基于 BIM的观音店綦江大桥健康监测系统研究

马达

重庆渝湘复线高速公路有限公司 重庆市 401147

摘要：桥梁在现代交通体系中的地位举足轻重，可以说桥梁是中国经济腾飞的一个重要推力。现在越来越多的特大桥梁在中国大地上拔地而起，支撑起中国经济的脊梁。但是在大桥建起之后我国在桥梁运营管养方面一直处于落后的状态，这严重限制了桥梁的寿命。近几年对于桥梁的运维管理研究如火如荼，随着BIM技术在中国的广泛应用，在BIM技术的加持下，桥梁的运维研究飞速发展。BIM技术以其强大的三维可视化能力，丰富的信息集成功能为桥梁运维管理研究提供新思路。

本文从桥梁监测研究现状下笔，以观音店綦江大桥为项目依托，建立观音店綦江大桥的全部BIM模型。在监测系统中实现信息查询、实时监测和监测数据管理等功能。阐述了国内外桥梁运维管养的发展现状，分析出在桥梁运维阶段存在的不足，并且针对这种不足研究出了运用BIM技术加监测管理系统的运维管养办法，搭建了普遍适用于桥梁结构的状态监测平台。

关键词：刚构桥，BIM技术，健康监测

一、观音店綦江大桥工程背景

重庆三环高速公路江津至綦江段观音店綦江大桥为跨越綦江河而设，其中江津岸位于重庆市江津区西湖镇西泉村3社，綦江岸位于重庆市江津区西湖镇青泊村2社。江津岸桥台南侧约50m有机耕道与线路近平行，綦江岸K11+586处有县道垂直路线经过，綦江河内有船渡连接两岸，场区内交通条件总体便利。

桥梁起止桩号为：K11+100.94〜K11+663.14，全长562.2米。跨径组合为：95+176+95 (连续箱梁）十6×30（先简支后连续T梁）。主桥及引桥均位于直线上，桥面纵坡为-2.2%，桥面设置双向2%的横坡。

主桥为95+176+95的连续箱梁，主桥下部采用空心薄壁式桥墩，桩基础。 江津岸桥台采用重力式桥台，扩大基础。

主桥为三向预应力混凝土结构，主梁为分幅式单箱单室截面。每幅箱梁顶板宽13m，底板宽7.6m，两翼板悬臂长2.7m，箱梁顶板设置成2%单向横坡。箱梁跨中及边跨现浇段梁高3.75m(箱梁高均以腹板外侧为准)，桥墩与箱梁相接的根部断面及墩顶0号梁段高11.5m。箱梁从跨中至根部，箱高以1.6次抛物线变化。

桥面铺装层材料沥青混凝土，单幅桥面宽11.75m，横向布置为：0.5m（防撞护栏）＋10.75m（车行道）＋0.5m（防撞护栏），D320型梳齿板伸缩缝。

桥位区年平均气温18.0℃～18.4℃，最高气温 42.2℃，极端最低气温-3.6℃， 年平均降雨量1086.5mm～1312.5mm，一般平均1090mm，降雨主要集中在5月-9月。桥位处河宽约120m，最大水深约7m，勘察期间水位为185.20m，最大洪水位为 190.00m，桥区河道顺直，属于长江水系。经地表调查，场区地层稳定，除局部泥岩风化碎落外，未发现裂缝、滑动等不良地质现象。

二、观音店綦江大桥BIM模型及三维有限元模型

1、观音店綦江大桥BIM模型

按照应用LOD500精度进行建模。主梁完成后，根据设计图纸对边跨现浇段、边跨合拢段及隔板部分进行适当修改建立全桥BIM模型。

2、观音店綦江大桥有限元模型

观音店綦江大桥有限元模型的建立是采用通用有限元软件Midas Fea进行的。大桥有限元模型采用实体单元进行模拟，网格划分以六面体主导，相较四面体网格，六面体网格主导减少了网格数量提高了计算效率同时六面体主导更满足实体划分要求，提高了计算精度。考虑到自重荷载、二期恒载、预应力荷载、混凝土收缩徐变、温度梯度等，根据实际项目图纸，施工工况划分85个施工阶段。

三、传感器方案的确定

1、位移传感器布置截面的确定

利用实体单元有限元模型计算得出在汽车荷载作用下桥梁的最不利位置，从受力分析结果可以看出，在运营阶段，以汽车荷载为主要作用的情况下，连续刚构桥的中跨跨中是位移最大的位置。位移传感器应该布置在跨中截面。此外为了监测数据的完善，仅仅监测最不利位置是不够的，根据结构力学知识。两边跨的跨中位置是边跨范围内最不利的位置。由于该桥两侧对称，故可以只在一侧布置传感器。中跨四分之一处也应该布置位移传感器。各个截面的具体安装位置为箱梁的底部。

2、加速度传感器布置截面的确定

根据有限元计算结果，桥梁的振动主要以竖向和横向为主，仅仅在四阶模态时桥梁是受扭状态。所以在桥梁的中跨跨中位置和边跨中部的箱梁底部设置加速度传感器。

3、应力应变传感器布置位置确定

从有限元分析结果来看，还是中跨跨中位置的结构应变最大。在跨中截面箱梁的顶板为压应变，而箱梁的底板为拉应变。另外在边跨范围内，边跨跨中处是结构的最大应变位置。需在中跨跨中和边跨跨中截面布置应力应变传感器，每个截面的底板和顶板各布置两个。

4、其他传感器的布置

在监测大桥的应力应变时，所采用的仪器时振弦式应变仪，采集回来的测量值需要在考虑温度的情况下进行修正，所以要在应力应变传感器处布置相应的温度传感器。

跨江桥的共有特点是桥跨中的风会比两岸大，所以要在桥梁中跨跨中位置设置风速传感器监测桥的风速。

为监测桥梁整体纵向位移，需在桥梁两侧的伸缩缝处设置位移传感器。

四、系统介绍

观音店綦江大桥结构健康监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通 信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合性系统工程。特制定以下原则，使观音店綦江大桥结构健康监测系统能够在运营期间有效的应用于结构的损伤和状态的评估。满足桥梁后期运维需求，同时具有相应的经济效益和社会效益。

（1）根据本大桥的结构特点、环境特点，把握影响结构安全的主要因素， 建立处功能齐全、性能完善、经济合理的运营期监测系统；

（2）为保证系统使用过程中的稳定性以及数据的精确性，本系统平台的建立采用成熟技术建立的系统配套铲平；

（3）采用模块化的平台设计，从而确保系统的可替换功能与经济性能；

（4）为使系统的升级性可靠稳定以及数据的远程共享功能和实时监控功能，系统采用开放式设计；

（5）设置相应冗余的传感器及设备，确保系统平台的稳定性，满足平台后期数据改进及存储、模型的扩展修改和系统完善的需求；

（6）为解决数据采集量少和数据后处理的难度，采取数据信息实时监测并物联传输以及信息的定期集相结合的办法；

（7）模块设计采用合理及强大前处理及后处理模式，方便快捷有效的处理计算和管理采集的数据信息。

1、信息查询

当单击左侧分部分项菜单栏或单击右侧模型时，会展示该构件携带的所有信息，如构件信息，选中左幅2#墩中跨2#块，弹出构件信息对话框，包括分布分项名称、混凝土用量及混凝土标号。

点选模型所要查询构件信息，获取构件养护消息和巡检信息，如总承包单位、监理单位、设计单位、和业主单位等管理部门信息，以及巡检时间、人员和采取的措施等。

2、实时监测

当鼠标移至某一传感器时，平台会从数据库中调取相应传感器最近一次的数据采集信息然后以悬浮框的方式展示到该界面，同样该平台会将有效实测数据制成趋势图，查看该传感器实时监测趋势图。

3、监测数据管理

监测数据的管理主要包括预警功能信息的储存和相关传感器信息存储，储存主要包括原始数据的直接储存与整理成报表后的数据储存。

当发现传感器实测值超过预警值后，按角色类型发送预警信息，相关人员收到信息后对该处结构进行分析并做出一定的处理。

五、结论

国内外在交通领域中的BIM 技术应用研究已经有了很大的发展，但是针对运营阶段中质量监测管控软件平台的研发依然处于初步阶段，本文依托重庆三环高速公路江津至綦江段观音店綦江大桥健康监测项目，探索了BIM技术在大跨径连续刚构桥运营监控中的应用。该研究为桥梁运营监控量测信息滞后、数据易伪造、数据分析繁琐等问题提供了新思路。

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