装在主梁的 1/4 跨、1/2跨、3/4跨和两端支点处，如图5所示。

图5 监测截面示意

3.3 Arduino导入传统BMS数据

使用Firefly套件创建一个链接Dynamo和Arduino的节点，形成交互原型设计的基础，并将监测数据导入Dynamo，如图6所示。压力变送传感器获取现场监测到的挠度变形值，通过Python脚本，利用eval()函数将获取的string类型的数值变换为float类型。压力变送传感器获取的监测数值改变桥面板定位点的参数，使桥梁模型的变形与实际桥梁变形同步，实现挠度可视化。桥梁在正常运营状态下产生的挠度值通过物联网传入轻量化模型并修改模型桥面板定位参数，桥梁变形在模型上可直观显示。

图6 Arduino与Dynamo的连接过程

3.4 三维模型可视化预警

以上海某拱桥为模型建立Midas有限元分析模型，并得到该拱桥挠度变形的最大值，将最大变形绝对值设为挠度阀值，如图7所示。预警阈值需要分级，本文采取以 5%、1%超越概率的极值或均方根的值为通常值及限值的分级方式[11]。通过传感器监测值与各级阈值的比较，模型自动判断是否向管理人员报警。桥面板着色主要是通过节点GeometryColor.ByGeometryColor实现，通过监测值与各级阈值的比值，获取0-1内不同颜色显示[12-15]。

图7 Midas计算模型

本文采用的数据为实际新建桥梁的实时监测数据，在模型中难以将其预警功能充分体现。因此另外模拟了不同的异常监测数据向桥梁管理人员进行预警的过程。假设实际桥梁主梁3/4跨处的传感器数值异常，异常值接近挠度阈值，则转化为拓扑结构的桥面板呈现橙色；当假设数值超过预警值时，桥面板损伤处呈现红色，如图8所示。模型向管理人员进行实时预警，假设桥梁设施需要进行维修，可利用BIM模型进行快速定位，为后期维修管理工作提高效率。

图8 桥梁预警状态模拟

4 结论

针对传统桥梁健康监测系统在实际工程应用中有效数据实时预警和可视化的不足，采用BIM技术实现了对桥梁管理(BMS)的可视化，为桥梁状态评估提供了方便，并得到如下结论：

1)模型与物联网数据的参数化动态链接，提高了模型与监测数据的关联性，实现了模型变形实时可视化特色功能，弥补了传统监测技术中存在的问题和缺陷。

2)对桥梁运营中的实时动态响应进行分析，由此对结构的损伤进行预警，对结构的具体损伤构件和损伤区域进行定位，为决策人员提供了有效的分析决策依据。