《交通運輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２1）—第一部分橋梁工程篇《基于BIM技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全運營監(jiān)測和大數(shù)據(jù)運行平臺研究》

完成單位：玉溪公路局、北京中交華聯(lián)科技發(fā)展有限公司、昆明安泰得軟件股份有限公司

主要完成人：付彥、楊汝燦、詹松、唐成艷、豐權(quán)章、伊偉剛、郭昊天、付永嘉、馮聰、白檸誠

項目簡介

（一）項目背景

　　為響應(yīng)國家“十三五”規(guī)劃提出實現(xiàn)制造強(qiáng)國和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的發(fā)展進(jìn)程，以及交通運輸部高度重視BIM技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用，玉溪公路局提出“基于BIM技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全運營監(jiān)測和大數(shù)據(jù)運行平臺研究”。依托于云南省公路局新平縣峨德河大橋、華寧縣天生橋6號橋和婆兮大橋，對公路交通網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點上的重要橋梁關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實時狀態(tài)感知，采集橋梁荷載數(shù)據(jù)、內(nèi)力響應(yīng)數(shù)據(jù)、表面形態(tài)數(shù)據(jù)、物理化學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)等信息；及時將感知數(shù)據(jù)信息、日常養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)工程等數(shù)據(jù)集成到BIM模型，整合相關(guān)工程的設(shè)計、施工、運營全生命周期的BIM信息，形成三維數(shù)字建筑信息資源基礎(chǔ)設(shè)施；采用大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和橋梁安全評定方法進(jìn)行病害原因分析，對橋梁安全狀況進(jìn)行可視化評價，獲得橋梁的安全狀況信息，掌握每座橋梁結(jié)構(gòu)的實際安全儲備，避免橋梁在日常使用中發(fā)生災(zāi)難性的后果；通過對公路橋梁的行為感知和狀態(tài)評定，及時對橋梁的維修和養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)資料和決策依據(jù)；通過對感知系統(tǒng)的構(gòu)建和探索，充分利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建更為科學(xué)和完善的橋梁安全感知體系，以提高橋梁運營管理的水平和效率，減少橋梁的管理和養(yǎng)護(hù)成本；通過對不同橋梁數(shù)據(jù)長期的積累分析，為制定橋梁設(shè)計、施工、運營維護(hù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支持；通過本項目的研究，為橋梁養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域培養(yǎng)高素質(zhì)人才。

（二）技術(shù)概況

　　研究的總體技術(shù)路線為：廣泛搜集國內(nèi)外先進(jìn)的橋梁運營安全監(jiān)測方法和BIM在橋梁養(yǎng)護(hù)管理方面的應(yīng)用技術(shù)，并結(jié)合課題組成員多年來在公路橋梁BIM應(yīng)用、檢測、監(jiān)測、以及信息化建設(shè)中積累的豐富經(jīng)驗以及相關(guān)研究成果，在充分理解BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和公路橋梁相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以公路常用橋梁為研究對象，以橋梁的行為感知和預(yù)警技術(shù)作為課題的研究核心，開展項目的研究。

（三）適用范圍

　　應(yīng)用本項目的研究成果，可為有效地進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)感知和異常狀態(tài)預(yù)警提供理論分析和應(yīng)用上的支撐、進(jìn)而及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生。對保障國省干線隧道運營的安全性，避免和減少安全事故，具有重要意義。

（四）獲獎情況

　　《2021年度中國交通運輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)二等獎》

項目創(chuàng)新點

　　（一）公路橋梁狀態(tài)感知指標(biāo)體系：對公路常用橋梁的結(jié)構(gòu)類型、受力形式進(jìn)行分類梳理，結(jié)合對現(xiàn)有橋梁安全監(jiān)測、橋梁安全預(yù)警相關(guān)技術(shù)的分析調(diào)研，以及橋梁養(yǎng)護(hù)管理單位對橋梁關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)的建議和意見，分層建立橋梁狀態(tài)感知預(yù)警指標(biāo)體系，包括環(huán)境、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)受力三大類，總結(jié)歸納常用橋型橋梁狀態(tài)感知指標(biāo)及布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

　?。ǘ┗诖髷?shù)據(jù)橋梁狀態(tài)感知系統(tǒng)：根據(jù)研究確定的感知指標(biāo)，綜合考慮成本控制、性能合理、安裝簡便等方面因素，研究確定基于大數(shù)據(jù)的感知設(shè)備選型與布設(shè)方案。利用橋梁各種傳感器動態(tài)采集交通量荷載信息、橋梁變形、應(yīng)力、振動、位移等信息。同時對國內(nèi)外設(shè)備及同類型設(shè)備進(jìn)行比對試驗，總結(jié)出綜合性能優(yōu)化的橋梁狀態(tài)感知體系布設(shè)推薦方案。

　　（三）公路橋梁結(jié)構(gòu)分級指標(biāo)安全預(yù)警模型：根據(jù)監(jiān)測的公路橋梁結(jié)構(gòu)形式特點，考慮影響結(jié)構(gòu)正常運營狀態(tài)和承載能力的各要素，確定結(jié)構(gòu)的預(yù)警分級指標(biāo)和分析不同預(yù)警級別下的閾值，建立預(yù)警模型；提出公路橋梁不同預(yù)警分級應(yīng)對措施建議。

　?。ㄋ模┗贐IM的橋梁狀態(tài)感知大數(shù)據(jù)安全預(yù)警集成系統(tǒng)：在公路橋梁狀態(tài)感知指標(biāo)體系、感知系統(tǒng)和預(yù)警技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行橋梁安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件集成。運用大數(shù)據(jù)流程，將分散、多樣化的狀態(tài)感知監(jiān)測主數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量清洗，集成及監(jiān)控等操作進(jìn)行優(yōu)化，提升、挖掘主數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值；建立橋梁狀態(tài)感知與評價系統(tǒng)平臺體系架構(gòu)，結(jié)合BIM模型，開發(fā)建設(shè)相應(yīng)的軟件，對橋梁養(yǎng)護(hù)進(jìn)行可視化管理；建成覆蓋養(yǎng)護(hù)工程分類、養(yǎng)護(hù)方案決策、養(yǎng)護(hù)計劃編制、養(yǎng)護(hù)工程施工管理、工程驗收、監(jiān)督檢查管理的養(yǎng)護(hù)全過程“互聯(lián)網(wǎng)+公路養(yǎng)護(hù)”平臺；統(tǒng)一管理各養(yǎng)護(hù)施工單位、管理處巡查中發(fā)現(xiàn)的病害，實現(xiàn)病害上報、審核、監(jiān)測、檢測、養(yǎng)護(hù)、管理、數(shù)據(jù)查詢、匯總和統(tǒng)計等一體化功能，逐步積累和構(gòu)建橋梁結(jié)構(gòu)安全運營養(yǎng)護(hù)監(jiān)測大數(shù)據(jù)。

應(yīng)用案例

　　項目名稱為玉溪公路局峨德河橋營運期監(jiān)控、監(jiān)測系統(tǒng)安裝服務(wù)合同（以下簡稱“該項目”），依托工程為河口大橋（原名峨德河橋），位于云南省玉溪市新平縣。該項目主要包括安裝車輛實時監(jiān)測系統(tǒng)和橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)。通過車輛實時監(jiān)測系統(tǒng)采集車輛數(shù)據(jù),其中包括：可獲得軸載荷、總載荷、軸型、軸間距、總軸距、軸數(shù)、車型、車牌號、通過速度、通過時間、通過車道、違例（超重、超速）、交通流量等13項車輛信息參數(shù)。通過橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)可對橋梁運營過程中橋梁撓度變化狀況進(jìn)行監(jiān)測，可與違例數(shù)據(jù)相互印證。

　　根據(jù)河口大橋結(jié)構(gòu)特點以及該橋梁目前所處道路的運營情況、結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能特點，確定撓度傳感器及動態(tài)稱重傳感器布設(shè)選點。根據(jù)所監(jiān)測指標(biāo)的特點及具體需求，選取從量程、精度和使用條件滿足需要的傳感器，并進(jìn)行安裝布設(shè)和現(xiàn)場組網(wǎng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的傳輸系統(tǒng)由橋梁的外場數(shù)據(jù)采集站和無線(有線)信號傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。外場數(shù)據(jù)采集站有多個數(shù)據(jù)采集模塊組成，模塊將采用先進(jìn)的成熟產(chǎn)品，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性和高精度。根據(jù)橋梁原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及車輛等信息，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實測結(jié)果，在此基礎(chǔ)上與橋梁設(shè)計值進(jìn)行計算比較和分析。

社會效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　本項目研究成果的應(yīng)用可在橋梁結(jié)構(gòu)異常初期及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的處治對策解決出現(xiàn)的問題，可減少相關(guān)管理單位運維過程中的難度；且減少了由于橋梁結(jié)構(gòu)安全的狀態(tài)異常導(dǎo)致對交通網(wǎng)運行影響而引起的經(jīng)濟(jì)損失，因而，項目的研究具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。作為一個基于BIM技術(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)安全運營監(jiān)測和大數(shù)據(jù)運行平臺研究，必須建立綜合評估機(jī)制以反映橋梁運行安全的狀態(tài)，為橋梁的管理養(yǎng)護(hù)提供理論依據(jù)。鑒于監(jiān)測和評估的目的是要找出橋梁的實際安全儲備，以避免橋梁在日常使用中發(fā)生災(zāi)難性的后果，且其與人身安全和財產(chǎn)損失有關(guān)而成為橋梁安全評估的主要內(nèi)容，本項目具有良好的社會效益。