桥梁施工质量监测与预警系统信息模型应用

高浩宁，谭玉梅，孟 婕，梁剑辉

西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621000

随着科技的进步，我国交通运输行业高速发展，其中桥梁建设举世瞩目，已成为当下“中国制造”的一张名片。但随着近年来经济的快速发展，车流量也不断增加，大型运输车逐渐增多，导致桥梁垮塌事故也不断增加。桥梁垮塌事故发生的主要原因是缺乏桥梁施工质量监测，桥梁在施工阶段结构所受荷载多变，且梁体逐步加长，梁段挠度逐渐增大，在施工过程中很难做到照图施工，因此应当有效监测施工安全以及施工过程中的桥梁应力、应变以满足规范要求，保证施工阶段质量，提高桥梁耐久性[1]。现有的桥梁监测主要由工作人员手工记录，后期进行整理分析，这种依赖人工采集、分析、处理数据的方法工作量大、效率低下、数据未形成体系、不够直观，难以达到为桥梁保驾护航的目的[2]。目前，现代化信息技术以其可视化共享的信息管理模式，可实现全生命周期的工程数据信息管理，作为一种信息化管理手段，已成为行业未来的发展方向。基于此，文章将传感器采集的数据与信息模型相结合，将数据储存于信息模型中，实现数据与模型的联动，并提出了一种全新的监测系统框架，达到通过信息化管理系统平台进行数据管理的目的，有效指导桥梁施工，提高桥梁施工中的应力变化监测的精度，保证桥梁的质量安全。

1 质量监测与预警系统架构

目前，对应力数值的处理和分析仍需依靠人工进行，存在计算量大，历史数据不易保存，桥梁安全状态反馈不及时、不直观等问题。因此，文章采用传感器监测桥梁施工过程的应力变化，结合信息模型技术、SQL Server数据库原理等提出桥梁应力自动化监测预警系统设计方案。此外，还在Revit的基础上引入可视化编程工具Dynamo，以实现桥梁模型的快速构建及传感器数据与信息模型模型的关联。文章以实际工程为例，对该系统设计方案进行详细说明。系统框架流程如图1所示。

图1 系统流程框图

2 模型的建立与轻量化

以某（40＋70＋40）m变截面预应力混凝土连续梁桥为例。该桥总长为156m，桥宽12m，主梁形式为预应力混凝土变截面连续箱梁，下部结构为矩形实心墩，基础为钻孔灌注桩基础。为确保该桥的顺利施工和工程质量，使桥梁施工结果与设计要求相吻合，拟在施工过程中对相关应力数据进行监测，以指导施工控制工作。桥梁平面图如图2所示。

图2 桥梁平面图

基于桥梁信息模型基础数据，建立参数化桥梁信息模型，可服务于桥梁全生命周期，为参与桥梁建设各方提供信息化交流平台，为实现建设对象可视化、施工进度控制动态化、信息数据采集智能化提供技术支持。

然而，由于桥梁具有结构特殊、类型较为多变、构件数量较多且空间要求高等特点，项目初期创建模型工作量大。采取传统的建模方式去创建模型往往需要花费大量的时间，且不能实现一模多用。模型一旦创建，将很难修改，当设计出现变更时，需要花费大量时间修改模型。因此，文章运用Dynamo实现桥梁的快速建立，同时利用第三方开发平台建立网页端模型对模型进行轻量化处理，随时随地登录网页即可查看模型及相关信息，极大地改善了以往必须依赖专业软件才能查看模型的低效率工作模式。轻量化模型网页端显示如图3所示。

图3 轻量化模型网页端显示

3 数据库与模型关联

通过相关研究发现，在施工过程中，桥梁应力监测中振弦式传感器拥有更加显著的优势，其更高的准确性、稳定性和可依附于结构构件进行长期监测以及通过采集仪读取传感器数值等的特点，会极大地提升自动化监测水平，降低人工监测所带来的误差并提高工作效率。

因此，该案例的传感器采用JMZX-215埋入式混凝土应变计及相应JMZX-3001综合测试仪采集系统，结合自动综合采集系统实现自动测量，在此基础上将采集的应力应变数据经过填补遗漏、平滑噪声、消除异常等预处理，分类储存至计算机终端SQL Server数据库中。随即再将预处理的监测数据与数据库模型参数比对，判断参数是否处于正常状态。系统将物理传感器与模型上的虚拟传感器进行关联，形成对应关系，通过Dynamo程序实现对数据库中物理传感器数据的自动获取[3]，并与所求得的应力阈值进行比较，如超出阈值，则在模型对应位置上进行高亮显示并提示相关预警信息。管理人员可根据数据管理系统及可视化模型迅速定位损伤构件并采取措施，适当调整施工方案，及时止损。

4 系统界面设计

建立基于B/S架构的施工信息管理平台，向用户提供互联网远程登录使用的人机交互界面，接受用户进行有关数据的输入、输出、管理和查询等操作。该平台有系统设置、项目信息、应用配置、监测预警和历史报表五大模块。系统设置模块提供用户授权与个人信息管理功能；项目信息模块实现桥梁基础信息的录入和初始化工作；应用配置模块主要实现平台应用过程中预警—决策知识库、人员权限以及监测管理信息的修改完善；历史报表是对监测结果以及异常报表进行汇总管理。监测预警是桥梁施工阶段质量监控的核心模块，该模块可实现监测数据的实时显示与对比，其基于数据动态集成技术，通过数据接口将监测数据集成到信息模型上，从动画维度显示动态的监测数据，同时可以表格和折线图的方式进行监测数据的显示，并支持以梁段、时间为条件的自定义筛选功能。监测预警界面如图4所示。

图4 监测预警界面图示

监测预警模块还基于预警原理，建立绿、橙、红三级预警机制。通过Midas有限元分析软件，制定相应的分级预警标准。当监测到桥梁质量数据达到预警值时，平台会做出预判和预警建议，并引发相应构件高亮，同时将相关预警信息发送至相关人员。相关人员收到预警信息后，快速纠正施工中的不当操作并解除警报，事后上传处理结果信息，以丰富预警—决策知识库实现该平台的自适应反馈控制功能。该模块的预警功能能及时地发现并精准定位桥梁施工质量问题，为工程建设的各参与方提供高效、智能的监控与管理手段。

5 结束语

文章针对桥梁施工质量监测预警存在的问题，基于信息模型技术实现数据与模型的交互，解决处理海量数据的难点，同时进行模型轻量化，提高了模型查看的便捷度，完成了桥梁施工质量监测预警系统方案设计。该方案可实现数据远程端查看、预警预报和任务下达等功能，并通过系统的自适应反馈提高预警准确性，节约时间和成本。