基于BIM的桥梁结构智能监测预警系统研究

随着BIM技术在工程项目管养阶段的应用越来越多，开发基于BIM的桥梁结构监测系统，通过三维模型与相关信息互动的可视化方式，可以直观展示桥梁结构基本信息、监测信息、预警信息和状态信息，指引管理人员快速查看、定位、处置结构异常，提升管养的信息化水平、效率和服务。

尽管如此，但不得不说，目前BIM技术在设计、施工、运营阶段还没有实现“建管养一张图”概念。有人会认为：可以把设计、施工阶段的BIM模型，直接应用在监测系统上。但这里有两个问题需要思考：一是，目前的监测系统通常采用BS架构，浏览器远程访问，但是设计、施工阶段的精细化模型通常太大，加载过慢会影响可视化的效果，用户体验非常差；二是，目前通过轻量化技术，得到了轻量化模型，可以解决可视化问题，但是轻量化模型和设计、施工阶段的精细化模型，从某种意义上来说是两个独立的模型，存在着数字的壁垒。例如，通过监测发现的结构病害，无法通过轻量化模型反馈到原始的精细化模型中，也就没有形成“建管养一张图”。

因此，要将BIM技术应用到监测系统中，需要解决轻量化模型和“建管养一张图”这两个问题，其中涉及的关键技术有三个方面，即多层次建模、模型转换、模型的可视化。

BIM技术在监测中的基本应用流程，首先是多层次建模，导出具有标准格式的BIM模型文件，然后用BIM模型转换软件进行处理，把其中的三维信息形成轻量化、宜于在WEB显示的模型文件，而其中的属性信息则转化成BIM数据库，最后通过监测系统的用户界面子系统访问模型文件和BIM数据库，并进行可视化展示。

目前，BIM的模型精度主要是面向设计、施工过程，由粗到细的模型精度。通常可分为5个级别，从LOD100到LOD500。

但是，这个模型精度的定义是面向过程的，它并不完全能够满足管养阶段的需求，尤其是监测系统的需求。为了进一步研究在管养阶段所需的多层次建模，提出了面向服务的BIM模型精度。

简单来说，包括L1——针对监测数据分析的模型精度；L2——针对巡检养护的模型精度；L3——针对管理决策的模型精度。从管养监测的角度，可能会产生很多的服务需求，而每一种需求对所要展现的模型内容，可能都不一样。因此，可以把这个基本的思路、基本的原则进行扩展。

从L1到L3，并不是完全由粗到细的变化，跟面向过程的模型精度不同，其中还包含一些模型、内容上的变化。例如，对于数据分析、巡检养护，可能只关心桥梁结构的本身，BIM模型则只需要包含和展现桥梁的本体。但是，对于管理决策而言，可能还需要关注周边的地形地貌、建筑情况等，模型包含的内容就会变得更丰富。这里就涉及两个工作需要进一步的开展。

第一，如何针对不同的服务需求划分模型所包含的内容。例如在巡检养护中，哪些展现的内容应该定义为L2的级别，又有哪些应该定义为管理决策的内容。虽然这样的划分看似简单，但真正的工作量非常大，是需要整个行业共同推动相关的工作，并形成标准规范。

第二，如何在BIM模型文件中区分不同服务需求所对应的模型内容，以达到建管养一体化的目的。例如，一个简单的方法是在构建模型的时候，增加一个模型精度的属性编码，然后通过明确的编码来进行区分。

BIM当中的模型转换技术主要解决的是轻量化问题。缩小模型的体量，体量越轻，显示得越快。主要采用的技术方案是通过参数化的几何描述，以及相似性图元合并的方法来实现。

当前的技术在一定程度上，可以解决轻量化显示的问题，但却没有解决一张图的问题。试想，如果后期在管养监测中发现了桥梁结构的病害和异常，应该如何通过当前的模型反馈到原模型中？只有当原模型能够应用到其他的服务需求中，这才是一张图的概念，而不是针对每一个不同的服务需求，采用不同的模型。

借助前面提到的多层次建模编码，使用专门定制开发的模型转换软件，可以实现在不同层次的BIM模型中进行转换，并对转换后的模型进行轻量化处理，由此达到“建管养一张图”的目的。然而，当前的转换技术只能实现从精细化模型到轻量化模型的转换，但从轻量化模型到精细化模型的过程却实现不了。因此，尝试将这个不可逆转的过程进行改进，定制开发转换软件，利用模型编码实现在不同层次模型中的相互转换。最终再用轻量化模型进行呈现。

在多层次建模、模型转换的基础上，结合桥梁监测需求，进行用户界面的设计和开发工作。就BIM模型可视化而言，主要的目标是在浏览器上实现快速准确的渲染，呈现出尽量真实的应用场景。

目前三维的Web渲染技术，主要都是基于WebGL技术方案。而WebGL现在已被完全地整合引入到所有主流浏览器的Web标准中，同时WebGL也支持各类移动设备，如Android、ios的接入。也就是说，除了可以在监控中心、在办公室、在电脑上查看模型，还可以对监测的信息、对桥梁的结构进行监管，也可以利用手机、平板电脑等移动设备，通过远程实现对桥梁的监管。

例如，BIM在监测应用中，可以展示基本信息、巡检信息、定检信息、监测信息，以及评估报告。基本信息是桥梁结构或构件的静态属性，包括基础资料、设计图纸、施工图纸、变更资料等；巡检信息针对单个桥梁构件，展示对应巡检的记录，包括巡检人员、巡检时间、巡检结果等，若某构件在最新的巡检记录中存在病害，该构件会持续标红显示；定检信息则主要针对单个桥梁构件展示构件病害、构件技术状况评分等历次定检的结果；结构健康监测模块是用户界面软件默认的功能模块，基于桥梁三维模型以及各监测点可视化，展示桥梁实时监测数据和历史监测数据；评估报告用于展示基于多数据源（巡检数据、定检数据、监测数据等）的桥梁运营状况。

基于以上的分析，开发基于BIM的桥梁结构智能监测预警平台，在主界面中可以通过页面两侧的列表选择想要查看的桥梁信息，或道路、隧道的信息等。选择之后，会进入到某座桥梁的具体界面，可视化展示这座桥梁的BIM模型，此时用户看到的是设计阶段真实的BIM模型文件，经过模型转换之后在浏览器上呈现的效果。在智能监测预警平台上，用户还可以查看各种监测数据，如挠度测点的相关信息数据，并展示预警信息及报警类型统计等。