基于BIM 的多塔斜拉橋評(píng)估系統(tǒng)研究

許玉和，劉曉劍，黃正榮，汪 濤

[1.中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，北京市519015；2.中鐵建蘇州設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州215007；3.東南大學(xué)，江蘇 南京211189；4.道路交通工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（東南大學(xué)），江蘇 南京211189]

0 引 言

隨著城市的發(fā)展和交通量的增加，我國(guó)的大跨徑橋梁越來(lái)越多。大跨度斜拉橋的服役性能一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)問(wèn)題。橋梁在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)中會(huì)不可避免地老化，對(duì)于斜拉橋而言，則具體體現(xiàn)在纜索的錨固、松弛、老化、腐蝕等方面的問(wèn)題上。因此，為了找出并解決這些問(wèn)題，從經(jīng)濟(jì)因素和時(shí)間管理上，基于橋梁的長(zhǎng)期使用，健康監(jiān)測(cè)技術(shù)便是必不可缺的。而長(zhǎng)期以來(lái)，受技術(shù)及經(jīng)濟(jì)等多方面制約，多數(shù)橋梁以人工檢測(cè)為主。從長(zhǎng)期人工檢測(cè)結(jié)果、檢測(cè)精度與檢測(cè)頻率限制來(lái)看，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)頻率維持在以月、年為單位，數(shù)量不足以支撐健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的評(píng)估功能。

隨之而來(lái)的則是以大橋與特大橋?yàn)閷?duì)象的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Bridge Health Monitoring System），這種由現(xiàn)代傳感器、通訊技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息處理、綜合報(bào)警等子功能系統(tǒng)組成的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)橋梁長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，極大彌補(bǔ)了人工監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。在上世紀(jì)八十年代，歐美地區(qū)在此方面做出相關(guān)成果，通過(guò)在大跨徑橋梁上安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，但是發(fā)展迅速[1，2]。與此同時(shí)，長(zhǎng)期監(jiān)控帶來(lái)了新問(wèn)題，大量數(shù)據(jù)流引發(fā)的信息爆炸，使得數(shù)學(xué)模型的建立變得困難，為了應(yīng)對(duì)這種局面，信息融合技術(shù)便顯得尤為重要，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)自身的相互比對(duì)、與人工的相互比對(duì)、不同時(shí)期的數(shù)據(jù)比對(duì)、數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證等手段來(lái)提煉大量信息中的有用數(shù)據(jù)。為了得到統(tǒng)一、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，在明確橋梁規(guī)范的前提下，需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、綜合、支配，得到一份可靠性較高的評(píng)估數(shù)據(jù)，因此在處理的過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的算法、比對(duì)、評(píng)估方案的重要性便尤為突出[3]。

對(duì)于斜拉橋而言，拉索為關(guān)鍵構(gòu)件，蘭海等[4]以索力變化達(dá)到某一固定百分比的狀態(tài)來(lái)評(píng)定拉索的性能，并通過(guò)適度指標(biāo)模型曲線插值分析計(jì)算。伍華成等[5]根據(jù)變權(quán)綜合原理提出了大跨度斜拉橋安全性評(píng)估方法，研究表明常規(guī)狀態(tài)下的常權(quán)綜合模式在影響因素眾多時(shí)，即使個(gè)別索力出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，最終評(píng)價(jià)結(jié)果也不會(huì)出現(xiàn)太大變化。隨著信息化的發(fā)展，BIM 技術(shù)被越來(lái)越多的用到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)等方面。齊成龍等[6]采用BIM 平臺(tái)對(duì)鐵路混合梁斜拉橋的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探究，與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法相比，具有較大的優(yōu)勢(shì)。胡娟等[7]通過(guò)Bentley 平臺(tái)對(duì)橋梁的參數(shù)化建模以及箱梁施工的線性控制方法進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。

本文以王家河多塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于BIM平臺(tái)探討斜拉橋的評(píng)估方法和體系，構(gòu)建基于多源數(shù)據(jù)的斜拉橋評(píng)估平臺(tái)，為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。

1 工程背景

王家河特大橋?yàn)橐蛔卮笮蜆蛄?，位于銅川市王益區(qū)王家河鄉(xiāng)王家河新村北。橋位及橋面標(biāo)高受路線控制，最大橋高165 m 左右，跨徑布置見(jiàn)圖1，全長(zhǎng)2 014.829 m，包括王家河特大橋主、引橋。本工程設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，雙向4 車(chē)道，主橋按整體式斷面設(shè)置，橋面全寬29.5 m。

圖1 多塔斜拉橋立面示意圖（單位：cm）

主塔與主梁為固結(jié)，橋面以上塔高36 m。塔柱采用實(shí)體截面，縱橋向塔柱橋面以上12 m 范圍內(nèi)為漸變段，寬度由6 m 直線變化至9 m，斜率為1∶8，上塔柱為等截面，寬度為6 m。橫橋向尺寸為3.5 m。從美觀上考慮，主塔四個(gè)角設(shè)置120 cm×40 cm 倒角，橫橋向設(shè)20 cm 深凹槽。

斜拉索性質(zhì)為中央雙索面，雙排布置在主梁的中央分隔帶處。塔根兩側(cè)無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為90 m，中跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為28 m，邊跨無(wú)索區(qū)長(zhǎng)23.68 m，梁上索距4.0 m，塔上索距1.2 m。每個(gè)索塔設(shè)有2×15 對(duì)30 根斜拉索，全橋共150 根斜拉索。斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單股鋼絞線直徑15.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，每根斜拉索規(guī)格為43-φs15.2，采用拉索群錨錨固體系。

2 BIM 模型系統(tǒng)平臺(tái)

傳統(tǒng)的橋梁管養(yǎng)理念，即利用橋梁自身的健康養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)需求性分析、橋梁健康狀態(tài)評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)性能老化程度的判別，進(jìn)而有針對(duì)性地制定具體的養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。但該方法對(duì)于大跨徑的橋梁來(lái)說(shuō)存在較大局限性，特大型多塔斜拉橋需要采用常規(guī)養(yǎng)護(hù)措施與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的方法，及時(shí)地對(duì)目標(biāo)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修。

因此，以Autodesk Revit 軟件平臺(tái)中的三維信息化模型為依托，利用HTML5、CSS3 和JavaScript 技術(shù)搭建網(wǎng)頁(yè)框架，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)輕量化BIM 模型的網(wǎng)頁(yè)端可視化交互與管理。王家河特大橋管養(yǎng)系統(tǒng)平臺(tái)主要分為三大功能模塊：查看輕量化模型、在線管養(yǎng)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)。

其中，查看輕量化模型模塊（見(jiàn)圖2），是指BIM模型在網(wǎng)頁(yè)端輕量化后可以實(shí)現(xiàn)：動(dòng)態(tài)觀察、平移、縮放、第一視角、相機(jī)交互（布滿視圖與滾動(dòng)）、截面分析（X、Y、Z 三軸截面與框截面）、特性、設(shè)置和全屏顯示。

圖2 多塔斜拉橋BIM 模型

在線管養(yǎng)系統(tǒng)模塊分為數(shù)據(jù)層、模型層、公功能層三個(gè)子模塊，便于管理人員高效地開(kāi)展日常管養(yǎng)工作，并提供將BIM 模型和管養(yǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的功能。

監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)模塊，基于索力的恒載特征值對(duì)索力進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)SHM 索力時(shí)程中每個(gè)索力數(shù)據(jù)點(diǎn)索力數(shù)值獲取其對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)評(píng)分，用以及時(shí)感知多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的突發(fā)情況。

3 斜拉橋評(píng)估體系

3.1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)大跨徑斜拉橋橋梁技術(shù)狀態(tài)的評(píng)估規(guī)范廣泛應(yīng)用的主要有《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（JTG

H11—2004）和《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）（下稱(chēng)“國(guó)標(biāo)”），這兩部規(guī)范涵蓋了所有橋型的狀態(tài)評(píng)估。但針對(duì)大跨度斜拉橋而言，該規(guī)范指標(biāo)并不完全適用，且健康監(jiān)測(cè)與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)間的融合度明顯不足。江蘇省推行了一套地方標(biāo)準(zhǔn)，《大跨徑懸索橋和斜拉橋養(yǎng)護(hù)規(guī)范》（DB 32/T 1648—2010）（下稱(chēng)“地標(biāo)”），作為該省推薦性的標(biāo)準(zhǔn)輔助評(píng)定方法。該地方標(biāo)準(zhǔn)同樣采用層次分析法，其橋梁技術(shù)狀態(tài)分析模型分為三層，即部位層、構(gòu)件層及損傷層，見(jiàn)圖3。部位層和構(gòu)件層的評(píng)定結(jié)果用0～100 分表示，損傷層的評(píng)定結(jié)果用0～5 分表示

圖3 斜拉橋綜合技術(shù)狀況評(píng)定的層次分析模型

綜合技術(shù)狀況評(píng)定的計(jì)算過(guò)程與“國(guó)標(biāo)”相仿，都是自下而上的逐層計(jì)算。首先是對(duì)于損傷層各元素可根據(jù)“地標(biāo)”中的病害狀況表直接查詢每一單項(xiàng)的得分，其結(jié)果采用0～5 分制表示。與國(guó)標(biāo)不同的是，除新增部分斜拉橋特有的定性指標(biāo)外，“地標(biāo)”中還包括了通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的定量指標(biāo)。通過(guò)判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所處的范圍區(qū)間來(lái)確定監(jiān)測(cè)指標(biāo)得分。

通過(guò)對(duì)構(gòu)件病害得分后，即可對(duì)構(gòu)件層的各構(gòu)件得分進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于綜合技術(shù)狀況評(píng)定，各構(gòu)件的技術(shù)狀況得分Dij的計(jì)算公式為：

式中：Rij，k為各病害項(xiàng)的標(biāo)度（0～5）；Wij，k為構(gòu)件ij的第k 項(xiàng)的損傷項(xiàng)的權(quán)重3.5 μij，k）βij，k；μij，k表示構(gòu)件ij 的第k 項(xiàng)損傷扣分值與比重的積與該構(gòu)件各損傷項(xiàng)扣分值與對(duì)應(yīng)比重之積的總和的比值而βij，k為構(gòu)件ij 的第k 項(xiàng)損傷的評(píng)定比重。

部位層各項(xiàng)得分與構(gòu)件層得分的計(jì)算方法不同，它采用了加權(quán)綜合法，評(píng)定結(jié)果根據(jù)下式計(jì)算：

當(dāng)計(jì)算完成橋面系，結(jié)構(gòu)部件和管養(yǎng)系統(tǒng)的綜合技術(shù)狀況的分?jǐn)?shù)后，采用加權(quán)綜合法計(jì)算全橋綜合技術(shù)狀況得分D，計(jì)算公式為：

3.2 評(píng)估平臺(tái)開(kāi)發(fā)

根據(jù)“地標(biāo)”的評(píng)定流程，借助Matlab 程序針對(duì)“地標(biāo)”編制橋梁狀態(tài)分值的自動(dòng)評(píng)估GUI 程序，并進(jìn)行封裝，通過(guò)混合編程實(shí)現(xiàn)在BIM 平臺(tái)的直接調(diào)用，對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，界面見(jiàn)圖4。根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)報(bào)告中具體病害情況與界面中的選項(xiàng)一一對(duì)應(yīng)，并按照評(píng)定流程自動(dòng)打分。界面布局簡(jiǎn)單明了，操作簡(jiǎn)便，主要包括以下功能：（1）養(yǎng)護(hù)巡檢數(shù)據(jù)的錄入功能；（2）規(guī)范評(píng)定方法的打分功能；（3）數(shù)據(jù)的自動(dòng)報(bào)表生成功能。針對(duì)“地標(biāo)”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，直接在輸入構(gòu)件病害狀況時(shí)，將根據(jù)不同構(gòu)件病害程度直接對(duì)應(yīng)病害的扣分標(biāo)度，用戶可根據(jù)實(shí)際病害情況直接在下拉菜單中進(jìn)行選擇。這種方式使界面可以包含更多的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)信息，更加便利于不熟悉江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)的用戶操作使用，圖5 為橋面鋪裝病害評(píng)定的界面。

圖4 評(píng)估系統(tǒng)界面

圖5 橋面鋪裝病害評(píng)定

3.3 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的狀態(tài)評(píng)估

斜拉索是斜拉橋最重要的構(gòu)件之一，而索力是評(píng)價(jià)斜拉索以及大橋狀態(tài)的重要參數(shù)，是必須監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，同時(shí)斜拉索風(fēng)致振動(dòng)監(jiān)測(cè)也是非常重要的。系統(tǒng)采用加速度傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)部分索的索力。使用振動(dòng)法將測(cè)得的加速度值計(jì)算出頻譜能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出斜拉索索力，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掌握斜拉索的拉力情況，為評(píng)估各構(gòu)件的工作狀況提供依據(jù)的目的。

為充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，可以通過(guò)建立索力預(yù)測(cè)模型提取健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)項(xiàng)，一方面得到結(jié)構(gòu)真實(shí)的退化趨勢(shì)，可對(duì)索力未來(lái)發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，另一方面可通過(guò)序列指標(biāo)變化閾值得到單個(gè)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)值，進(jìn)而通過(guò)變權(quán)分析融合多個(gè)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)值得到索力的得分評(píng)價(jià)值。索力隨時(shí)間的變化關(guān)系主要受到以下幾方面因素的影響：（1）季節(jié)性荷載，如溫度荷載、風(fēng)荷載等，此因素引起的變化年復(fù)一年的重復(fù)同一規(guī)律變化，具有很強(qiáng)的季節(jié)性；（2）車(chē)輛荷載，其產(chǎn)生的主要為高頻成分；（3）趨勢(shì)變化，結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不可避免的發(fā)生的趨勢(shì)退化。同時(shí)交通量的變化也會(huì)給結(jié)構(gòu)趨勢(shì)帶來(lái)影響。綜合以上幾種因素，可以認(rèn)為索力是一個(gè)有趨勢(shì)的季節(jié)性變化時(shí)間序列，本文采用Holt-Winters三次指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而對(duì)索力狀態(tài)進(jìn)行合理評(píng)估和預(yù)測(cè)，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 斜拉索狀態(tài)評(píng)估

圖7 索力狀態(tài)預(yù)測(cè)

如圖7 所示，本文方法基本可實(shí)現(xiàn)對(duì)索力變化發(fā)展規(guī)律的預(yù)測(cè)，也就能夠較準(zhǔn)確的得到索力的變化趨勢(shì)，并進(jìn)一步根據(jù)索力變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)發(fā)展年限對(duì)索力狀態(tài)進(jìn)行打分。本文所采用的時(shí)間序列分析方法可根據(jù)序列長(zhǎng)度的增加不斷動(dòng)態(tài)修正計(jì)算模型，該索力的發(fā)展變化趨勢(shì)可由新的數(shù)據(jù)引入而不斷更新，最終歸納得到完整的變化規(guī)律。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合王家河特大橋工程實(shí)例，基于BIM 平臺(tái)對(duì)多塔斜拉橋的評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并研發(fā)了一套評(píng)估體系，研究結(jié)論如下：

（1）針對(duì)大跨徑斜拉橋的特點(diǎn)，結(jié)合BIM 平臺(tái)和地方標(biāo)準(zhǔn)，可以建立在線評(píng)估系統(tǒng)，為橋梁長(zhǎng)期服役性能評(píng)估提供支撐。

（2）針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，引入統(tǒng)計(jì)學(xué)中指數(shù)平滑、非參數(shù)性檢驗(yàn)等方法，可以對(duì)索力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化，結(jié)合測(cè)點(diǎn)的上下限值結(jié)合趨勢(shì)變化進(jìn)行打分，并利用變權(quán)分析方法得到群測(cè)點(diǎn)的整體評(píng)估分值。