三維建模技術在橋梁施工過程監(jiān)控中的應用

周 坤

（廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著我國基礎交通領域的不斷開發(fā)與建設，對大型及特大型橋梁的施工技術提出了更高的要求，橋梁施工的過程監(jiān)控對于橋梁整體質量以及竣工后的使用壽命均具有重要意義。過程監(jiān)控的準確性、有效性和及時性是衡量這一體系性能優(yōu)劣的主要指標。當前我國橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)仍以圖形、報表等二維模式為主，且此過程多為人工干預，對于橋梁施工進度的時空特性而言，無法做到全面、準確、系統(tǒng)的展示。例如在一座公路橋梁的施工過程中，有多個工程部分同時進行，為獲取各施工部分及施工階段的詳細工程數(shù)據，應建立一個實時、可視、全局、三維的過程監(jiān)控場景，使工程進度的時空特性得以體現(xiàn)，因此，以往傳統(tǒng)的報表式二維圖形監(jiān)控方法將不再適用［1］。報表式二維施工監(jiān)控流程如圖1所示。

圖1 報表式二維施工監(jiān)控流程圖

本文將三維建模技術引入到橋梁施工的過程監(jiān)控系統(tǒng)中，通過對各施工部分節(jié)點數(shù)據的有效分析，充分掌握當前工程進度，形成直觀的過程監(jiān)控界面，既有對工程宏觀上的把握，又可詳細地分析每個施工部分的具體細節(jié)，并對工程后期的進度進行預測。本文所提出的三維建模技術，對于我國當前橋梁施工過程中的監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的應用價值。

1 系統(tǒng)架構設計

1．1 功能需求分析

橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)中所應用的三維建模技術，通常所體現(xiàn)的工程信息主要包括橋體本身的結構屬性、施工進度信息以及施工周邊的環(huán)境狀況三個方面，以上工程參數(shù)共同構成了橋梁施工過程中的三維監(jiān)控系統(tǒng)，在橋體本身的結構屬性中還包含原始的橋梁設計方案、圖紙以及竣工后的維修和養(yǎng)護記錄等，如表1所示。在橋體部分中分為整體結構、局部結構以及質量標準三個參數(shù)類別，以整體結構為例，其所包含的工程監(jiān)控信息主要有施工材料的種類、名稱、數(shù)量，具體來說通過文字及圖像等方式進行表達［2］。不同的施工參數(shù)對應不同的工程監(jiān)控信息以及實際的表達方式。

表1 橋梁施工過程監(jiān)控參數(shù)表

1．2 系統(tǒng)架構

為合理滿足上述功能需求，擬采用數(shù)據庫將各類三維模型及信息進行存儲，將系統(tǒng)架構分為五個主要部分：人機交互界面；橋梁施工過程監(jiān)控模塊（三維可視化演示模塊）；信息輸入接口；信息輸出接口以及橋梁施工信息數(shù)據庫。為良好地實現(xiàn)對橋梁施工遠程監(jiān)控的要求，三維建模的整體架構設計成客戶端－服務器模式，客戶端含有三維監(jiān)控控件、操作界面以及信息錄入等功能模塊，橋梁施工的全部信息部署在服務器端的數(shù)據庫中，通過以太網進行連接［3］［4］。

2 系統(tǒng)架構實現(xiàn)方案

2．1 底層信息系統(tǒng)結構

基于三維建模技術的橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)，其實現(xiàn)環(huán)境主要為Windows平臺，鑒于建模場景中所分析和處理的數(shù)據量巨大，因此，為保證監(jiān)控系統(tǒng)可以正常工作，管理平臺應選取大型的數(shù)據庫，可處理至少10GB以上的數(shù)據，本部分設計中擬采用Oracle數(shù)據庫及VB系統(tǒng)來作為開發(fā)平臺［5］。

2．2 橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)的三維可視化

此部分屬于橋梁施工過程監(jiān)控的核心模塊，主要通過三維建模技術來實現(xiàn)，其中三維參數(shù)的顯示問題需要通過交互界面以及各類接口來完成。過程監(jiān)控信息的展示前提是三維參數(shù)的可視化問題，這其中包括展示以及查詢等環(huán)節(jié)，三維控件主要實現(xiàn)查詢結果可視化的功能，其余文字、聲音以及圖像等信息則顯示在用戶視圖中，如圖2所示。

圖2 橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)的三維視圖

2．3 交互界面及施工過程監(jiān)控的實現(xiàn)

為更加直觀地獲取施工過程的三維監(jiān)控數(shù)據結果，使工程各部分的進度和施工細節(jié)得以呈現(xiàn)，規(guī)定了施工進度三維監(jiān)控模擬的查詢規(guī)則，包括用戶期望獲得的所有工程內容，分別從五個方面進行設計：

（1）查詢橋梁已完工部分的歷史數(shù)據；

（2）預制件施工環(huán)節(jié)的三維模擬分析；

（3）查詢物料使用、分配情況；

（4）查詢施工人員、組織管理人員部署情況；

（5）施工進度、危險點分析以及事故預警三維模擬分析。

以T型梁模板施工的三維監(jiān)控模擬效果為例，將此部分施工的進度和狀態(tài)信息輸入到系統(tǒng)中并進行計算、分析，將模擬結果存儲于數(shù)據庫中［6］。T型梁模板三維監(jiān)控效果模擬如圖3所示。

圖3 三維T型梁模板監(jiān)控效果模擬示例圖

在施工進度查詢的三維模塊中包括日歷表，用于選擇原始計劃以及實際狀態(tài)的施工時段，并包括原始計劃以及實際狀態(tài)的查詢模塊，查詢模塊將施工進度的時段轉化為SQL語句，便于橋梁施工過程監(jiān)控信息的查詢，將查詢結果傳送到施工過程監(jiān)控的三維控件中，以此來完成施工進度的可視化［7］。

3 工程實例分析

以北海市境內北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工為例，將本文所提出的三維建模技術應用到此大橋的施工過程監(jiān)控系統(tǒng)中。值得注意的是，在應用本文提出的三維建模技術時，三維模型的輸入以及工程附屬信息的自動關聯(lián)是關鍵，如果在不具備三維建模的條件下，也可使用比較權威的、獲業(yè)內認可的三維地形模擬軟件來進行計算和分析。而本文所提出的三維監(jiān)控架構，設計了支持3DS以及DXF等多種格式的三維監(jiān)控模型，且兼容3DSM以及AutoCAD等軟件，具有良好的用戶體驗和交互模式。北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工過程三維監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工過程三維監(jiān)控系統(tǒng)示例圖

基于三維建模技術的北鐵一級公路海陸村段2＃大橋施工過程三維監(jiān)控系統(tǒng)，設計有多個串行任務處理接口以及一個三維模型輸入模塊，主要實現(xiàn)3DS以及DXF文件的分析、解讀和處理功能，同時將計算結果自動存儲到本地數(shù)據庫中，方便用戶的查詢和分析?；谌S建模技術的橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)，在施工的過程管理和工程質量的控制方面，相比于以往傳統(tǒng)的二維報表施工監(jiān)控模式，具有諸多優(yōu)勢，如表2所示。

通過表2的詳細對比可知，基于三維建模技術的橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)，在大型、復雜的橋梁工程建設中應用較多，其監(jiān)控過程具有直觀、準確、施工質量高等諸多優(yōu)點，但也存在工程造價高、成本大、運行配置要求高等諸多問題，其中還包括三維監(jiān)控軟件在各部分施工中與設備基礎架構的兼容性問題。

表2 橋梁施工過程監(jiān)控方式以及優(yōu)、劣勢對比分析表

4 結語

基于三維建模技術的橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)，其底層信息部分的架構通過穩(wěn)定性級別較高的數(shù)據庫作為基礎支撐，橋梁施工全過程的三維數(shù)據以及施工材料、技術人員等工程屬性均部署在數(shù)據庫中，而良好的人機交互界面可便于用戶查詢各種數(shù)據，并迅速獲得有關橋梁施工過程詳細數(shù)據的分析和計算結果，使橋梁施工過程的全貌得以直觀、形象地呈現(xiàn)。本文對橋梁施工的過程監(jiān)控系統(tǒng)作了深入研究，將三維建模技術應用到此系統(tǒng)架構中，通過分析系統(tǒng)的實際需求來實現(xiàn)橋梁施工中過程監(jiān)控的三維可視化功能，并通過北海市境內的實際橋梁工程加以論證，證明了所提出的三維建模技術應用到橋梁施工過程監(jiān)控系統(tǒng)中的可行性，工程應用前景廣闊。