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摘 要：采用建筑信息模型(BIM)構(gòu)建了橋梁高精度三維模型直觀還原橋梁結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境，并通過研究在BIM 中集成北斗高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)橋梁各構(gòu)件的變形情況，提出了一種基于BIM 和北斗技術(shù)的三維橋梁監(jiān)測(cè)管理方法。利用該方法開發(fā)了一套橋梁監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)并在貴州省某大型橋梁上進(jìn)行了工程示范應(yīng)用，試運(yùn)行結(jié)果證明該方法具有良好的應(yīng)用效果。

截至2016 年末，我國擁有公路橋梁80.53 萬座，其中特大橋梁4 257 座，大橋86 178 座，毫無疑問已成為世界第一橋梁大國。同時(shí)，我國公路路網(wǎng)中步入維修期的在役橋梁日漸增多，其中超過10 萬座橋梁為危橋。為了保證路網(wǎng)暢通和人民財(cái)產(chǎn)安全，大量危橋急需進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的在線健康監(jiān)測(cè)，且隨著橋梁跨度、結(jié)構(gòu)和建設(shè)材料的不斷發(fā)展，對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)的需求也不斷增加[1] 。傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)大多采用結(jié)構(gòu)局部或整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參量測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的面式或體式測(cè)量，且很難完成實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測(cè)[2] 。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)硬件和軟件的不斷發(fā)展，GNSS 已成為基礎(chǔ)設(shè)施高精度變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的熱門研究方向之一[3] 。北斗GNSS 由我國獨(dú)立自主開發(fā)和運(yùn)行，并與已有GNSS 兼容[4] ，為GNSS 技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)提供了新機(jī)遇;特別是高采樣率接收機(jī)的出現(xiàn)，使其在橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)越性[2,5] 。

現(xiàn)有的橋梁監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)多采用二維展示的模式，難以直觀體現(xiàn)橋梁各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)變形，而采用建筑信息模型(BIM)技術(shù)可構(gòu)建建筑物的三維模型，直觀展現(xiàn)建筑物的各構(gòu)件[6-9] 。目前，BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)和施工等建造階段[7] 。為了將BIM 技術(shù)引入橋梁的管養(yǎng)階段，潘永杰[8] 進(jìn)行了基于BIM 的橋梁建養(yǎng)一體化平臺(tái)研究;李成濤[9] 等提出了一種基于BIM技術(shù)的橋梁病害三維可視化方案;但目前尚無將BIM技術(shù)與北斗橋梁變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的工程應(yīng)用和文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文提出了一種將北斗與BIM 技術(shù)相結(jié)合的方法，并開發(fā)了一套高精度三維橋梁監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維橋梁動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)和管理，并通過工程示范應(yīng)用進(jìn)行了應(yīng)用效果驗(yàn)證。

1 基本原理與方法

1.1 基于北斗GNSS 的橋梁三維變形監(jiān)測(cè)

利用北斗GNSS 進(jìn)行橋梁三維變形監(jiān)測(cè)的基本工作流程為：首先由北斗GNSS 監(jiān)測(cè)站與基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)接收北斗GNSS 定位信號(hào)，采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù);再通過無線或有線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，布設(shè)在監(jiān)控中心的高精度GNSS 數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)軟件將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、解算和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合管理;最終顯示經(jīng)過解算分析的各監(jiān)測(cè)部位的相對(duì)位移數(shù)據(jù)。

北斗GNSS 接收機(jī)按照相應(yīng)的采集制度和采樣頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，通過濾波、模態(tài)等方式對(duì)各接收機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到有效的測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理分析包含高精度數(shù)據(jù)解算、中心處理模塊、顯示分析模塊等。高精度數(shù)據(jù)解算模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的解算;中心處理模塊負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)管理、通信管理、系統(tǒng)維護(hù)、監(jiān)測(cè)預(yù)警等;顯示分析模塊主要以圖表方式展現(xiàn)和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 基于BIM 技術(shù)的橋梁三維呈現(xiàn)和管理

針對(duì)橋梁監(jiān)測(cè)工作的BIM 建模，與設(shè)計(jì)階段建模有所不同，主要體現(xiàn)在模型所包含的內(nèi)容和細(xì)致程度方面。以監(jiān)測(cè)為目的的BIM 模型，需反映結(jié)構(gòu)形體、力學(xué)特征、病害分布、維修方案等，而對(duì)倒角、放坡、附屬構(gòu)件詳圖等信息的要求相對(duì)較低。監(jiān)測(cè)階段的橋梁BIM 基本數(shù)據(jù)大體可分為7 類：整體信息包括地理位置、橋梁類型、道路等級(jí)、荷載等數(shù)據(jù);上部結(jié)構(gòu)信息即主橋結(jié)構(gòu)的上部構(gòu)件;下部結(jié)構(gòu)信息包括主橋的橋臺(tái)、橋墩等信息;橋面結(jié)構(gòu)信息即描述橋面的橫斷面信息等;設(shè)計(jì)信息包括橋梁設(shè)計(jì)圖紙、檔案編號(hào)、設(shè)計(jì)以及施工單位等;附屬設(shè)施信息包括橋梁上的照明設(shè)施、鋪裝的各類管道等信息;經(jīng)濟(jì)指標(biāo)信息包括建設(shè)費(fèi)用、材料用量等。對(duì)于橋梁的BIM 構(gòu)建，采用參數(shù)化的建模方法，三維參數(shù)化建模能在保證建模質(zhì)量的前提下，最大程度地還原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并且具有建模時(shí)間短、過程簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)開發(fā)與驗(yàn)證

2.1 基于北斗技術(shù)的高精度變形監(jiān)測(cè)站

本文以貴州某一在運(yùn)營的懸索橋?yàn)楸O(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)該橋的索塔塔頂、跨中、索塔地基進(jìn)行監(jiān)測(cè)。安裝的北斗基準(zhǔn)站和橋梁變形監(jiān)測(cè)站布局如圖1 所示。在橋梁5 km 范圍內(nèi)穩(wěn)定地質(zhì)結(jié)構(gòu)位置安裝一臺(tái)基準(zhǔn)站;在索塔塔頂安裝一臺(tái)監(jiān)測(cè)站，用于監(jiān)測(cè)索塔的位移情況;在橋梁安裝兩臺(tái)監(jiān)測(cè)站，用于監(jiān)測(cè)桁架橋梁的位移情況;在索塔塔基附近安裝一臺(tái)監(jiān)測(cè)站，用于監(jiān)測(cè)索塔建成后對(duì)地基地層的影響。

圖1 基于北斗技術(shù)的橋梁變形監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局示意圖

基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器通過后處理解算，按照1 h 的間隔輸出精度在mm 級(jí)的變形量。從結(jié)構(gòu)上看，橋梁不同位置受內(nèi)外部影響造成的變形幅度不同，如1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于橋梁底部地基上，結(jié)構(gòu)本身較穩(wěn)定且受車輛和風(fēng)力的影響較小，因此變形幅度較小;而3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于跨中頂部，受風(fēng)力、車輛等振動(dòng)幅度影響較大，因此變形幅度較大。本文分別以1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為小變形和大變形的代表，這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在連續(xù)10 d 內(nèi)3 個(gè)方向變形隨時(shí)間變化的曲線見圖2，可以看出，3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形幅度遠(yuǎn)高于1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，符合事先定性判斷。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可較好地監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形值，且采用了GNSS 信號(hào)的靜態(tài)后處理解算算法[2] ，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到mm 級(jí)。

2.2 基于BIM 技術(shù)的三維橋梁監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

基于BIM 技術(shù)的三維橋梁監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)是以BIM和三維地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過接入北斗GNSS 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在BIM 上進(jìn)行可視化展示、分析和預(yù)警，以實(shí)現(xiàn)橋梁的三維、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析橋梁病害與結(jié)構(gòu)變形等問題。

a 1 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線

b 3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)方向的變形隨時(shí)間變化的曲線圖

該平臺(tái)的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括場(chǎng)景數(shù)據(jù)、BIM 基本數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要為利用北斗GNSS系統(tǒng)采集處理后接入到平臺(tái)中的數(shù)據(jù)。由于BIM 的信息數(shù)據(jù)量大，占據(jù)極大內(nèi)存[6] ，因此為了保證模型的顯示效率，在開發(fā)平臺(tái)時(shí)，首先使用多分辨率和簡(jiǎn)化的幾何模型，并對(duì)模型進(jìn)行初步測(cè)試，以避免由于視距問題導(dǎo)致模型簡(jiǎn)化過度影響效果;再對(duì)該模型進(jìn)行壓縮，以減少存儲(chǔ)空間和傳輸時(shí)間;最后建立該模型的顯示預(yù)緩存機(jī)制，以提高平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的顯示速度。

基于北斗和BIM 相結(jié)合的橋梁監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)主界面如圖3 所示。左側(cè)頁簽欄中包括導(dǎo)航、橋梁、構(gòu)件、監(jiān)視器4 個(gè)選項(xiàng)卡;中間面板是三維場(chǎng)景和橋梁BIM，包括橋梁?jiǎn)误w顯示、橋梁模型、地形顯示、北斗監(jiān)測(cè)信息顯示等;右側(cè)為統(tǒng)計(jì)信息列表。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的功能為：

圖3 系統(tǒng)主界面

1)模型顯示。在三維場(chǎng)景下顯示橋梁模型時(shí)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊橋梁模型部分即可選中模型，并以浮云框的形式顯示該模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);當(dāng)點(diǎn)擊關(guān)閉模型按鈕后，再點(diǎn)擊橋梁模型的任何部分均不會(huì)被選中，圖4 為打開橋梁模型時(shí)能夠選中的橋梁模型部分。

圖4 BIM 模型顯示

2)構(gòu)件的獨(dú)立瀏覽模式。選擇了特定的橋梁構(gòu)件，即能進(jìn)入該構(gòu)件，獨(dú)立瀏覽其空間結(jié)構(gòu)(圖5)。

圖5 橋梁構(gòu)件獨(dú)立顯示

3)構(gòu)件的信息展示。選中構(gòu)件可展示其建筑信息，該功能需要數(shù)據(jù)庫支持，為了保證鏈接的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)接口發(fā)布為Web 服務(wù)形式。

4)北斗監(jiān)測(cè)信息的展示。平臺(tái)將基于北斗技術(shù)的橋梁傳感器模型融入BIM 中，可根據(jù)JTG/TH 21- 2011《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置一定的預(yù)警值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的同時(shí)快速定位所在位置(圖6)。

圖6 北斗監(jiān)測(cè)信息顯示

3 結(jié)　語

本文研究了北斗和BIM 集成技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)管理中的應(yīng)用，從橋梁信息模型、北斗GNSS 應(yīng)用和監(jiān)測(cè)信息三維可視化等方面討論了橋梁監(jiān)測(cè)工作以及北斗與BIM 技術(shù)相結(jié)合的方法，為橋梁監(jiān)測(cè)管理提供了一個(gè)綜合的可視化展示平臺(tái);并通過在某大型懸索橋梁示范工程中的成功應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。

END

文章來源：《地理空間信息》2018年第7期

文章作者：王里，孫偉，劉玲，劉俊杰，黃莉莉