摘 要：采用建筑信息模型(BIM)構建了橋梁高精度三維模型直觀還原橋梁結構以及周邊環境，并通過研究在BIM 中集成北斗高精度監測數據直觀展現橋梁各構件的變形情況，提出了一種基于BIM 和北斗技術的三維橋梁監測管理方法。利用該方法開發了一套橋梁監測管理系統并在貴州省某大型橋梁上進行了工程示范應用，試運行結果證明該方法具有良好的應用效果。
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，我國公路路網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。為了保證路網暢通和人民財產安全，大量危橋急需進行實時連續的在線健康監測，且隨著橋梁跨度、結構和建設材料的不斷發展，對橋梁變形監測的需求也不斷增加[1] 。傳統橋梁結構健康監測大多采用結構局部或整體動態響應的參量測量，難以實現真正意義上的面式或體式測量，且很難完成實時連續的監測[2] 。隨著全球導航衛星系統(GNSS)硬件和軟件的不斷發展，GNSS 已成為基礎設施高精度變形監測領域的熱門研究方向之一[3] 。北斗GNSS 由我國獨立自主開發和運行，并與已有GNSS 兼容[4] ，為GNSS 技術應用于橋梁健康監測提供了新機遇;特別是高采樣率接收機的出現，使其在橋梁結構變形監測方面展現了獨特的優越性[2,5] 。
現有的橋梁監測管理系統多采用二維展示的模式，難以直觀體現橋梁各構件的結構變形，而采用建筑信息模型(BIM)技術可構建建筑物的三維模型，直觀展現建筑物的各構件[6-9] 。目前，BIM 技術主要應用于橋梁設計和施工等建造階段[7] 。為了將BIM 技術引入橋梁的管養階段，潘永杰[8] 進行了基于BIM 的橋梁建養一體化平臺研究;李成濤[9] 等提出了一種基于BIM技術的橋梁病害三維可視化方案;但目前尚無將BIM技術與北斗橋梁變形監測技術相結合的工程應用和文獻報道。因此，本文提出了一種將北斗與BIM 技術相結合的方法，并開發了一套高精度三維橋梁監測管理系統，實現了三維橋梁動態在線監測和管理，并通過工程示范應用進行了應用效果驗證。
1 基本原理與方法
1.1 基于北斗GNSS 的橋梁三維變形監測
利用北斗GNSS 進行橋梁三維變形監測的基本工作流程為：首先由北斗GNSS 監測站與基準站接收機實時接收北斗GNSS 定位信號，采集并存儲數據;再通過無線或有線通信網絡將數據發送到監控中心，布設在監控中心的高精度GNSS 數據處理中心系統軟件將對數據進行實時存儲、解算和分析，實現數據綜合管理;最終顯示經過解算分析的各監測部位的相對位移數據。
北斗GNSS 接收機按照相應的采集制度和采樣頻率進行實時數據采集和預處理，通過濾波、模態等方式對各接收機的數據進行處理，從而得到有效的測量數據。數據處理分析包含高精度數據解算、中心處理模塊、顯示分析模塊等。高精度數據解算模塊負責監測數據的解算;中心處理模塊負責各種數據管理、通信管理、系統維護、監測預警等;顯示分析模塊主要以圖表方式展現和分析監測數據。
1.2 基于BIM 技術的橋梁三維呈現和管理
針對橋梁監測工作的BIM 建模，與設計階段建模有所不同，主要體現在模型所包含的內容和細致程度方面。以監測為目的的BIM 模型，需反映結構形體、力學特征、病害分布、維修方案等，而對倒角、放坡、附屬構件詳圖等信息的要求相對較低。監測階段的橋梁BIM 基本數據大體可分為7 類：整體信息包括地理位置、橋梁類型、道路等級、荷載等數據;上部結構信息即主橋結構的上部構件;下部結構信息包括主橋的橋臺、橋墩等信息;橋面結構信息即描述橋面的橫斷面信息等;設計信息包括橋梁設計圖紙、檔案編號、設計以及施工單位等;附屬設施信息包括橋梁上的照明設施、鋪裝的各類管道等信息;經濟指標信息包括建設費用、材料用量等。對于橋梁的BIM 構建，采用參數化的建模方法，三維參數化建模能在保證建模質量的前提下，最大程度地還原設計數據，并且具有建模時間短、過程簡單、效率高的特點。
2 系統開發與驗證
2.1 基于北斗技術的高精度變形監測站
本文以貴州某一在運營的懸索橋為監測對象，對該橋的索塔塔頂、跨中、索塔地基進行監測。安裝的北斗基準站和橋梁變形監測站布局如圖1 所示。在橋梁5 km 范圍內穩定地質結構位置安裝一臺基準站;在索塔塔頂安裝一臺監測站，用于監測索塔的位移情況;在橋梁安裝兩臺監測站，用于監測桁架橋梁的位移情況;在索塔塔基附近安裝一臺監測站，用于監測索塔建成后對地基地層的影響。
圖1 基于北斗技術的橋梁變形監測站點布局示意圖
基準站與監測站將實時觀測數據傳輸給遠程服務器，服務器通過后處理解算，按照1 h 的間隔輸出精度在mm 級的變形量。從結構上看，橋梁不同位置受內外部影響造成的變形幅度不同，如1 號監測點位于橋梁底部地基上，結構本身較穩定且受車輛和風力的影響較小，因此變形幅度較小;而3 號監測點位于跨中頂部，受風力、車輛等振動幅度影響較大，因此變形幅度較大。本文分別以1 號監測點和3 號監測點為小變形和大變形的代表，這兩個監測點在連續10 d 內3 個方向變形隨時間變化的曲線見圖2，可以看出，3 號監測點變形幅度遠高于1 號監測點，符合事先定性判斷。測試結果表明，該系統可較好地監測橋梁運行過程中的實時動態變形值，且采用了GNSS 信號的靜態后處理解算算法[2] ，監測精度可達到mm 級。
2.2 基于BIM 技術的三維橋梁監測管理平臺
基于BIM 技術的三維橋梁監測管理平臺是以BIM和三維地形數據為基礎，通過接入北斗GNSS 動態監測數據，在BIM 上進行可視化展示、分析和預警，以實現橋梁的三維、實時、動態監測，進而分析橋梁病害與結構變形等問題。
a 1 號監測點變形曲線
b 3 號監測點變形曲線
圖2 監測點3 個方向的變形隨時間變化的曲線圖
該平臺的數據內容包括場景數據、BIM 基本數據和動態監測數據。動態監測數據主要為利用北斗GNSS系統采集處理后接入到平臺中的數據。由于BIM 的信息數據量大，占據極大內存[6] ，因此為了保證模型的顯示效率，在開發平臺時，首先使用多分辨率和簡化的幾何模型，并對模型進行初步測試，以避免由于視距問題導致模型簡化過度影響效果;再對該模型進行壓縮，以減少存儲空間和傳輸時間;最后建立該模型的顯示預緩存機制，以提高平臺實際應用時的顯示速度。
基于北斗和BIM 相結合的橋梁監測管理平臺主界面如圖3 所示。左側頁簽欄中包括導航、橋梁、構件、監視器4 個選項卡;中間面板是三維場景和橋梁BIM，包括橋梁單體顯示、橋梁模型、地形顯示、北斗監測信息顯示等;右側為統計信息列表。該平臺可實現的功能為：
圖3 系統主界面
1)模型顯示。在三維場景下顯示橋梁模型時，鼠標點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時數據;當點擊關閉模型按鈕后，再點擊橋梁模型的任何部分均不會被選中，圖4 為打開橋梁模型時能夠選中的橋梁模型部分。
圖4 BIM 模型顯示
2)構件的獨立瀏覽模式。選擇了特定的橋梁構件，即能進入該構件，獨立瀏覽其空間結構(圖5)。
圖5 橋梁構件獨立顯示
3)構件的信息展示。選中構件可展示其建筑信息，該功能需要數據庫支持，為了保證鏈接的穩定性，在系統中將數據接口發布為Web 服務形式。
4)北斗監測信息的展示。平臺將基于北斗技術的橋梁傳感器模型融入BIM 中，可根據JTG/TH 21- 2011《公路橋梁技術狀況評定標準》設置一定的預警值，實現報警的同時快速定位所在位置(圖6)。
圖6 北斗監測信息顯示
3 結 語
本文研究了北斗和BIM 集成技術在橋梁監測管理中的應用，從橋梁信息模型、北斗GNSS 應用和監測信息三維可視化等方面討論了橋梁監測工作以及北斗與BIM 技術相結合的方法，為橋梁監測管理提供了一個綜合的可視化展示平臺;并通過在某大型懸索橋梁示范工程中的成功應用進行了驗證。
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
