摘 要：采用建築信息模型(BIM)構建了橋梁高精度三維模型直觀還原橋梁結構（gòu）以（yǐ）及周邊環境，並通過研究在BIM 中集成北（běi）鬥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（jī）於BIM 和北鬥技術的三維橋（qiáo）梁（liáng）監測管理方法。利用該（gāi）方法開發了一套橋梁監測管理係統並在貴（guì）州省某大型橋梁上進行了工程示範應用（yòng），試（shì）運（yùn）行結果證明該方法具有良好（hǎo）的應用效果。

截至2016 年末，我國擁有公路橋梁80.53 萬座，其（qí）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（zài）役（yì）橋梁日漸增多，其中超（chāo）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（wēi）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（biàn）形監測的需求也不斷增加[1] 。傳（chuán）統橋梁（liáng）結構健康監測大多采用結構（gòu）局部（bù）或整（zhěng）體動態響應的參量測量（liàng），難以實現真正意義上的麵式或體式測量，且很難完成實時連續的監測[2] 。隨著全球導航衛星（xīng）係統（tǒng）(GNSS)硬件和軟件的不斷發展，GNSS 已成為基礎設施高精（jīng）度變形監測領（lǐng）域的熱門研究方向之一（yī）[3] 。北鬥GNSS 由我國獨立自主開發和（hé）運行，並（bìng）與已有GNSS 兼容[4] ，為GNSS 技術應用於橋梁健康監（jiān）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（cè）方麵展現了獨特的優越性（xìng）[2,5] 。

現有的橋梁監測管理係統多采用二維展（zhǎn）示的（de）模（mó）式，難（nán）以直觀體現橋梁各構件的結構變形，而采用建築信息模型(BIM)技術可構（gòu）建建築物的三維模型，直（zhí）觀展現建築物的各構件[6-9] 。目前，BIM 技術主要應用於橋梁設計（jì）和施工等建造階段[7] 。為了將BIM 技術引入橋（qiáo）梁的（de）管養階段，潘永傑[8] 進（jìn）行了基於BIM 的橋梁建養一體化平台研究;李成濤[9] 等提出了一種基於BIM技術的橋梁病害三維可視（shì）化方案;但目前尚（shàng）無將BIM技（jì）術與北（běi）鬥橋梁變形監測技術相結合的（de）工程應用和文獻報道。因此，本文提（tí）出了一種將北鬥與（yǔ）BIM 技術相結合的方法，並開發了（le）一套高精度三維橋梁監測管理係統，實現了三維橋梁動態在線監測（cè）和管理，並通過工程示範應用進（jìn）行了應用效果驗證。

1 基本原理與方法

1.1 基於北鬥GNSS 的橋梁三維變形監測（cè）

利用北鬥GNSS 進（jìn）行（háng）橋梁（liáng）三（sān）維變形監測的基（jī）本工作流程為：首先由（yóu）北鬥GNSS 監（jiān）測站（zhàn）與基準站接收機實時接收（shōu）北（běi）鬥GNSS 定位信號，采集（jí）並存儲數（shù）據;再通過無線或有線通信網絡將數據發送到監控（kòng）中心（xīn），布設在監控中心的高精度GNSS 數據處理中心係統軟件將對數據進行實時存儲、解算和分析（xī），實現數據綜合管理（lǐ）;最（zuì）終顯示經（jīng）過解（jiě）算分（fèn）析的各監測部位的相對位移數據。

北鬥GNSS 接收機按照相應的采（cǎi）集製度和采（cǎi）樣頻率進行實時數據采集和預處理，通過濾波（bō）、模態等方式對各接收機（jī）的數據進行處理，從而（ér）得到有效的測量（liàng）數據。數據處理分析包含高精度數據解算、中心處理模塊（kuài）、顯示分析模塊等。高精度數（shù）據解算模塊負責監測數據（jù）的解算;中心（xīn）處理模塊負（fù）責各種數據管（guǎn）理、通（tōng）信管理、係統維護、監測預警等;顯示（shì）分（fèn）析模塊主要以圖表方（fāng）式展現和分析監測數據。

1.2 基於BIM 技術的橋梁三維呈現和管理

針對橋梁監測工（gōng）作的BIM 建模，與設計階段建模有所不同，主要體（tǐ）現在（zài）模型所包含的內容和細致程度（dù）方麵。以監測為目的的（de）BIM 模型，需反映結構形體（tǐ）、力學特征（zhēng）、病害分布、維修方案等，而對倒角（jiǎo）、放坡、附（fù）屬構件（jiàn）詳圖（tú）等信息（xī）的要求相對（duì）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（kuò）地理位置、橋梁（liáng）類型、道路等級、荷（hé）載等數據;上部（bù）結構信（xìn）息即主橋結構（gòu）的上部構件;下部結構信息包括主橋的橋台、橋墩等信（xìn）息;橋麵結（jié）構信（xìn）息即描述橋麵的橫斷麵信息等;設計信息包括（kuò）橋梁設計圖紙、檔案編（biān）號、設計以及施工單位等;附屬設（shè）施信息包括橋梁上的照明（míng）設施、鋪裝的各（gè）類管道等信息;經濟指標（biāo）信息包（bāo）括建設費用、材料用量等。對於橋梁的（de）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（mó）質量的前（qián）提下，最大程度地還原設計數據（jù），並且（qiě）具有建模時間短、過程簡單、效（xiào）率高的（de）特點。

2 係統（tǒng）開（kāi）發與驗證

2.1 基於北鬥技術的高精（jīng）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。安裝的北鬥（dòu）基準站和橋梁變形（xíng）監測站布局（jú）如圖1 所示。在橋梁（liáng）5 km 範圍內穩定（dìng）地質結構位置安裝一台基準站;在索塔塔頂安裝一台監測站，用（yòng）於監測索塔的位移情況;在橋梁安裝兩台監測站，用於監測桁（héng）架橋梁的位移情況;在索塔塔基附近安裝一（yī）台監測站，用於監測索塔建成後對（duì）地基地層的影（yǐng）響。

圖（tú）1 基於北鬥技術的橋梁變（biàn）形監測站點布局示意圖

基準（zhǔn）站（zhàn）與（yǔ）監測站將實時觀測數據傳輸（shū）給遠程服務器，服務器通過後處理解算，按照1 h 的間隔輸出精度在mm 級的變形量。從結構上看，橋（qiáo）梁不同位置受內外部影響造成的變形幅度（dù）不同，如1 號監測點位於橋梁底部（bù）地基上，結構本身（shēn）較（jiào）穩定且受（shòu）車輛和風（fēng）力的影響較小，因此變形幅度較小;而3 號監測點（diǎn）位於跨中頂部，受風力、車輛等振動幅度影響較大，因此變形幅度較（jiào）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（zài）連續10 d 內3 個方向變形（xíng）隨時間變化的曲線見圖2，可以（yǐ）看出，3 號（hào）監（jiān）測點變形幅度遠高於1 號監測點，符合事（shì）先定性判斷（duàn）。測試結果表明，該係統可較好地監測橋梁（liáng）運行過程中的實時動（dòng）態變形值，且采用了GNSS 信號的（de）靜態後處（chù）理解算算法[2] ，監（jiān）測精度可（kě）達到mm 級（jí）。

2.2 基於BIM 技術（shù）的（de）三維（wéi）橋梁監測管理平台（tái）

基於（yú）BIM 技術的三維橋梁監測（cè）管理平台是以BIM和三維地形數據為基礎，通過（guò）接入（rù）北鬥GNSS 動態監（jiān）測數據，在BIM 上進行可視（shì）化展示、分析和預警，以實現橋梁（liáng）的三（sān）維（wéi）、實時、動態監測，進而分析橋梁病害與結構變形等（děng）問題。

a 1 號監測點變形曲（qǔ）線

b 3 號監測點變形曲線

圖2 監（jiān）測點3 個方向（xiàng）的變形隨時間變化的曲線（xiàn）圖

該平台的數據內容包括（kuò）場景數據、BIM 基本（běn）數據和動態監測數據（jù）。動態監測數據（jù）主（zhǔ）要為利用北（běi）鬥GNSS係統（tǒng）采（cǎi）集處理後接入到平台中（zhōng）的數據。由於BIM 的信息數（shù）據（jù）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（píng）台時，首先使用多分辨率和簡化的幾何模型，並對模型進行初步測試，以避免（miǎn）由於視距問題導致（zhì）模型簡（jiǎn）化過（guò）度影響效果;再對該模型進行壓縮，以減少存儲空間（jiān）和傳輸時間;最（zuì）後建立該模型的（de）顯示預緩存機製，以提高平台實際應用時（shí）的顯示速度（dù）。

基於（yú）北鬥和BIM 相結合的橋梁監測管（guǎn）理平台主界麵如圖（tú）3 所（suǒ）示。左側頁簽欄中包括導（dǎo）航、橋梁、構件、監視器4 個選項卡;中間麵（miàn）板是三維（wéi）場景和橋（qiáo）梁BIM，包括橋梁單體顯示、橋（qiáo）梁模型、地形顯（xiǎn）示、北鬥（dòu）監測信息顯示等;右側為統計信息（xī）列表。該平台可實（shí）現的功能為：

圖3 係統主界麵

1)模型（xíng）顯示。在三（sān）維場景下顯示橋梁模型時，鼠標點（diǎn）擊橋（qiáo）梁模型部分即可選中（zhōng）模型，並（bìng）以浮雲（yún）框的形式顯示該模型的實時（shí）數據;當點擊關閉模型按鈕後，再點擊橋梁模型的任何部分均不會被選中（zhōng），圖4 為打開橋（qiáo）梁模型時能夠選中的橋（qiáo）梁模型部分。

圖4 BIM 模型（xíng）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（liú）覽其空間（jiān）結構(圖5)。

圖5 橋梁構件獨立顯（xiǎn）示

3)構件的信息展（zhǎn）示。選中構件可展示其建築信息，該功能需（xū）要數據庫支持，為了保證鏈（liàn）接的穩定性，在係統中將數據接口發布為（wéi）Web 服務形（xíng）式。

4)北鬥監測信息（xī）的展示。平台將基於北鬥技（jì）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（shí）現報警的同時快速定位所在位置（zhì）(圖6)。

圖6 北鬥監測信息顯示

3 結　語

本文研究了（le）北鬥（dòu）和BIM 集成（chéng）技術在橋梁（liáng）監測管理中的應用，從橋梁信息模型、北鬥（dòu）GNSS 應用和監測信息三維可視化等方麵討論了橋梁監測工作（zuò）以及北鬥（dòu）與（yǔ）BIM 技術相結合的（de）方法（fǎ），為橋梁監測管理提供了一個綜合的可視化展示平（píng）台（tái）;並（bìng）通過在某大型懸索橋梁示範工程中的成功應用進行了驗證。

END

文章（zhāng）來（lái）源：《地理空間信息（xī）》2018年（nián）第7期

文章作（zuò）者：王裏，孫（sūn）偉，劉玲，劉俊傑，黃莉莉