秦中远
（苏州市高速公路管理有限公司 江苏苏州 215000）
1.1 BIM应用背景
既往桥梁监测与养护评估系统使用过程中，其监测数据往往不能直观展示，不利于管理人员进行桥梁养护，需要探索一种新的监测系统，使其监测信息比较容易供管理人员使用［1］。BIM由于其三维可视化属性和强大的信息集成能力，对于桥梁监测信息表达方式提供了有利条件。因此，目前开始将桥梁健康监测数据与视化技术BIM技术相结合，利用BIM技术作为媒介，可视化展示监测信息，有效提高了养护管理人员的效率［2］。
1.2 BIM应用概述
建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）是一种数据化工具，可用于工程设计与建筑建造，将建筑与工程建造的相关数据集中到管理系统中来，从而形成数据模型，并在系统内传递数据信息，维护运行项目的相关参数明细，形成建筑工程完整的运行流程［3］。工程技术人员可以通过系统参数和信息及时了解项目的整体状况，提高处理效率，拓宽沟通渠道。
在桥梁监测中，BIM 系统将桥梁的各类数据信息存储起来，通过数字技术手段来实现，每一个工程项目的基础都是这个数据信息模型，每一项业务处理，每一个工作流程，都在系统中流转和记录。桥梁信息数据模型并不是单纯将数据进行集合，它也是一种信息化模式，能够加强数据信息的使用方式和适用面，在桥梁健康监测及养护管理中，能够使用数字化的方式来进行展现，提高了桥梁监测及运维管养的效率及质量［4］。
1.3 BIM应用思路
1.4 BIM模型建立
通过专业BIM建模软件，依据工程应用需求，建立桥梁的BIM模型。本项目BIM模型满足桥梁监测的运营需求，将桥梁构件及相关传感器的数据信息及属性导入BIM模型［6］。
模型创建完成后，通过系统管理平台与建模软件之间的格式互通插件，转换成平台可以接收的模型格式，通过系统平台的模型导入功能，将格式转换后的模型导入到平台中进行后期的应用。
（1）模型轻量化处理：模型创建完成后，通过系统管理平台与建模软件之间的格式互通插件，实现模型格式的轻量化转换，去除模型多余的图形信息及冗余信息，但保留属性信息，即进行轻量化处理。轻量化转化可独立进行，不依赖于外部服务，通用自有BIM转化平台实现模型转化，可确保模型等相关数据信息的保密性。（2）模型三维浏览导航：导入的模型使用系统平台自带的模型浏览导航工具对项目模型进行浏览观察。（3）集成：模型构件信息可与结构信息、监测信息等进行集成合并，实现多维信息与BIM 模型的管理与集成。
1.5 BIM监测管理
桥梁健康监测系统应基于BIM技术建立三维数字模型，实现桥梁监测的可视化管理，通过桥梁的三维BIM模型显示监测相关信息，包括传感器的编号、状态（正常或异常）、位置、类型（传感器名称）、数据（当前实时数据）、监测参数名称等信息。
张家港特大桥位于G15W-常台高速，建成于2003年12月，全长1007.56m，全桥共计37 跨，桥布置为7×25m 预应力混凝土T 梁+7×25m 预应力混凝土T 梁+7×25m 预应力混凝土T 梁+（40+70+40）m 预应力连续箱梁+7×25m 预应力混凝土T 梁+6×25m 预应力混凝土T梁。
上部结构：预应力混凝土T 梁、预应力连续箱梁，GJZF4350×650×67 支座、GPZ12500DX 支座、GPZ12500GD 支座、TCYBF4Φ350×53 支座、TCYBΦ 400×75支座。
下部结构：桩柱式桥台，钻孔灌注基础。
墩伸缩缝：沥青混凝土铺装，D80、D160 型毛勒伸缩缝。
从2006年至今，我国秸秆直燃发电并网装机规模每年以26%的平均增速快速上升。经过十几年的发展，行业集中程度逐渐提高，先后形成以凯迪、国能为龙头，琦泉、光大、理昂等规模较大的企业、5大电力集团下属新能源企业以及众多参与者并存的市场格局。2015年，随着地方政府加大环境治理和秸秆田间禁烧力度，在鼓励秸秆综合利用政策的驱动下，秸秆直燃发电技术再次受到关注，除老牌企业继续扩张外，长青集团、上海电气、理昂生态、光大国际、北控集团等企业均加入了市场布局[20-23]。
3.1 模型建立
根据《省道主干线高速公路苏嘉杭线（B4标）K18+100～K23+000工程竣工图第三册》（路桥集团第一公路工程局，2003.5），采用有限元软件，建立了张家港特大桥计算分析模型进行结构验算。有限元模型如图1所示。
图1 张家港特大桥结构有限元仿真分析模型
模型参数如下：（1）主桥箱梁采用C50 混凝土，主墩墩身采用C30 级混凝土，桩基采用C25 级混凝土；
（2）预应力钢绞线采用Φj15.2高强度低松弛钢绞线（标准强度1860MPa）。
3.2 结构响应特征
张家港特大桥结构健康监测针对运营期的结构安全监测管理，传感器布置的初始状态即为结构的成桥状态，因此，单就各个监测项目而言，相关监测物理量均为成桥状态下的变化量。因此，在布置相关测点时，应综合考虑结构成桥内力状态，并以后期运行荷载作用下结构响应较为明显区域为指向灵活布置。
张家港特大桥在活载作用下结构响应特征主要包括如下方面。（1）张家港特大桥边中跨比略偏小，导致活载作用下中跨跨中正弯矩偏大，中跨下挠较明显。（2）在活载作用下，结构正弯矩以中跨跨中截面、边跨跨中附近截面最大，中跨L/4截面次之；
结构负弯矩以中支点截面最大。（3）在活载作用下，结构正应力以边、中跨跨中区域最大。（4）在活载作用下，结构挠度以中跨跨中截面最大，中跨L/4截面和边跨跨中附近截面次之。（5）使用荷载作用下，结构主拉应力在中跨L/4附近截面最大，边跨L/4附近截面次之。
根据有限元模型分析结果及定检资料整理结果，张家港特大桥结构健康监测重点区域为主跨跨中和四分点、边跨跨中附近、中支点墩顶等区域。
张家港特大桥各个监测项目主要使用的监测设备如表1所示。
表1 张家港特大桥结构健康监测主要设备表
4.1 应力（温度）监测
根据张家港特大桥结构有限元计算结果、实际工程经验及相关规范要求，选取监测桥梁主跨跨中、1/4和3/4 跨截面、边跨跨中截面等5 个截面，每个截面布置5 个测点，左右幅桥梁对称布置，全桥共计50 个测点。
4.2 桥梁线形监测
张家港特大桥根据结构受力响应特征分析结果，结构线形监测测点应确保对应监测结果能表征最大变形量。根据结构分析、仪器算法校准，本桥在主桥中跨8 分点布置实时线形监测测点，即每一幅桥梁中跨布置测点9个，全桥共计布置18个桥梁线形监测测点。
4.3 结构裂缝监测
既有结构裂缝监测测点现场布置按照以下条件优选。（1）应优先选择形态相对严重的裂缝，如缝宽较大、缝长较长等。（2）应优先选择与结构受力性能相关的裂缝。
结合本次定期检测的结果，选择结构主拉应力较大区域（边、中跨L/4 截面附近）、正负弯矩较大区域（边、中跨跨中截面附近，中支点截面附近区域）布设裂缝计，全桥共计30 个测点，对结构裂缝进行长期实时监测。
4.4 交通荷载监测
交通荷载监测现场布置按照以下条件优选。（1）断面布置于桥头附近断面（路面）处。（2）断面所在路面纵坡宜与桥上相近。（3）断面所在道路前后100m 范围路面平整度等行驶条件与桥上相同。（4）断面不宜布置于弯道、车流汇交口、交叉路口、车辆变道区等影响车辆正常行驶的区域附近。
根据现场道路交通环境踏勘结果，结合桥梁通行车辆交通流向分布情况，张家港大桥所处道路整体平曲线较大，无急弯，西侧（大桩号侧）整体道路平顺，东侧（小桩号侧）桥头已有交警监控设备，应避免设备设置冲突。因此，在张家港特大桥西侧桥头道路区段布置交通荷载监测系统，含行车道和紧急停靠车道，共计双向6 个车道，对应称重断面距离桥梁伸缩缝距离约20m，桩号K17+050。
监测系统由诸多子系统及功能模块组成，若各子系统及功能模块均采用各自的用户界面子系统，用户操作就极为不便，因此，必须建立统一的用户界面子系统。基于BIM的用户界面子系统主要实现如向用户提供操作及管理界面、向用户提供数据展示、提供系统的远程访问接口、向用户提供报告等功能。
基于BIM 的用户界面子系统本着功能强大、使用方便、简洁高效、面向管理、兼顾专业的原则进行设计，该子系统中主要包含一个界面框架和多个功能模块，分别是设备状况、实时数据显示、监测预警情况查询、数据分析功能、年度报表功能等。
该子系统部署在Web 服务器上，采用Java 语言开发，该软件系统运行在WebLogicJ2EE 容器中，通过集群方式，提高系统并发的访问能力。由于基于BIM 的用户界面子系统需要用户远程访问，所以，该子系统采用基于B/S 软件架构方式，能够满足系统的运行特点和功能要求。张家港大桥BIM监测系统用户界面如图2所示。
图2 B IM 的用户界面子系统
本阶段，张家港特大桥健康监测系统传感器子系统、数据采集子系统等均正常工作。融合结构安全监测数据及人工外观检测结果，张家港特大桥主桥总体技术状况评定为2 类。各监测项及人工检查结论如下。
（1）结构线形：实时位移测点数值稳定，将滤波分析得到的车载位移实测值和监测车载位移理论值进行对比分析，计算结果表明，与设计刚度相比，桥梁结构实际刚度具有一定的安全储备。（2）桥面线形：桥面线形测量值与历年桥面线形测量值相比有所波动，但变化量较小，变形趋于平稳。（3）结构应力（温度）：当前荷载作用下，各应力测点数据较为平稳，温度监测数据随环境变化正常。（4）结构裂缝：既有裂缝监测测点数据平稳，未见裂缝进一步发展。（5）交通荷载：结构关键控制截面效应计算结果分析表明，当前阶段，桥梁实际车辆荷载通行水平未超出设计状态。（6）人工检查：顶板存在纵向裂缝，箱外底板存在纵向裂缝、横向裂缝，主桥箱梁腹板存在纵向裂缝、斜向裂缝，支座钢构件存在锈蚀，伸缩缝槽口堵塞、锚固区混凝土开裂、橡胶条损坏。
苏嘉杭高速公路张家港特大桥桥梁监测数据接入系统平台完毕，开始试运行。目前，张家港特大桥桥梁健康监测系统运行状态良好。
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