導語：多塔斜拉橋管養信息化技術研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創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、監測信息需求和管養系統為主要內容開發王家河特大橋管養一體化平臺。利用Autodesk官方提供的Forge技術實現BIM模型的輕量化,借助Spring、Bootstrap框架和Three.js等腳本文件對其進行在線渲染和展示,實現模型瀏覽窗口相應數據的增刪改查和橋梁構件病害庫的完善,助力管養人員更科學、高效地進行橋梁運維。

關鍵詞:工程管理;多塔斜拉橋;管養信息化;建筑信息模型(BIM)

建筑信息模型(BIM)作為一種新的資產管理方式,在土建工程項目設計、施工和運營養護全生命周期中得到越來越廣泛的應用。原國際數據互用聯盟(IAI)法國分支與日本Muroran技術研究所聯合發布IFC-BRIDGE橋梁模型標準專用程序,實現了橋梁設計軟件與數據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(CBMS)的軟件框架組織架構,研究了如何將BIM技術與地理信息系統(GIS)相結合并應用于橋梁養護。胡娟等立足于Bentley旗下的橋梁核心建模軟件OpenBidrgeModeler,在預應力砼連續箱梁橋設計和短線法施工中采用BIM技術進行了精細化建模和施工監控的二次開發。梁才利用Bentley數字孿生技術解決了公路設計和施工中存在的諸多問題,促進了項目建、管、養的一體化。該文以合銅(合陽—銅川)高速公路王家河特大橋為背景,應用Autodesk旗下核心BIM軟件Revit中參數化模型,利用Autodesk官方提供的Forge技術實現BIM模型輕量化,并借助Three.js等腳本文件對其進行網頁端在線渲染,實現多塔斜拉橋拉索系統、索塔、鋼箱梁、附屬設施等數據的錄入與可視化展示,便于管養單位在實地巡檢中快速判斷橋梁構件病害類型,從而采取精準有效的養護措施。

1工程概況

王家河特大橋采用塔梁墩固結鋼構體系,為五塔六跨預應力砼矮塔斜拉橋。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置,橋面全寬29.5m,雙向四車道,設計速度100km/h。施工中測量墩頂變位和梁頂標高,以實際測量結果對合理預拱度進行預估,提供各梁段施工模型的標準高度,確保成橋線形與設計吻合。此外,拉索錨具內預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據。

2橋梁管養信息化技術

2.1BIM模型輕量化

為提高信息化模型數據效率,工程實踐中一般采用以下方法實現BIM輕量化:對BIM模型中的非幾何信息表達進行有效剝離,在減小模型數據量的基礎上,對幾何信息表達數據進行格式轉化,最終將經Web三維引擎渲染的模型數據呈現在瀏覽器端視圖中,實現快速、便捷和高效的實時追蹤與展示。該項目管養信息化研究中將輕量化處理分為兩部分:一是模型數據的壓縮處理,即通過一定的數學方法對BIM模型中的幾何特征信息進行簡化處理,采取盡可能少的三角面片以保證模型外觀相似性;二是三維幾何數據的實時渲染,即在模型被壓縮處理轉化為輕量化的文件后,采用特定的圖形圖像渲染技術進行渲染,達到Web端平臺進行展示和交互操作的使用目的。隨著HTML5技術的發布和推廣,WebGL技術可高效且不失真地對模型進行高效渲染和三維瀏覽。WebGL不用考慮開發環境,可直接在底層GPU上工作,具備通過Three.js腳本、JSON數據傳輸技術制作三維動畫的便捷性和實用性,被廣泛應用于主流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建的內置對象,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是實現模型解析轉化的常用引擎之一,開發者在AutodeskFroge網站可通過Token的身份權限認證方式對不同訪問者的權限進行設置,實現數據的安全管理。實際操作中,*.rvt文件大小往往超出Forge網站數據儲存桶的容量,可先通過Navisworks軟件安裝插件將*.rvt文件導出為*.svfzip格式,整個過程脫離Forge云端獨立實現。

2.2管養系統的架構

目前常見應用架構主要有B/S瀏覽器端架構、C/S客戶端架構2種,各有利弊,適用于不同開發需求類型的管理平臺。(1)B/S架構即瀏覽器/服務器架構。采用該模式的應用管理平臺無需單獨在客戶端下載與安裝,只需確保使用時設備能正常聯網,可在Web瀏覽器即時使用,為市場上絕大部分BIM應用的技術方案。其優點在于諸多核心業務可只在服務端完成,升級服務器就能獲取模型數據和應用程序的版本更新。缺點是BIM模型加載速度直接受網絡傳輸速度影響,需定制化開發個性化需求。(2)C/S架構即客戶端/服務器架構。采用該模式的應用管理平臺需在本地安裝客戶端,安裝包和模型數據都在本地存儲,業務需要邏輯和功能提示頁面主要在客戶端實現,服務器端負責數據存儲、維護和共享。其優點在于BIM應用的定制化開發,操作多樣化,容易保證數據安全。缺點是對橋梁管養的覆蓋面較窄,需安裝程序后才能使用,維護成本較高。橋梁管養信息化系統主要針對監控構件或單元,除需保證在普通公共網絡中運行外,還需適當簡化開發和設計的復雜度,提高系統的可靠性和易維護性。因此,系統開發適合采用B/S架構。

3管養一體化平臺構建

采用上述信息化模型輕量化技術和管養系統架構搭建王家河特大橋管養一體化平臺瀏覽器網頁端主頁。主橋部分在Navisworks軟件平臺中漫游展示,輕量化模型部分由IDEA集成環境采用Spring和Bootstrap框架編寫開發。平臺分為監測評估、模型查看、橋梁管養、施工檢查四大模塊(見圖1)

3.1斜拉橋監測

構建橋梁管養平臺的目的是為固定周期的橋梁維護提供所需關鍵信息,力爭做到有的放矢,有針對性地指導橋梁維修養護。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。若檢查中發現結構嚴重損壞現象,可提前進行定期檢查或特殊檢查,以確保結構的整體安全和穩定性。不同部位的監測內容如下:(1)斜拉索系統的監測。監測內容包括護套有無裂縫、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;錨固系統中錨具是否滲水,錨頭是否銹蝕等;減振系統阻尼器是否銹蝕、破損或漏油;逐根測試索力,計算索力值。(2)鋼箱梁的監測。監測內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,箱梁內部有無積水,通風和除濕設施的運轉情況,斜拉索錨固區有無開裂或銹蝕等病害。(3)索塔的監測。監測內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,斜拉索錨固區及套筒周邊有無裂縫及裂縫發展情況。(4)下部結構與支座的監測。監測內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)附屬設施的監測。監測內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,防撞護欄鋼筋有無銹蝕、涂層脫落和變形等病害,橋面排水系統的蓋板有無損壞、泄水管是否完好及管體有無損傷。

3.2橋梁管養信息化展示

如圖2所示,瀏覽器中網頁端BIM輕量化模型可實現環繞鏡頭、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,系統還分別構建了斜拉索系統病害數據庫、索塔病害數據庫、鋼箱梁病害數據庫和附屬設施病害數據庫,用以應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據庫中,包括病害名稱、成因、危害、病害圖片及相應維修措施,管養部門可及時比對、發現、治理病害,一線操作人員也可在后臺從本地直接導入Excel數據表格,實現添加、刪除、修改橋梁病害數據庫中內容,形成管養監控平臺的動態調整和常態化運營。

3.3橋梁狀態評估

拉索索力、結構位移等為斜拉橋結構的關鍵力學性能指標,需進行長期監測。通過對斜拉橋監測數據進行清洗、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。通過對這些數據的擬合建模,得到序列數據的預測模型,并提取相應趨勢變化,利用指標的上下閾值對序列指標進行轉換,得到序列指標的評定結果。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雜性,各類評估信息往往表現出模糊、不完全等特性。為此,采用層次分析模型得到各子指標的評分結果,通過隸屬度函數模糊化處理,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,選用嶺形分布函數作為隸屬度函數(見圖4)。通過不確定推理方法得到與子指標相對應的上層指標的等級隸屬度向量,對全橋狀態進行綜合評估,并與傳統加權平均方法進行對比分析。DS證據理論是不確定推理的典型方法,可體現評定思維的模糊性,能類比人的推理過程,將該方法用于橋梁狀態評估,以修正傳統加權方法掩蓋子指標差異性的缺點。根據上述評估方法建立橋梁評估運算界面(見圖5),用戶評定時,可自行輸入相應權重和分值,也可選用默認權重。程序左下方可選擇2種計算方式中的一種進行判斷,點擊生成圖表按鈕即可得到相應方法的柱狀圖分布。

4結語

以王家河特大橋工程為依托,將BIM技術引入多塔斜拉橋運營管養領域,以IDEA為開發平臺,選取Java為底層開發語言,結合Javascript等網頁開發語言實現基于B/S架構的王家河特大橋管養一體化平臺搭建。利用Autodesk官方提供的Forge技術實現BIM模型的輕量化,借助View3D.js和Three.js等腳本對其進行高質量渲染和可視化。基于輕量化BIM模型的管養信息化系統,不僅可在線錄入、編輯橋梁檢查信息和監控信息,還能結合橋梁構件病害數據庫對不同在役狀態橋梁制訂詳細的交通資產管理方案。

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 中鐵建蘇州設計研究院有限公司 東南大學交通學院 道路交通工程國家級實驗教學示范中心