基于BIM的桥梁检测与安全评估研究

王彩君

(威海市公路事业发展中心,山东 威海 264200)

0 引 言

近年来,基础交通网不断完善,公路工程建设规模不断扩大。桥梁作为公路上的重要构造物,其建设数量也越来越多。但是随着交通量逐年增长,尤其是重载超载车辆的增加,桥梁结构性能劣化现象更加突出。如果桥梁检测方法选择不当,可能导致桥梁安全性评估结果与实际不符,从而带来一定的安全隐患,严重的可能造成巨大的经济损失和人员伤亡。如何快速科学的检测桥梁质量,对其安全状况进行评价是公路管养单位需要解决的重要问题。传统的桥梁检测和安全评估是基于二维平面图纸,存在直观性较差、多个专业技术人员间的沟通不畅等问题。鉴于此,国内很多学者引入了BIM理念(Building Informnation Modeling)用于桥梁检测和安全评估,但是BIM技术在我国起步较晚,相关理论不完善,没有统一的成果来指导桥梁管养[1]。因此,进一步研究BIM技术在桥梁检测与安全评估中的应用意义重大。

1 BIM技术特点及标准

1.1 BIM技术特点

BIM技术是交通领域和现代计算机技术相结合的一种新型建设理念。BIM技术并不是单纯指某一款软件,而是借助多个BIM软件将不同专业间的信息集成在一个三维数据模型中,使得工程信息能在项目全寿命周期中传递和共享,以便于技术人员做出正确判断。

BIM技术应用在桥梁检测和安全评估中具有以下特点[2]:(1)可视化。BIM技术可以对实际桥梁项目进行可视化模拟,即建立三维模型,快速定位桥梁工程各个构件的位置和属性,使技术人员直观、准确的判定桥梁安全状况;(2)信息准确性。在桥梁工程检测和安全评估项目中,会产生大量工程信息,利用BIM技术可将海量的信息进行筛选、存储,并实现桥梁模型与数据之间的关系。一旦调整桥梁模型,其储存的数据也随之动态更新;(3)协调性。桥梁检测和安全评估需要多个人员的参数,传统的沟通交流是借助EXCEL表格、Word文档、CAD图纸等,容易出现信息传递错误,造成较大的人力和物力浪费。而利用BIM三维模型及其储存的工程信息,可以保证信息的完整性和准确性,大幅促进各专业人员的协调。

1.2 BIM技术标准

大量工程实践表明,BIM技术在桥梁工程中应用要有统一的数据标准。目前,BIM技术常用标准有IFC标准、IFD标准、IDM标准,不同标准间的相互关系见图1。

图1 BIM技术标准间的关系

图2 桥梁结构三维模型

IFC标准(Industry Foundation Classes)是实体、属性间的集合,由资源层、核心层、共享层、领域层组成。在桥梁结构管养期间,桥梁检测信息将按资源层→核心层→共享层→领域层的顺序逐层传递;IDM(Information Delivery Manual)和IFC标准呈映射关系,其功能是将工程信息整合后传递给技术人员。对于桥梁检测项目中而言,检测时间和安全评估时间均可借助IDM标准制定;IFD(International Framework forDictionaries)为国际字典框架标准,是项目指定时间和地点基于特定目的的信息集合[3]。

2 BIM技术在桥梁检测中的具体应用

2.1 桥梁检测内容

桥梁检测可以使公路管养部门及主管部门充分了解桥梁运营整体情况,及时发现桥梁病害。根据《公路桥涵养护规范》JTG 5120-2021(以下简称《规范》),桥梁检测内容包括经常性检查、定期检查特殊检查三类。

经常性检查的任务是确保桥梁功能正常使用,其检测内容包括桥面是否损坏、伸缩缝是否破损、锥坡和翼墙是否开裂沉陷、交通标志和照明设施等是否完好;定期性检查以目测为主,现场调查桥梁安全状况;桥梁结构的特殊检查则需要借助仪器设备,以明确桥梁病害原因及损害程度,作为桥梁安全评估和加固设计的依据。

2.2 BIM技术具体应用分析

将BIM技术应用在桥梁检测中,能够直观了解到桥梁现状、桥梁运营期间的各种恒载和活载、病害所在位置等,实现公路桥梁检测的可视化。

(1)桥梁检查

桥梁在检测之前,技术人员要根据设计图纸、历史管养数据等制定检测计划,并明确检测重点部位。结合相关研究成果,BIM技术用于桥梁检查中可划分为三个阶段:预检查、现场检查、信息处理。在预检查阶段,技术人员要基于三维建模软件内置的编码体系,以构件为基本单元建立桥梁三维模型,且每个桥梁构件都有唯一标识码(ID)。这样在查找桥梁任意构件时,只需输入ID码,即可弹出该构件相关信息[4]。

在现场检查阶段,BIM技术主要是用于实现定位病害和信息共享两大功能。

定位病害:因为桥梁结构的隐蔽部位多,某些细小病害可能不会引起技术人员的重视,使得细小病害不断发育,最终危害桥梁结构的整体安全性。基于桥梁BIM三维模型,可以直观、全面的展示桥梁结构的病害分布情况。同时,三维模型还能以不同颜色分别标识出不同病害及其严重程度。这样即使是刚接手项目的技术人员,也能迅速定位桥梁检测的重点和难点,降低技术人员因经验不足而未能检测到病害的概率。

信息共享:在桥梁结构检测任务完成后,技术人员可将原始检测数据及相关病害照片导入BIM系统中,BIM系统自动整理各种病害信息,并将病害信息储存在三维模型中。其它人员也可通过BIM系统中的“查询功能”,快速获取相关病害信息,实现桥梁病害信息在不同技术人员之间的快速传递[5]。

(2)桥梁荷载检测

公路桥梁检测试验包括静载试验和动载试验两种,传统的桥梁荷载检测方案制定要先在CAD平面图纸上标注传感器、百分表、加载车辆等的位置,直观性较差。而利用BIM技术可在桥梁三维模型中直接设定各种检测所需的信息。

(3)三维可视化

要想实现公路桥梁检测的三维可视化,需借助无人机倾斜摄影技术拍摄桥梁工程所在区域的地形地貌,并将得到高程线、坐标值(X、Y、Z)等导入到三维BIM模型中。这样技术人员可以在任意视角下观看桥梁各构件的信息,并能够实现飞行模拟功能。

(4)质量、进度、成本管理

BIM技术不仅可以实现桥梁工程的检测模拟,还可以对桥梁检测过程中的质量、进度、成本等进行全面控制。

在管理桥梁检测质量时需从以下三方面着手:①对建立的桥梁三维模型进行全面检查,确保与实际情况保持一致;②将桥梁检测关键点关联到三维模型中的相应构件元素上;③根据检测时间、检测部位、检测人员等因素对桥梁病害信息分类归纳,为后续桥梁安全评估提供依据。

BIM技术管理桥梁工程检测进度的关键是合理规划检测内容、合理分配检测资源,减小检测过程中的各种返工,以免延误检测工期。

3 BIM技术在桥梁安全评估中的具体应用

3.1 桥梁安全评估架构及应用优势

(1)桥梁安全评估架构

目前,公路桥梁安全性评估方法有规范法、层次分析法、模糊综合分析法、神经网络法等等,但是上述方法所得到的评估结构受人的主观因素影响较大。为了解决这一问题,可在桥梁结构安全评估中引入BIM技术,以帮助桥梁管养人员正确认识桥梁病害发育程度。基于BIM技术所建立的桥梁结构安全评估系统如图3所示。

图3 桥梁结构安全评估系统

应用该桥梁结构安全评估系统时,病害数据库和安全缺陷数据分析库共同形成的专家指导分析库并不是固定不变,而是随着桥梁所处环境和新的病害形式的出现动态变化。

(2)应用优势

评估自动化:公路桥梁构件及病害类型繁多,且检查频繁,根据《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)计算桥梁技术状况评分时耗费人力、物力较大。虽然有部分公路桥梁检测单位利用EXCEL编写了桥梁技术状况评分计算表格,实现了半自动化,但是仍需手工输入原始检测数据,计算效率较慢。而利用BIM技术可实现桥梁安全自动化评估[6]。

评估精准化:传统的桥梁安全评估方法难以对桥梁构件病害进行具体量化,即使量化也具有很强的主观性,可能导致同一构件经不同技术人员评估后得到不同的评估结果。而基于BIM技术所建立的桥梁安全评估系统,可以生成某一构件病害的时间轴,展示该病害在运营期间的发展情况,便于分析病害对桥梁结构的影响。同时,一个桥梁构件的病害可能有多个,只用一个指标去评估其安全状况不是特别科学。利用BIM技术可以全方位、多角度的展示桥梁构件病害,辅助技术人员对桥梁安全性做出精准评估。

3.2 桥梁安全评估程序设计

以MicroStation软件为平台运行VBA程序编辑器来设计桥梁安全评估程序。在缺省条件下,VBA的窗体是模态,会阻止用户与MicroStation平台交互。为解决这一问题,应以非模态方式来显示用户窗体,即将“DoCelllnsartion”代码放入模块中,实现评估模块和BIM模型之间的交互。

(1)初始化文件

在利用BIM技术建立桥梁三维模型前,需在安全评估系统中创建初始文件,输入待评估桥梁名称、桥梁结构类型(梁式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥)、检测人员、管养单位名称等信息。

(2)评估内容

以梁式桥为例,从桥面系、上部结构、下部结构三部分开展安全评估,具体内容如表1所示。待所有桥梁部分评估完成后,得到桥梁的总体评分和安全等级。

表1 桥梁安全评估内容

3.3 桥梁安全评估案例分析

(1)工程概况

研究对象为某公路桥梁,其设计速度为80 km/h,设计荷载为公路I级,抗震设防烈度为VI度,可不考虑地震力影响。桥梁主桥长270 m,跨径组合为(70+130+70)m,上部结构为预应力混凝土连续箱梁,下部结构主墩墩身为双薄壁空心墩,基础为钻孔灌注桩。

(2)桥梁评估结果

桥梁上部结构和下部结构的评估结果。

可知:该桥梁上部结构评分为98.5,结构等级为1级;下部结构评分为98.0分,结构等级为1级;桥面系评分为76.5分,结构等级为3级。由此可知,该桥梁上部结构和下部结构安全性较好,桥面系经多年运营损伤较严重,需加强养护管理。

4 结 语

分析了BIM技术特点及其在桥梁检测、桥梁安全评估中的应用,主要得到以下几个结论:(1)BIM技术应用在桥梁检测和安全评估中具有可视化、信息准确性、协调性等优势,常用建模标准有IFC、IFD、IDM三种;(2)BIM技术用于桥梁检查中可划分为预检查、现场检查、信息处理三个阶段,同时还可模拟桥梁荷载试验,控制桥梁检测的质量、进度和成本;(3)基于BIM技术建立桥梁安全评估系统具有评估自动化和评估精准化优势;(4)桥梁结构安全评估可从桥面系、上部结构、下部结构三部分开展,并将其划分为1～5级。