BIM技术在桥梁承载力评定中的应用

2018-09-13陈志为

建筑科学与工程学报 2018年5期

陈志为，陈宇，吴焜，黄颖

(1. 厦门大学建筑与土木工程学院，福建厦门 361005； 2. 厦门大学厦门市交通基础设施智能管养工程技术研究中心，福建厦门 361005； 3. 福建船政交通职业学院，福建福州 350000)

0 引言

在环境腐蚀、材料老化、疲劳效应以及突变效应等不利因素的耦合作用下，桥梁将不可避免地发生结构损伤累积和抗力衰减，甚至有可能引发重大事故。中国现有83.25万座公路桥，大规模的桥梁建设之后，随之而来的是桥梁运营管理，如何保障服役期内桥梁的安全性是关键问题。面对遍布于公路交通网的众多既有桥梁，准确评定桥梁的服役性能具有重要的社会意义和经济价值。

经过多年探索，国内外已提出多种桥梁状态评定方法[1-5]。在工程实践中，桥梁承载力是评定桥梁安全性的重要指标，荷载试验是相对可靠的桥梁承载力评定方法[6]。基于荷载试验的桥梁承载力评定尤其是在试验信息管理方面仍然存在着明显的不足，例如：①通常采用图纸或文字形式描述试验工况，难以准确且形象地显示测点分布及重车布载位置；②试验信息录入与存档不同步，在信息迁移过程中易出现差错；③试验报告涉及的信息冗杂且分散，读报告获取关键信息的效率低；④不同时间节点的试验信息未做集成，难以依据检测历史记录对桥梁承载力的变化趋势做出准确分析与预测。

BIM技术兴起于建筑工程行业，旨在通过对信息的更有效管理，改变行业内各生产环节配合不利、效率低下的局面。BIM技术可贯穿于工程项目全生命周期，是一种可将生产、交流、分析流程信息模型化的技术[7-8]。通过BIM技术，可构建整个工程项目生命周期的数据信息库，实现不同阶段不同专业间的信息集成和共享[9-10]。近年来，美国和新加坡已颁布了BIM国家标准[11]；英国在2017年也实现了政府工程皆采用合作式3D BIM，以利于政府资产维护管理；中国在2017年也颁布了《建筑信息模型应用统一标准》。在不久的未来，更智能化的BIM模型可能会替代图纸文件，工程建设行业将朝着无纸化方向发展[12]。桥梁作为交通基础设施的重要部分，在设计、施工、运营维护阶段都面临大量的数据管理和分析工作，BIM技术可为其提供高效的信息管理解决方案。近年来，BIM技术发展迅速，已被成功地应用到工程设计[13-15]、施工管理[16-19]、模拟分析[20-23]等领域，但是尚未有研究将BIM技术与桥梁承载力评定相结合，以解决桥梁静载试验信息管理中存在的问题。

本文将BIM技术应用于桥梁承载力评定，建立了一套包含模型信息管理、试验信息管理和桥梁承载力评定模块的桥梁安全评定系统。模型信息管理模块可实现BIM模型创建和有限元模型转换功能；试验信息管理模块可实现静载试验工况模拟和试验实测信息管理功能；桥梁承载力评定模块可实现桥梁承载力评定和历史记录对比分析功能。通过实桥案例验证，将该系统应用到一座预应力混凝土T形刚构桥。

1 系统框架

《公路桥梁承载能力检测评定规程》(简称《规程》)说明实施荷载试验的目的为：通过对桥梁施加静力荷载作用，测定桥梁结构在试验荷载下的结构响应，并据此确定验算系数重新进行承载能力验算或直接判定桥梁承载能力是否满足要求[19]。静力荷载试验结构校验系数是该方法最主要的评价指标，可直观反映桥梁实际状态与理论状态的关系。试验荷载作用下主要测点的结构校验系数ξ可按如下公式计算

(1)

式中：Se为实测弹性变位或应变值；Ss为理论计算变位或应变值。

根据《规程》，结构校验系数介于0.8～1.0代表实测结果已接近于理论计算结果；若校验系数大于1.0，应判定桥梁承载能力不满足要求。

通过桥梁静载试验确定结构校验系数，通常有以下步骤：①现场试验前，建立桥梁受力分析模型，确定静力试验荷载和重车布载工况；②确定桥梁加载的控制截面(如跨中、支座等)和测点位置，现场布置应变和挠度传感器；③在不同车辆布载工况下，采集测点的应变和挠度实测值；④通过桥梁受力分析模型，计算测点位置的应变和挠度理论值；⑤确定静载试验的结构校验系数，得到承载力评定的部分结论。因此，基于静载试验的桥梁安全评定通常需要以下信息：①桥梁有限元分析模型及其在静载作用下的应变、挠度理论值；②传感器测点和检测车布载的空间位置信息；③不同工况下的桥梁测点应变、挠度实测值。

鉴于此，基于BIM技术建立一套桥梁承载力评定系统，系统框架如图1所示，该系统框架包括4个层级：数据层、模型层、技术层和应用层。

数据层：通过SQL Server数据库管理系统建立底层数据库，上传数据包括桥梁技术信息和静载试验信息，其中试验信息含有传感器信息以及加载工况信息。

模型层：BIM模型是工况模拟、试验信息管理、评定结果呈现的重要载体与平台。采用AutoDesk Revit创建BIM模型，将静载试验相关信息集成在模型中，并与数据库相关联。

技术层：通过Revit提供的应用程序编程接口API，使用.NET兼容的语言(如C#语言)可做后续开发[20]。SQL Server数据库和Revit均支持C#语言，通过Winform开发人机交互界面，可较好地实现信息交互和功能协调。

应用层：系统的应用层包括模型信息管理、试验信息管理和桥梁承载力评定3个模块。模型信息管理模块包括BIM模型的创建和有限元模型的转换。创建桥梁与车辆模型是静载试验信息管理的基础。基于BIM模型快速转换生成的有限元模型，可提供各工况在不同测点的理论计算值。试验信息管理模块包含试验工况模拟和试验实测信息管理。试验工况模拟可重现静载试验各工况的车辆、传感器布置方案。试验实测信息管理对各工况和测点信息进行管理，是桥梁承载力评定的数据基础。桥梁承载力评定模块是根据试验实测和模型计算信息评定桥梁承载力，并对历史试验数据进行对比分析。

2 模型信息管理

模型信息管理包括BIM模型和有限元分析模型管理。现阶段，由BIM软件建立的模型普遍还不具备结构受力分析功能。为了拓展该项功能，本文以BIM建模软件Revit和有限元分析软件ANSYS为研究对象，通过编写相应的接口程序，实现由BIM模型向有限元模型的自动转换。

2.1 BIM模型的创建

2.1.1 待检桥梁模型

桥梁BIM模型通过参数化构件建模完成，构件是族的具体实例，族的设计是桥梁BIM模型的关键。族的创建步骤大致包括：建立参照平面，绘制构件轮廓线，通过拉伸、放样、融合等命令生成三维实体模型，对关键尺寸进行注释，添加桥梁结构的技术参数。通过输入具体参数生成各构件，组合各构件，完成桥梁BIM模型创建。

2.1.2 检测车辆模型

为实现加载车辆信息的三维可视化，需要创建加载车辆族。车辆模型需要添加的参数有车牌号、车辆载重以及车辆轴距。车牌号用以区分不同车辆，车辆载重反映荷载值，车辆轴距用于反映荷载分布位置。

2.2 BIM模型向有限元模型的转换

2.2.1 几何信息提取

提取Revit模型的几何信息后，通过构件关键点在ANSYS软件自动生成几何实体。该方式对于转换形状规则的构件模型有较高的工作效率，但若构件模型形状复杂(如变截面异形构件)则不再适用。本研究采用另一种方法：首先获取Revit构件模型，从中提取几何信息并转换成SAT数据格式；再通过边界表达BREP描述ANSYS几何实体模型；最后将获取得到的几何实体模型编译成APDL命令流。

2.2.2 物理信息的提取

除了含有大量的几何信息，BIM模型还在对象属性中存储了有限元建模所需的非几何信息。桥梁有限元分析，需要从存储的非几何信息中提取可用于结构分析的相关物理信息，包括密度、泊松比、弹性模量、剪切模量等。

2.2.3 几何与物理信息匹配

通过上述方法，可实现Revit模型的几何信息与物理信息的提取与转换。除此以外，建立结构有限元模型之前，需要完成以上2类信息的匹配。实现信息自动匹配的步骤有：①赋予每个生成的ANSYS几何实体模型编号，以此关联Revit构件模型；②根据Revit构件模型的物理参数，赋予相关联的ANSYS几何实体模型对应的材质编号；③找出ANSYS中具有相同材质属性(同一材质编号)的构件，赋予其材质编号对应的物理信息。

3 试验信息管理

静载试验过程需记录在各工况的检测车空间分布、轴距和轴重信息、传感器布置在桥梁结构的空间信息，实测不同工况下的挠度和应力信息。

3.1 静载试验工况模拟

基于BIM模型模拟静载试验工况，主要工作包括在桥梁BIM模型上布置静载试验所涉及的应变和挠度传感器，以及不同工况的检测车布置。

为了便于查看和编辑，静载试验中各类工况的检测车辆布置采用平面布置结合三维视图的方式。首先在二维平面上完成车辆布置，然后同步更新三维视图。车辆布置完成后，既可通过筛选器在三维视图中确认总体布置情况，还可通过查询平面布置图，获取车辆具体尺寸、位置信息。

在桥梁BIM模型布置传感器的具体步骤为：①确定目标结构构件，选择传感器所在结构表面；②划分网格，拾取传感器在桥梁结构中相应的节点位置；③将传感器添加到桥梁结构,自动获取其ID。

3.2 试验实测信息管理

基于静载试验评定桥梁承载力需要不同车辆布载工况下传感器测点的应变和挠度实测值。因此，针对布置在桥梁BIM模型上不同位置的传感器，还需进一步录入静载试验各工况下的实测应变和挠度结果。

通过表1所示的控件，完成静载试验实测信息录入界面的设计：通过下拉选择框可选择不同工况；采用文本框录入试验实测值；通过执行按钮触发信息的上传、修改、删除等操作；通过标签添加文本注释；用数据列表视图查看上传至数据库的试验信息；通过分页控件选择传感器类型。

表1 信息录入界面的控件Tab.1 Control of Information Entry Interface

基于SQL Server数据库，进行试验实测信息管理，具体功能包括信息添加、查询、修改和删除。信息添加可将录入的信息上传数据库。信息查询通过选择目标工况和传感器，在数据列表视图中显示已录入的信息记录。信息修改以传感器ID和工况为索引，修改后数据库中信息同步更新，并在数据列表视图中显示。

4 桥梁承载力评定

结合BIM技术实现桥梁承载力评定的具体步骤包括：①调用试验信息管理模块，获取检索测点传感器信息以及不同工况的检测车位置和轴重信息；②调用模型信息管理模块获取有限元模型，根据测点和检测车信息设置不同工况下的荷载输入与响应输出，模型分析得到各工况不同测点的理论计算变位或应变值；③调用试验信息管理模块，获取式(1)中各工况不同测点的实测弹性变位或应变值；④通过各测点的理论值和实测值，计算式(1)的结构校验系数，并根据《规程》相关规定进行桥梁承载力评定。

根据各测点的结构校验系数，系统可自动筛选系数超过所设阈值的测点，显示该测点的传感器ID，通过BIM模型可定位传感器及其依附的结构构件，并将评定结果上传至信息数据库，如表2所示，该数据库存储的信息包括传感器ID、工况描述、测点理论值、测点实测值、结构校验系数以及超限判断。添加传感器至结构构件时，系统可自动识别并获取传感器ID；结构校验系数是测点实测值和理论值之比，需通过计算确定；比较结构校验系数和预设的阈值，可判断桥梁承载力是否满足要求。

表2 评定信息数据库Tab.2 Evaluation Information Database

桥梁使用周期内每次承载力评定的信息都存储在数据库，每次评定均对应一张信息数据表。通过选择桥梁评定时间与测点传感器ID，可以对比最近一次和历史的桥梁静载试验结果。若发现数据发生异常变化的测点，可获取数据库中该测点的试验历史记录，绘出数据变化趋势图，可为维修与养护提供决策依据。

5 实例验证

前文基于BIM技术建立了桥梁承载能力评定系统，可实现模型信息管理、试验信息管理和桥梁承载力评定功能。为了检验该系统的实际可行性，将其应用到一座58 m+3×144 m+58 m的预应力混凝土T形刚构桥。

5.1 桥梁BIM模型与有限元模型

采用参数化设计方法创建桥梁BIM模型，该桥的上部结构采用箱梁截面，如图2(a)所示，创建了箱梁族通过参数化设计定义构件的几何轮廓，然后根据箱梁实际准确模拟顶板、底板的弧度和棱角，箱梁截面沿桥梁纵向采用渐变截面。图2(b)为生成的其中一段主跨箱梁模型。预应力混凝土T形刚构桥的BIM模型如图3所示。

运行BIM模型向有限元模型转换接口程序，可自动提取并匹配BIM模型的桥梁几何信息和物理信息，并生成有限元模型的APDL命令流文件。通过ANSYS软件调用命令流文件，可直接创建如图4所示的桥梁有限元模型。

5.2 静载试验工况模拟与信息管理

通过选择试验日期和指定工况，BIM模型可显示该工况的检测车辆布置情况，如图5(a)所示。通过桥梁BIM模型，可以准确定位静载试验涉及的所有传感器，如图5(b)所示，并可通过ID查询传感器信息。通过BIM模型，还可查询检测车辆轴重、轴距、车牌号等信息，如图5(c)所示。

实测信息管理包括各测点传感器信息的录入、上传、查询、更新和删除等，如以某工况应变传感器的实测信息管理为例，首先在BIM模型三维视图中选择需要管理的应变传感器，自动获取其ID并进入管理界面；其次，选择对应工况，录入测点的实测值，完毕后上传至数据库；此外，上传之后的信息记录可通过工况查询，错误的信息记录可以进行修改或删除，如图6所示。

5.3 桥梁承载力评定

根据静载试验记录的检测车位置、轴重和轴间距信息，模拟检测车队对桥梁的静力效应，简化桥梁在有限元模型相应位置施加竖向荷载，如图7所示。根据静载试验记录的传感器信息，输出有限元模型在对应传感器位置的挠度和应变。通过有限元模型分析，可得到各工况不同测点的理论计算变位或应变值。

该系统仅需选择静载试验场次与加载工况以及待评定的传感器类型，便可实现桥梁承载力的自动评定，并以图表形式呈现评定结果。图8展示了某桥梁静载测试所有应变关键测点信息，包括传感器ID、测点理论值、测点实测值、校验系数、超限判断等。图8中2幅折线图分别为拉、压应变测点的理论值与实测值，横轴表示测点传感器ID，纵轴表示应变值。由于该工况所有关键测点实测值的绝对值均小于理论值，计算得到的结构校验系数均小于1.0，故从该项指标判断桥梁承载力可满足要求。

该系统可以方便地查询桥梁承载力评定的历史记录，并直观地比较任意2次评定结果。通过在分析界面上选择2017年与2015年的2次静载试验，并选择工况1-1中所有拉应变的测点，可得到不同测试时点的结构校验系数比较结果，如图9所示。由图9可知，2017年的校验系数值相比2015年有增加趋势，并且某些传感器测点的校验系数已接近于1.0的限值，应建议桥梁管养部门给予足够重视。