導(dǎo)語：多塔斜拉橋管養(yǎng)信息化技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:為滿足多塔斜拉橋信息化管養(yǎng)需求,以合銅(合陽—銅川)高速公路王家河特大橋為工程背景,以多塔斜拉橋檢測、監(jiān)測信息需求和管養(yǎng)系統(tǒng)為主要內(nèi)容開發(fā)王家河特大橋管養(yǎng)一體化平臺。利用Autodesk官方提供的Forge技術(shù)實現(xiàn)BIM模型的輕量化,借助Spring、Bootstrap框架和Three.js等腳本文件對其進(jìn)行在線渲染和展示,實現(xiàn)模型瀏覽窗口相應(yīng)數(shù)據(jù)的增刪改查和橋梁構(gòu)件病害庫的完善,助力管養(yǎng)人員更科學(xué)、高效地進(jìn)行橋梁運維。

關(guān)鍵詞:工程管理;多塔斜拉橋;管養(yǎng)信息化;建筑信息模型(BIM)

建筑信息模型(BIM)作為一種新的資產(chǎn)管理方式,在土建工程項目設(shè)計、施工和運營養(yǎng)護(hù)全生命周期中得到越來越廣泛的應(yīng)用。原國際數(shù)據(jù)互用聯(lián)盟(IAI)法國分支與日本Muroran技術(shù)研究所聯(lián)合發(fā)布IFC-BRIDGE橋梁模型標(biāo)準(zhǔn)專用程序,實現(xiàn)了橋梁設(shè)計軟件與數(shù)據(jù)分析軟件之間的信息交換。沈海華等基于中國公路橋梁管理系統(tǒng)(CBMS)的軟件框架組織架構(gòu),研究了如何將BIM技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合并應(yīng)用于橋梁養(yǎng)護(hù)。胡娟等立足于Bentley旗下的橋梁核心建模軟件OpenBidrgeModeler,在預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁橋設(shè)計和短線法施工中采用BIM技術(shù)進(jìn)行了精細(xì)化建模和施工監(jiān)控的二次開發(fā)。梁才利用Bentley數(shù)字孿生技術(shù)解決了公路設(shè)計和施工中存在的諸多問題,促進(jìn)了項目建、管、養(yǎng)的一體化。該文以合銅(合陽—銅川)高速公路王家河特大橋為背景,應(yīng)用Autodesk旗下核心BIM軟件Revit中參數(shù)化模型,利用Autodesk官方提供的Forge技術(shù)實現(xiàn)BIM模型輕量化,并借助Three.js等腳本文件對其進(jìn)行網(wǎng)頁端在線渲染,實現(xiàn)多塔斜拉橋拉索系統(tǒng)、索塔、鋼箱梁、附屬設(shè)施等數(shù)據(jù)的錄入與可視化展示,便于管養(yǎng)單位在實地巡檢中快速判斷橋梁構(gòu)件病害類型,從而采取精準(zhǔn)有效的養(yǎng)護(hù)措施。

1工程概況

王家河特大橋采用塔梁墩固結(jié)鋼構(gòu)體系,為五塔六跨預(yù)應(yīng)力砼矮塔斜拉橋。全橋長2050m,主橋長1170m,單跨最大跨度為230m,最高墩為144m,最大總高度188.5m。橋墩為異型雙肢雙向漸變空心薄壁墩,塔墩梁組合高度名列陜西省第二。主橋按整體式斷面設(shè)置,橋面全寬29.5m,雙向四車道,設(shè)計速度100km/h。施工中測量墩頂變位和梁頂標(biāo)高,以實際測量結(jié)果對合理預(yù)拱度進(jìn)行預(yù)估,提供各梁段施工模型的標(biāo)準(zhǔn)高度,確保成橋線形與設(shè)計吻合。此外,拉索錨具內(nèi)預(yù)埋的磁通量傳感器可為拉索索力控制及后期運營健康檢測提供原始數(shù)據(jù)。

2橋梁管養(yǎng)信息化技術(shù)

2.1BIM模型輕量化

為提高信息化模型數(shù)據(jù)效率,工程實踐中一般采用以下方法實現(xiàn)BIM輕量化:對BIM模型中的非幾何信息表達(dá)進(jìn)行有效剝離,在減小模型數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上,對幾何信息表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化,最終將經(jīng)Web三維引擎渲染的模型數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在瀏覽器端視圖中,實現(xiàn)快速、便捷和高效的實時追蹤與展示。該項目管養(yǎng)信息化研究中將輕量化處理分為兩部分:一是模型數(shù)據(jù)的壓縮處理,即通過一定的數(shù)學(xué)方法對BIM模型中的幾何特征信息進(jìn)行簡化處理,采取盡可能少的三角面片以保證模型外觀相似性;二是三維幾何數(shù)據(jù)的實時渲染,即在模型被壓縮處理轉(zhuǎn)化為輕量化的文件后,采用特定的圖形圖像渲染技術(shù)進(jìn)行渲染,達(dá)到Web端平臺進(jìn)行展示和交互操作的使用目的。隨著HTML5技術(shù)的發(fā)布和推廣,WebGL技術(shù)可高效且不失真地對模型進(jìn)行高效渲染和三維瀏覽。WebGL不用考慮開發(fā)環(huán)境,可直接在底層GPU上工作,具備通過Three.js腳本、JSON數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)制作三維動畫的便捷性和實用性,被廣泛應(yīng)用于主流BIM輕量化引擎中。Three.js在封裝WebGLAPI的同時,支持CSS和Canvas動畫,可用于快速渲染和實例化創(chuàng)建的內(nèi)置對象,配合攝像機、渲染器、場景和光照等元素,可極大縮短程序的時間成本。AutodeskVewerAiPI是實現(xiàn)模型解析轉(zhuǎn)化的常用引擎之一,開發(fā)者在AutodeskFroge網(wǎng)站可通過Token的身份權(quán)限認(rèn)證方式對不同訪問者的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全管理。實際操作中,*.rvt文件大小往往超出Forge網(wǎng)站數(shù)據(jù)儲存桶的容量,可先通過Navisworks軟件安裝插件將*.rvt文件導(dǎo)出為*.svfzip格式,整個過程脫離Forge云端獨立實現(xiàn)。

2.2管養(yǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)

目前常見應(yīng)用架構(gòu)主要有B/S瀏覽器端架構(gòu)、C/S客戶端架構(gòu)2種,各有利弊,適用于不同開發(fā)需求類型的管理平臺。(1)B/S架構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。采用該模式的應(yīng)用管理平臺無需單獨在客戶端下載與安裝,只需確保使用時設(shè)備能正常聯(lián)網(wǎng),可在Web瀏覽器即時使用,為市場上絕大部分BIM應(yīng)用的技術(shù)方案。其優(yōu)點在于諸多核心業(yè)務(wù)可只在服務(wù)端完成,升級服務(wù)器就能獲取模型數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的版本更新。缺點是BIM模型加載速度直接受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度影響,需定制化開發(fā)個性化需求。(2)C/S架構(gòu)即客戶端/服務(wù)器架構(gòu)。采用該模式的應(yīng)用管理平臺需在本地安裝客戶端,安裝包和模型數(shù)據(jù)都在本地存儲,業(yè)務(wù)需要邏輯和功能提示頁面主要在客戶端實現(xiàn),服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、維護(hù)和共享。其優(yōu)點在于BIM應(yīng)用的定制化開發(fā),操作多樣化,容易保證數(shù)據(jù)安全。缺點是對橋梁管養(yǎng)的覆蓋面較窄,需安裝程序后才能使用,維護(hù)成本較高。橋梁管養(yǎng)信息化系統(tǒng)主要針對監(jiān)控構(gòu)件或單元,除需保證在普通公共網(wǎng)絡(luò)中運行外,還需適當(dāng)簡化開發(fā)和設(shè)計的復(fù)雜度,提高系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。因此,系統(tǒng)開發(fā)適合采用B/S架構(gòu)。

3管養(yǎng)一體化平臺構(gòu)建

采用上述信息化模型輕量化技術(shù)和管養(yǎng)系統(tǒng)架構(gòu)搭建王家河特大橋管養(yǎng)一體化平臺瀏覽器網(wǎng)頁端主頁。主橋部分在Navisworks軟件平臺中漫游展示,輕量化模型部分由IDEA集成環(huán)境采用Spring和Bootstrap框架編寫開發(fā)。平臺分為監(jiān)測評估、模型查看、橋梁管養(yǎng)、施工檢查四大模塊(見圖1)

3.1斜拉橋監(jiān)測

構(gòu)建橋梁管養(yǎng)平臺的目的是為固定周期的橋梁維護(hù)提供所需關(guān)鍵信息,力爭做到有的放矢,有針對性地指導(dǎo)橋梁維修養(yǎng)護(hù)。王家河特大橋為大跨度多塔斜拉橋,其例行檢查包括定期檢查、專項檢查和不定期抽查。若檢查中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象,可提前進(jìn)行定期檢查或特殊檢查,以確保結(jié)構(gòu)的整體安全和穩(wěn)定性。不同部位的監(jiān)測內(nèi)容如下:(1)斜拉索系統(tǒng)的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括護(hù)套有無裂縫、劃傷破損、老化積水、松動、銹蝕等病害;鋼索有無鼓包、銹脹、開裂或斷裂等病害;錨固系統(tǒng)中錨具是否滲水,錨頭是否銹蝕等;減振系統(tǒng)阻尼器是否銹蝕、破損或漏油;逐根測試索力,計算索力值。(2)鋼箱梁的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括涂層是否有粉化、氣泡或脫落等病害,鋼箱梁外觀有無銹蝕、裂縫,有無鉚釘、螺栓松動,焊縫是否完好,箱梁內(nèi)部有無積水,通風(fēng)和除濕設(shè)施的運轉(zhuǎn)情況,斜拉索錨固區(qū)有無開裂或銹蝕等病害。(3)索塔的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括砼索塔是否存在滲水、大面積蜂窩麻面、銹蝕或漏筋,橫梁有無大面積蜂窩麻面、銹蝕、露筋及底部排水是否通暢,斜拉索錨固區(qū)及套筒周邊有無裂縫及裂縫發(fā)展情況。(4)下部結(jié)構(gòu)與支座的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括墩身是否存在蜂窩、麻面、凍脹、剝落或露筋等病害,支座有無腐蝕、開裂、老化及位移、錯位或變形等病害。(5)附屬設(shè)施的監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括橋面鋪裝是否清潔,橋面有無鼓包、開裂及其他缺陷,伸縮縫是否平整、有無異響、型鋼是否斷裂、密封橡膠帶有無老化開裂,防撞護(hù)欄鋼筋有無銹蝕、涂層脫落和變形等病害,橋面排水系統(tǒng)的蓋板有無損壞、泄水管是否完好及管體有無損傷。

3.2橋梁管養(yǎng)信息化展示

如圖2所示,瀏覽器中網(wǎng)頁端BIM輕量化模型可實現(xiàn)環(huán)繞鏡頭、上下移動、縮放、第一視角漫游、相機交互(布滿視圖、滾動)、剖面分析(X、Y、Z三剖面或自定義剖切平面)、測量、分解和全屏顯示。除信息化展示功能外,系統(tǒng)還分別構(gòu)建了斜拉索系統(tǒng)病害數(shù)據(jù)庫、索塔病害數(shù)據(jù)庫、鋼箱梁病害數(shù)據(jù)庫和附屬設(shè)施病害數(shù)據(jù)庫,用以應(yīng)對常見病害識別和錄入(見圖3)。將斜拉橋常見病害信息上傳到病害數(shù)據(jù)庫中,包括病害名稱、成因、危害、病害圖片及相應(yīng)維修措施,管養(yǎng)部門可及時比對、發(fā)現(xiàn)、治理病害,一線操作人員也可在后臺從本地直接導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)表格,實現(xiàn)添加、刪除、修改橋梁病害數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容,形成管養(yǎng)監(jiān)控平臺的動態(tài)調(diào)整和常態(tài)化運營。

3.3橋梁狀態(tài)評估

拉索索力、結(jié)構(gòu)位移等為斜拉橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo),需進(jìn)行長期監(jiān)測。通過對斜拉橋監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、剔除野值、降噪平滑等處理,得到每個月的索力及其平均值、位移。通過對這些數(shù)據(jù)的擬合建模,得到序列數(shù)據(jù)的預(yù)測模型,并提取相應(yīng)趨勢變化,利用指標(biāo)的上下閾值對序列指標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到序列指標(biāo)的評定結(jié)果。由于橋梁評估存在一定的主觀性及多重因素影響帶來的評估復(fù)雜性,各類評估信息往往表現(xiàn)出模糊、不完全等特性。為此,采用層次分析模型得到各子指標(biāo)的評分結(jié)果,通過隸屬度函數(shù)模糊化處理,得到面向評估等級的隸屬度向量。隸屬度變化滿足非線性的特點,選用嶺形分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)(見圖4)。通過不確定推理方法得到與子指標(biāo)相對應(yīng)的上層指標(biāo)的等級隸屬度向量,對全橋狀態(tài)進(jìn)行綜合評估,并與傳統(tǒng)加權(quán)平均方法進(jìn)行對比分析。DS證據(jù)理論是不確定推理的典型方法,可體現(xiàn)評定思維的模糊性,能類比人的推理過程,將該方法用于橋梁狀態(tài)評估,以修正傳統(tǒng)加權(quán)方法掩蓋子指標(biāo)差異性的缺點。根據(jù)上述評估方法建立橋梁評估運算界面(見圖5),用戶評定時,可自行輸入相應(yīng)權(quán)重和分值,也可選用默認(rèn)權(quán)重。程序左下方可選擇2種計算方式中的一種進(jìn)行判斷,點擊生成圖表按鈕即可得到相應(yīng)方法的柱狀圖分布。

4結(jié)語

以王家河特大橋工程為依托,將BIM技術(shù)引入多塔斜拉橋運營管養(yǎng)領(lǐng)域,以IDEA為開發(fā)平臺,選取Java為底層開發(fā)語言,結(jié)合Javascript等網(wǎng)頁開發(fā)語言實現(xiàn)基于B/S架構(gòu)的王家河特大橋管養(yǎng)一體化平臺搭建。利用Autodesk官方提供的Forge技術(shù)實現(xiàn)BIM模型的輕量化,借助View3D.js和Three.js等腳本對其進(jìn)行高質(zhì)量渲染和可視化。基于輕量化BIM模型的管養(yǎng)信息化系統(tǒng),不僅可在線錄入、編輯橋梁檢查信息和監(jiān)控信息,還能結(jié)合橋梁構(gòu)件病害數(shù)據(jù)庫對不同在役狀態(tài)橋梁制訂詳細(xì)的交通資產(chǎn)管理方案。

作者：楊曉華 胡海波 許俊德 汪濤 單位：中國鐵建投資集團有限公司 中鐵建蘇州設(shè)計研究院有限公司 東南大學(xué)交通學(xué)院 道路交通工程國家級實驗教學(xué)示范中心