桥梁维护的现在与未来 ——台湾桥梁维护与无人机应用研究

来源：桥梁杂志

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台湾桥梁近3万座，分布密度高，使桥梁维护成为管理单位的重要课题。台湾现行的桥梁维护及检测技术主要仍为传统方式，而无人机的应用研究则整合了低价位无人飞行载具UAV及相关软硬件设备，开发出了桥梁检测模块，展望未来的桥梁维护，可运用新科技大幅提升桥梁检测安全及作业质量效率。

台湾桥梁约2.9万座，总长超过2070公里，平均每平方公里约0.8座桥，分布密度远超许多先进国家（日本约0.4座，美国约0.1座），加上台湾70%为山地丘陵，大部分桥梁又分布于其余30%的平地上，从而使得实际的桥梁密度更高。桥梁管养单位分别为高公局、公路总局、营建署、台铁局及各县市政府，而高铁桥梁维护则由BOT厂商台湾高铁公司负责。

台湾桥梁所处环境受人为外力及天然灾害频繁所致，加上桥梁管养单位人力不足，维修补强经费有限，使得桥梁劣化的情形较国外桥梁严重。桥梁维护依据《公路养护规范》《公路钢结构桥梁检测及补强规范》以及《公路钢筋混凝土结构桥梁的检测及补强规范》的规定，桥梁养护首重检测，各桥梁管理机关除应适时针对所辖桥梁实施检测作业外，并应针对损坏部分采取适当维修对策，以便维护行车安全。桥梁维护程序可分为检测、设计及施工3个阶段——

1.检测

维护单位公开招标委托顾问机构负责桥梁检测及安全能力评估工作，安全能力评估包括承载力、耐震力、耐久力及耐洪力。根据检测结果拟定维修、补强或改建顺序，若维修费用超过50%改建费用，则以改建处理。

2.设计

维护单位公开招标委托顾问机构负责桥梁维修、补强、改建设计，补强包含结构老旧补强及耐震补强。

3.施工

维护单位公开招标委托营造公司负责维修、补强、改建施工。

桥梁检测方法

桥梁检测作业可分成经常巡查、定期检测及特别检测三类。经常巡查是于平时以乘车目视方式所实施的经常性检查。定期检测是透过步行、攀爬、作业车辆或船只等方式，尽可能接近桥梁构件后，以目视判定桥梁状况的定期性检测。特别检测是重大事故或灾害发生后（四级以上地震，或台风、暴雨、冲刷等），为了解损伤程度而实施的不定期目视检测。

桥梁检测以目视为主，仪器为辅，一般进行检测作业时，多以徒步及攀爬方式尽可能接近桥梁结构物后，再以目视判定桥梁状况。如遇高桥墩或跨河桥梁时，虽可利用桥梁检测车、高空作业车或小型船艇辅助趋近。对于车流量大或偏远山区桥梁而言，检测车体积较大、操作费时且成本较高，如图1、图2。

图1 桥梁检测车

图2 高空作业车

桥梁一般缺陷

桥梁一般缺陷有混凝土裂缝、剥落，钢筋外露、蜂窝麻面，长草、白华、钢梁涂装锈蚀及螺栓松动现象。该缺陷对结构造成的影响，与一般采取的补强对策如表1和表2所示。

表1 桥梁缺陷对结构的影响

表2 桥梁缺陷补强对策

D.E.R.&U目视检测评估法

 一般目视检测是利用目视的方式对整座桥梁做全面性的检查，检测过程中对于重要部位、破裂部位、缺陷或异常现象部位需进行拍摄照片，以此作为分析参考。另以数量化方式对各个构件进行评估，以建立桥梁现况的基本管理数据，最后得到综合评估结果。

桥梁目视检测可分为每月桥梁巡检报表（16项，定性法），及每季综合评估D.E.R.&U评估法（21项，定量法）。D.E.R.&U目视检测评估法依照《公路养护手册》以及《台湾地区桥梁管理系统》。该评估法将桥梁分为21项检测项目，如表3所示。其中第1到第11项为整体检测项目（交通安全），即桥梁全面性的宏观检测，第12至第20项则为逐跨检测项目（结构安全），第21项则为其他（交通安全）。

表3 D.E.R.&U评估法检测项目

D . E . R . &U 评估法对每一个检测项目依劣化程度（Degree）、劣化范围（Extent）以及对桥梁安全性与服务性的重要性（Relevancy），分别给予0～4的评分，再针对该劣化构件需维修的急迫性（Urgency）加以评定，评估准则如表4所示，评估总表如表5所示。

表4 D.E.R.&U评估法评估准则

表5 桥梁定期检测评估总表

桥梁维护单位完成所有构件检测工作，有助于掌控桥梁结构安全，发现构件劣化程度，并评估对桥梁功能损伤及其原因。除了目视检测外，视需要进行桥梁非破坏性检测试验，如表6。

表6 桥梁非破坏性检测试验

综合评估与维修建议

桥梁维护单位对于桥梁重要性与维修缓急顺序，有一套优选评估方法协助进行排序。把《桥梁目视检测评估手册》中的桥梁状况指标（Condition Index，CI）作为维修补强顺序的依据，该指针是以0～100的整数代表桥梁目前的状况，分数越高代表桥梁的状况越好。CI 值是将各检测项目（桥梁构件）的分数，乘以该构件相对于桥梁的重要性（权重）再相加而得，再将CI值由小至大加以排序，越小越需要尽早维护。桥梁最后检测成果含评估与维修建议，需上传到台湾地区桥梁管理系统，如图3。

图3 台湾地区桥梁管理信息系统

无人机应用研究

无人机应用研究整合无人飞行载具（Unmanned AerialVehicle，简称UAV）及相关软硬设备，开发桥梁检测模块，有助于提升桥梁检测作业质量及效率。主要研究人员需具备土木、桥梁检测、自动控制及信息整合等相关专业经历背景。“UAV自动飞行检测模块”除有自动飞行功能外，并且具备1米障碍物侦避及20米负高程（比UAV水平高度低）飞行功能。检测人员可直接于Google Map上设定飞行路线后，让UAV依设定路线飞行检测桥梁，亦可让UAV依过去设定的历史路线自动飞行检测，有效提升了桥梁检测作业的质量及效率。无人机总重约2.4公斤，续航能力约30分钟，其风速限制为5级风（8～10.7m/sec）。无人机检测优点为安全性高、成本低、效率高、使用灵活，其缺点为GPS死角较难控制，天候影响大、续航力短。

图4 UAV（参考运输研究所新闻稿）

图5 UAV拍摄画面（参考运输研究所新闻稿）

UAV结合VR

研究计划透过UAV结合虚拟现实VR功能，提升桥梁目视检测效益与后端应用价值，以“智能检测+身历其境”的理念，持续提升桥梁检测作业的质量及效率。为求3D影像质量更加细致化且应用更加广泛，利用搭载多镜头或环景镜头方式，将3D影像结合VR功能，探究全桥3D模型的完整及仿真检测可行性。一来有助于后端人员详细确认桥梁构件劣化的位置及状态，二来亦可作为桥梁检测人员于入门训练的模拟操作。研究工作内容如下：

图6 3D 模型（参考运输研究所新闻稿）

未来桥梁维护展望

现在桥梁检测靠目视检测、望远镜及桥检车，对于特殊桥梁（高桥墩、拱桥、斜拉桥、吊桥）或特殊地形（高山、峡谷、大河、大海）检测有实际作业上的困难，且安全性低。无人机UAV桥梁检测可完成此项困难作业，并取代过去劳力密集且高风险桥梁检测。展望未来，桥梁维护应结合下列新科技——

图7 BIM营运维护

图8 虚拟现实VR