物联网和BIM技术在大跨径桥梁施工的应用.pdf

中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-62-两星推荐大跨径桥梁因施工难度大、工艺复杂、作业线长的特点，存在施工管理困难的问题。通过梳理大跨径桥梁现场管理实际需求，研究物联网与 BIM 技术，通过搭建 BIM+物联网管理平台的方式，得到了一套有效提高施工管理能力的方法。通过这一方法在实际工程中的应用，多次指导管理人员排除安全隐患，同时更好的服务施工管理，此方法对于加快公路行业数字化、信息化同样具有积极意义。随着我国高速公路网络快速发展，特别是中西部山地丘陵地形复杂，对大跨径桥梁的需求尤为迫切，公路建设项目日益增多。在这样的背景下，物联网技术与建筑信息模型（BIM）技术的迅猛发展，为高速公路建设带来了革命性的改变。物联网技术通过传感器和设备连接，提供了大量实时数据，这对于施工进度、质量、安全管理至关重要。传统上，物联网侧重海量数据获取和分析，在数据可视化、数据融合展示等方面还有所欠缺。近年来，BIM 技术凭借其强大的数据集中性和卓越的可视化效果，在道路施工领域得到了广泛的应用。它不仅能够展现建筑项目的物理和功能特性，还能够提供详尽的工程信息，包括材料、成本和项目进度等。因此，将物联网技术与 BIM 技术结合使用，可以在高速公路建设中发挥巨大作用。通过物联网技术实时收集的数据，可以实时监控施工现场的各种条件，如温度、湿度、设备状态等。这些数据通过与 BIM 技术的结合，不仅可以实现数据的有效整合和可视化，还可以在 BIM 模型中准确展示，使管理者能够在三维空间中直观地了解和掌握施工进度和现场状况。工程方面的类似做法，国外早在提出物联网概念之前就有过。国外早在 20 世纪 80 年代就开始在一些桥梁上布设，用于环境、荷载、振动、局部应力等各种基本参数的监测。举个例子：美国佛罗里达的阳光高架桥，全桥布置了 500多个传感器，用于收集各个阶段的位移、应变、温度变化，比如建桥、运营等，这些传感器在每个阶段都有不同程度的变化。挪威的斯堪桑德大桥布设了智能数据采集系统，可实时获取加速度、倾角、应变、温度场、位移等信息。日本的明石海峡大桥，韩国的南海大桥、仁川大桥也均采用了类似技术。在国内一些大跨径桥梁如虎门大桥、苏通大桥等同样布设了传感器用于监测桥梁的各类指标。“感知中国”的战略构想自 2009 年温家宝提出以来，国内物联网与工程的结合已逐步迈入新阶段。中国科学院沈阳自动化研究所提出将传感器采集到的数据通过移动网络传输给监控中心，为管理人行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度物联网和 BIM 技术在大跨径桥梁施工的应用张晓怀张晓怀中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司-63-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期两星推荐员提供施工现场实时监控数据。刘军、肖宇等人构建了基于物联网技术的安全智能监管体系，通过对安全状况打分的方式对安全隐患进行监管和预警。虽然人们对大跨径桥梁的安全监控研究和实践较早，但在桥梁建设过程中依靠后续检验，不仅难以完全识别施工过程中存在的问题，而且由于不具备实时性，在软硬件技术不断发展的情况下，缺乏先进的IT技术和管理手段的相互结合，很容易出现遗漏而留下安全隐患。找出问题后的解决方案，仍需耗费大量人力物力。相比一般桥梁，大跨径桥梁具有施工难度大、工艺复杂、作业线长的特点，使得这一问题更加凸显，因此对施工过程中的管理也提出了更高要求，进一步提高桥梁建设管理效率依然是亟待解决的课题。技术方案物联网架构物联网（Internet of Things）是指通过各种信息传感器实时采集数据，通过各种可利用的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现智能感知、识别和管理物品及过程。在物联网技术应用过程中通常会包含感知层、传输层、支撑层及应用层，结合大跨径桥梁的应用需求确定了如下层级。（1）感知层，主要是对物理量、标识 ID、声音、视频等信息进行采集。在大跨径桥中包含了应力应变、形变位移、空间定位、视频音频等信息。根据实际需求，将感知层分为传感器系统、GPS 定位系统及多媒体系统几类系统。上述子系统从工程需求出发，结合大跨径桥梁特点，可进一步明确为温度传感器、风速风向传感器、沉降传感器、位移计、压力感应器、陀螺仪、GPS 模块、音频感应器、视频监控探头、FR 读写器等。（2）传输层，网络传输是物联网上的传感器实时收集并传输信息的媒介。由于大跨径桥梁施工规模大，采集数据量巨大且施工区常处于偏远地区，带宽受限且网络费用高昂，因此网络传输中在保证数据的时效性与正确性的同时还需兼顾经济性，项目除移动通信、卫星通信以外同时采用了短距离无线通信的方式，将数据就近传输至现场采集节点，处理后进行编码与整合，经由中继传输节点上传至数据中心平台，减少了传输的数据体量、提高了传输安全性和传输效率。（3）支撑层，为简化用户操作，同时支撑物联网更加广泛的用途，采用多平台协同、云计算、人工智能、图像识别、虚拟现实等先进技术将数据传递至各子系统中进行分析与加工并储存。为上一个层级的服务管理和大范围应用创立一个效率高、可靠性强和安全性高的智能数据平台。（4）应用层，直接面向用户需求，向用户提供服务，本项目中直接表现为 BIM 平台。对于大跨径桥梁，主要包括施工安全监控、危险预警、进度管理几个功能。预警系统通过实时将采集到的数据处理后与 BIM 模型进行比对，根据以往工程经验对各项参数设定阈值，当超出限定值后会通知管理人员。另外平台通过分析采集到的数据结合 BIM 模型分析施工进度，帮助管理单位进行资源合理分配。BIM 平台BIM 平台基于 Unity3D 引擎开发，结合 BIM 模型及物联网数据的优势。BIM 平台通过与相关责任单位协商的数据字段和推送机制，通过多源数据集成功能，将外部平台系统的建设过程数据、监控数据等与外部特定系统功能模块进行对接、集成、分析，实现多源数据的集成功能。这些数据分为两大类：管理数据和技术数据。针对建设管理过程中出现的各种问题，BIM 平台进一步提供统计分析和使用方法，将整合后的各种数据进行聚合分析，将数据本身及分析结果进行可视化，并进一步提供统计分析和使用方法，以解决施工进度管理、安全等问题。1）利用桥梁结构监测数据，例如不同位置的变形、位移或结构应力等，以云图形式进行表现，结合屏幕显示或VR 设备进行查看，方便管理人员快速识别施工过程中出现的安全隐患。同时利用设备位置等相关数据，对现场主要监控检测设备的位置也进行动态标记。同时，对变形、位移、应力等重要参数设定预警阈值和告警阈值，设定相应的应急处置预案，当监测到相关参数超出设定值，系统按预案向有关的管理人员发出提示，以便管理人员及时采取措施消除隐患。图 1 物联网层级图 2 传输层技术方案图 3 BIM 平台中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-64-两星推荐2）基于接入的施工进度数据，利用精细化桥梁工程BIM 模型，提供用户查看施工形象进度情况、分析实际进度与计划进度的可视化工具，包括：总体施工进度查看、计划进度比对，总体施工进度历史记录查看，主桥施工进度查看、计划进度比对，主桥施工进度历史记录查看，引桥施工进度查看、计划进度比对，引桥施工进度历史记录查看，能以三维生长的形式模拟施工进展变化，在集成数据不可用的情况下，允许根据文档资料输入形象进度、计划进度等。工程应用项目概况本项目以西北某省高速公路 PPP 项目大跨径桥梁为依托进行了应用研究，桥址区位于构造侵蚀中山沟谷和山麓斜坡地貌区，地形相对起伏较大，山顶多呈脊状，沟谷切割较深，多为“V”字型谷地。该桥桥型为变截面连续刚构桥，主墩为6、7 号桥墩，墩梁固结，主墩的高度分别高达 125m、142m，跨径达到 100m，工程规模大且工艺复杂，主墩施工和工后需严格限定沉降范围，主梁则采用挂篮对称浇筑施工，对线性有很高要求。采用传统的管理方法难以在满足质量的同时兼顾安全和进度。硬件布设针对这座大跨径桥梁的工程特点和施工需要，建设单位配备了大量传感器用于现场数据采集，主要包括：DS18B20 温度传感器 56 套、JMZX-215AT 应变仪埋入型振弦式应力传感器 396 套、JMZX-215AT 应变仪表面式振弦式应力传感器 80 套、JMZX-3001L 应力测试仪振弦式传感器采集系统 3 套、测试导线 2 000 套以及各类配套设备。在现场配备了地面服务器并采购了 MIDAS Civil 计算软件一套用于现场数据采集与处理。在视频监控方面，采用了海康威视成熟的技术方案进行搭建。现场设备采集影像数据传入现场硬盘服务器 NVR，再接入海康威视智能感知联网平台。在该平台上完成智能识别与对比后传递至 BIM 平台中。BIM+物联网管理平台搭建基于项目管理系统、安全生产监控系统、视频监控系统、智慧工地系统，搭建高效的 BIM 平台。该平台主要关注建设过程中工程信息的集成、展示、查询和应用，直接服务于项目管理人员。通过这一平台，项目管理人员可以在一个统一的界面上掌握所有重要的工程信息和现场主要施工情况，有效减少了在多个信息化平台之间切换的需要，提高了工作效率。该 BIM 平台提供了基于集成数据的管理决策辅助工具，使得项目管理人员能够基于全面、准确的数据进行决策，从而提高了项目管理的质量和效率。在实际操作中，平台可以对施工现场的安防监控资料、视频监控资料、实时信息等来自各系统的数据进行整合处理，实现高效利用数据、深入分析数据。考虑到本项目参建单位众多、地域范围广泛、人员分图 5 现场视频监控图 4 现场仪器布设-65-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期两星推荐布分散，项目特别为项目公司、总经理部及其分部的相关管理和技术人员提供了本地化的硬件服务器和公开网络的云服务。这种服务模式既满足了本地操作的需求，又兼顾了远程访问的便利性，保证了项目信息的实时更新和高效传输。此外，为了保障项目的顺利实施，还特别配置了一批性能强劲的客户端电脑，确保了各项系统的流畅运行和数据处理的高效性。在硬件布设完成后，BIM平台与投资建设项目管理系统、项目管理系统、智慧工地系统进行了数据对接。基于物联网上的数据网络，完成数据集成、危险预警、进度管理功能的开发，并最后完成上线部署。应用情况通过物联网+BIM 的技术方法，让管理人员不受地域限制，获取施工状态和相关工程信息，从而辅助施工管理决策。具体如下。以工程依托的大跨径桥梁 BIM 模型为核心，构建可变截面连续刚构桥数字化管理信息集成系统平台，实现多类施工管理数据的可视化、交互式呈现。针对各层级管理人员，能及时地反馈可能出现的隐患并快速定位至现场影像，及时排除可能出现的安全问题。针对现场技术人员，能通过移动设备及时反馈可能出现的隐患及对应的位置，方便现场人员快速排查。面向上级单位领导、各部门管理人员，提供设计信息、施工状态、设计变更等多种数据的集成查看工具，辅助实现高效管理和“穿透”管理。结语随着越来越多的大跨径桥梁在我国高速公路建设中的广泛应用，这些工程在施工期面临的管理挑战日益凸显。这类桥梁因其结构复杂、施工难度大，使得传统的管理方法难以应对。因此，运用新技术来提升大跨径桥梁的管理水平显得尤为关键。本文通过充分挖掘物联网和 BIM 技术的潜力，结合大跨径桥梁的特点与需求，构建了一个集成了物联网和BIM 的管理平台，并探索了相应的管理方法。在实际应用中，该平台已经显示出了显著的优势。通过物联网技术，可以实时监测桥梁的状态，如温度、应力、位移等关键参数，从而及时发现潜在的安全隐患。BIM 技术的加入，使得监测数据不仅可以进行可视化展示，还可以在BIM 模型中直观地展示，极大地方便了管理人员和现场技术人员的理解和分析。这种数据的整合与可视化，使得监测结果不仅限于数据本身，还能与桥梁的具体部位和结构对应，提供了更为直观和具体的管理依据，显示出物联网和 BIM 技术在桥梁施工管理中的巨大潜力。通过这种方法，可以有效地提升施工过程中的安全性和效率，减少由于安全隐患带来的施工延误和成本增加。未来，项目计划继续对这一系统进行监测和优化，以提高其适用性、安全性和稳定性，包括：进一步完善数据采集和处理能力，优化 BIM 模型的详细度和准确性，以及提高系统的用户友好性。此外，还计划引入更多的智能分析算法，如机器学习和人工智能技术，以实现更高效和准确的风险预测和决策支持。图 6 现场网络搭建图 7 BIM+物联管理平台构建