基于BIM和北斗的三维桥梁监测管理研究

来源：勘测联合网

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摘 要：采用建筑信息模型(BIM)构建了桥梁高精度三维模型直观还原桥梁结构以及周边环境，并通过研究在BIM 中集成北斗高精度监测数据直观展现桥梁各构件的变形情况，提出了一种基于BIM 和北斗技术的三维桥梁监测管理方法。利用该方法开发了一套桥梁监测管理系统并在贵州省某大型桥梁上进行了工程示范应用，试运行结果证明该方法具有良好的应用效果。

截至2016 年末，我国拥有公路桥梁80.53 万座，其中特大桥梁4 257 座，大桥86 178 座，毫无疑问已成为世界第一桥梁大国。同时，我国公路路网中步入维修期的在役桥梁日渐增多，其中超过10 万座桥梁为危桥。为了保证路网畅通和人民财产安全，大量危桥急需进行实时连续的在线健康监测，且随着桥梁跨度、结构和建设材料的不断发展，对桥梁变形监测的需求也不断增加[1] 。传统桥梁结构健康监测大多采用结构局部或整体动态响应的参量测量，难以实现真正意义上的面式或体式测量，且很难完成实时连续的监测[2] 。随着全球导航卫星系统(GNSS)硬件和软件的不断发展，GNSS 已成为基础设施高精度变形监测领域的热门研究方向之一[3] 。北斗GNSS 由我国独立自主开发和运行，并与已有GNSS 兼容[4] ，为GNSS 技术应用于桥梁健康监测提供了新机遇;特别是高采样率接收机的出现，使其在桥梁结构变形监测方面展现了独特的优越性[2,5] 。

现有的桥梁监测管理系统多采用二维展示的模式，难以直观体现桥梁各构件的结构变形，而采用建筑信息模型(BIM)技术可构建建筑物的三维模型，直观展现建筑物的各构件[6-9] 。目前，BIM 技术主要应用于桥梁设计和施工等建造阶段[7] 。为了将BIM 技术引入桥梁的管养阶段，潘永杰[8] 进行了基于BIM 的桥梁建养一体化平台研究;李成涛[9] 等提出了一种基于BIM技术的桥梁病害三维可视化方案;但目前尚无将BIM技术与北斗桥梁变形监测技术相结合的工程应用和文献报道。因此，本文提出了一种将北斗与BIM 技术相结合的方法，并开发了一套高精度三维桥梁监测管理系统，实现了三维桥梁动态在线监测和管理，并通过工程示范应用进行了应用效果验证。

1 基本原理与方法

1.1 基于北斗GNSS 的桥梁三维变形监测

利用北斗GNSS 进行桥梁三维变形监测的基本工作流程为：首先由北斗GNSS 监测站与基准站接收机实时接收北斗GNSS 定位信号，采集并存储数据;再通过无线或有线通信网络将数据发送到监控中心，布设在监控中心的高精度GNSS 数据处理中心系统软件将对数据进行实时存储、解算和分析，实现数据综合管理;最终显示经过解算分析的各监测部位的相对位移数据。

北斗GNSS 接收机按照相应的采集制度和采样频率进行实时数据采集和预处理，通过滤波、模态等方式对各接收机的数据进行处理，从而得到有效的测量数据。数据处理分析包含高精度数据解算、中心处理模块、显示分析模块等。高精度数据解算模块负责监测数据的解算;中心处理模块负责各种数据管理、通信管理、系统维护、监测预警等;显示分析模块主要以图表方式展现和分析监测数据。

1.2 基于BIM 技术的桥梁三维呈现和管理

针对桥梁监测工作的BIM 建模，与设计阶段建模有所不同，主要体现在模型所包含的内容和细致程度方面。以监测为目的的BIM 模型，需反映结构形体、力学特征、病害分布、维修方案等，而对倒角、放坡、附属构件详图等信息的要求相对较低。监测阶段的桥梁BIM 基本数据大体可分为7 类：整体信息包括地理位置、桥梁类型、道路等级、荷载等数据;上部结构信息即主桥结构的上部构件;下部结构信息包括主桥的桥台、桥墩等信息;桥面结构信息即描述桥面的横断面信息等;设计信息包括桥梁设计图纸、档案编号、设计以及施工单位等;附属设施信息包括桥梁上的照明设施、铺装的各类管道等信息;经济指标信息包括建设费用、材料用量等。对于桥梁的BIM 构建，采用参数化的建模方法，三维参数化建模能在保证建模质量的前提下，最大程度地还原设计数据，并且具有建模时间短、过程简单、效率高的特点。

2 系统开发与验证

2.1 基于北斗技术的高精度变形监测站

本文以贵州某一在运营的悬索桥为监测对象，对该桥的索塔塔顶、跨中、索塔地基进行监测。安装的北斗基准站和桥梁变形监测站布局如图1 所示。在桥梁5 km 范围内稳定地质结构位置安装一台基准站;在索塔塔顶安装一台监测站，用于监测索塔的位移情况;在桥梁安装两台监测站，用于监测桁架桥梁的位移情况;在索塔塔基附近安装一台监测站，用于监测索塔建成后对地基地层的影响。

图1 基于北斗技术的桥梁变形监测站点布局示意图

基准站与监测站将实时观测数据传输给远程服务器，服务器通过后处理解算，按照1 h 的间隔输出精度在mm 级的变形量。从结构上看，桥梁不同位置受内外部影响造成的变形幅度不同，如1 号监测点位于桥梁底部地基上，结构本身较稳定且受车辆和风力的影响较小，因此变形幅度较小;而3 号监测点位于跨中顶部，受风力、车辆等振动幅度影响较大，因此变形幅度较大。本文分别以1 号监测点和3 号监测点为小变形和大变形的代表，这两个监测点在连续10 d 内3 个方向变形随时间变化的曲线见图2，可以看出，3 号监测点变形幅度远高于1 号监测点，符合事先定性判断。测试结果表明，该系统可较好地监测桥梁运行过程中的实时动态变形值，且采用了GNSS 信号的静态后处理解算算法[2] ，监测精度可达到mm 级。

2.2 基于BIM 技术的三维桥梁监测管理平台

基于BIM 技术的三维桥梁监测管理平台是以BIM和三维地形数据为基础，通过接入北斗GNSS 动态监测数据，在BIM 上进行可视化展示、分析和预警，以实现桥梁的三维、实时、动态监测，进而分析桥梁病害与结构变形等问题。

a 1 号监测点变形曲线

b 3 号监测点变形曲线

图2 监测点3 个方向的变形随时间变化的曲线图

该平台的数据内容包括场景数据、BIM 基本数据和动态监测数据。动态监测数据主要为利用北斗GNSS系统采集处理后接入到平台中的数据。由于BIM 的信息数据量大，占据极大内存[6] ，因此为了保证模型的显示效率，在开发平台时，首先使用多分辨率和简化的几何模型，并对模型进行初步测试，以避免由于视距问题导致模型简化过度影响效果;再对该模型进行压缩，以减少存储空间和传输时间;最后建立该模型的显示预缓存机制，以提高平台实际应用时的显示速度。

基于北斗和BIM 相结合的桥梁监测管理平台主界面如图3 所示。左侧页签栏中包括导航、桥梁、构件、监视器4 个选项卡;中间面板是三维场景和桥梁BIM，包括桥梁单体显示、桥梁模型、地形显示、北斗监测信息显示等;右侧为统计信息列表。该平台可实现的功能为：

图3 系统主界面

1)模型显示。在三维场景下显示桥梁模型时，鼠标点击桥梁模型部分即可选中模型，并以浮云框的形式显示该模型的实时数据;当点击关闭模型按钮后，再点击桥梁模型的任何部分均不会被选中，图4 为打开桥梁模型时能够选中的桥梁模型部分。

图4 BIM 模型显示

2)构件的独立浏览模式。选择了特定的桥梁构件，即能进入该构件，独立浏览其空间结构(图5)。

图5 桥梁构件独立显示

3)构件的信息展示。选中构件可展示其建筑信息，该功能需要数据库支持，为了保证链接的稳定性，在系统中将数据接口发布为Web 服务形式。

4)北斗监测信息的展示。平台将基于北斗技术的桥梁传感器模型融入BIM 中，可根据JTG/TH 21- 2011《公路桥梁技术状况评定标准》设置一定的预警值，实现报警的同时快速定位所在位置(图6)。

图6 北斗监测信息显示

3 结　语

本文研究了北斗和BIM 集成技术在桥梁监测管理中的应用，从桥梁信息模型、北斗GNSS 应用和监测信息三维可视化等方面讨论了桥梁监测工作以及北斗与BIM 技术相结合的方法，为桥梁监测管理提供了一个综合的可视化展示平台;并通过在某大型悬索桥梁示范工程中的成功应用进行了验证。

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文章来源：《地理空间信息》2018年第7期

文章作者：王里，孙伟，刘玲，刘俊杰，黄莉莉

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