一种基于BIM的桥梁安全监测预警系统的制作方法

本发明涉及桥梁安全监测技术领域，更具体地说，它涉及一种基于BIM的桥梁安全监测预警系统。

背景技术：

BIM(Building Information Modeling)技术是Autodesk公司在2002年率先提出，目前已经在全球范围内得到业界的广泛认可，它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。

现有的桥梁安全监测预警系统，不能为解决对桥梁安全监测预警的实时性以及可视化提供技术支持，当桥梁在受荷情况下发生不可预知的变形以及裂缝时，不能及时维修或者撤离人员，并且不能利用可视化明确受损部位，需要大量人力物力进行探测，经常因此耽误维修的最好时机，为此，提出一种基于BIM的桥梁安全监测预警系统。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于BIM的桥梁安全监测预警系统，其可以为解决对桥梁安全监测预警的实时性以及可视化提供技术支持，当桥梁在受荷情况下发生不可预知的变形以及裂缝时，可以及时维修或者撤离人员，并且利用可视化明确受损部位，减少人力物力进行探测，避免因此耽误维修的最好时机，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于BIM的桥梁安全监测预警系统，包括现场感应元件、BIM桥梁三维模拟系统、Midas桥梁有限元安全计算系统以及远程数据采集系统；

所述现场感应元件用于采集桥梁现场受力点的应力应变实时数据；

所述远程数据采集系统用于通过移动信号塔与服务器连接接收所述现场感应元件采集桥梁现场受力点的应力应变实时数据，同时将接收的应力应变实时数据导入所述Midas桥梁有限元安全计算系统中；

所述Midas桥梁有限元安全计算系统用于分析桥梁的受力情况，并生成Midas桥梁有限元模型，并将生成的所述Midas桥梁有限元模型通过IFC端口导入所述BIM桥梁三维模拟系统中；

所述BIM桥梁三维模拟系统通过对所述Midas桥梁有限元模型进行临界触碰，并在相应的数据采集点显示安全分级颜色预警。

进一步的，所述现场感应元件用于测量成桥后监测点的静力荷载，所述静力荷载包括主梁自重、横隔板重量、边跨压重、二期恒载以及张拉索力。

进一步的，所述BIM桥梁三维模拟系统的建立，包括如下步骤：

步骤一、根据Revit软件特性，没有桥梁自带的族库，首先需要确定要创建的桥梁族库，将桥梁按照上部结构以及下部结构进行分解，按照桥梁的分部分项最终确定分解为承台分项，墩身分项，支座分项，箱梁分项，分别创建族，初步形成桥梁建模族库，后期在Revit软件中扩充常用桥梁族；

步骤二、对桥梁的族进行系统命名，并在创建族时，将其参数化，根据需要调节尺寸应用到其他项目中，首先选择合适的公制样板，再绘制断面轮廓，添加族的参数属性，最后通过工具面板将断面轮廓拉伸为三维模型；

步骤三、族库创建好以后按照Revit软件特性进行建立轴网、标高，将创建好的族载入项目中；

步骤四、根据设计图纸上承台、墩身、支座、箱梁、T梁等的标高轴网位置，放置各分项族库构件；

步骤五、进行场地绘制，给模型一个相应的环境，先要确定场地高程，再在Revit软件上进行高程确定，最后连接等位线；

步骤六、最后进行后期渲染，渲染时首先要进行日照分析，设置地理城市以后进行日光设置，使用相机工具创建项目任意角度视图，在三维视图中选择为该视图着色。

进一步的，所述远程数据采集系统由以下方法建立：

借助Visual C++开发平台，编译出远程数据传导与收集为一体的远程数据采集系统，该远程数据采集系统通过GPRS技术与现场监测仪器建立通讯，实现数据的远程实时接收存储，在此基础上该远程数据采集系统还包括数据实时查询、图形可视化功能；

进一步的，所述Midas桥梁有限元安全计算系统的建立，包括如下步骤：

步骤一、定义各个分项的材料，从树形菜单的菜单表单中选择模型，再进入特征值，在材料数据里输入材料信息；

步骤二、定义各个分项的截面特性，从树形菜单的菜单表单中选择模型，再进入特征值，在截面数据上定义截面特性，该截面的尺寸，形状，名称；

步骤三、建立节点单元，采用表格生成节点的方法建立节点，利用建立的节点，扩展生成单元；

步骤四、设定桥梁模型边界条件，桥梁模型一般采用三种边界条件，即一般支承、弹性支承和刚性连接；

步骤五、根据桥梁一般受力情况分析，主要受静力荷载、主梁自重、横隔板重量、边跨压重、二期恒载以及张拉索力，以及受到车辆的移动荷载，最后进行控制截面应力分析。

进一步的，所述安全分级颜色预警包括以下颜色预警：

1).绿色预警

显示绿色的监测点说明处于稳定且安全的状态，此时可进行日常巡视管理，检查数据传导情况与Midas有限元软件的变形情况；

2).黄色预警

当荷载加载至控制断面极限荷载的70％时出现黄色预警，监测单位内业组立即通知外业组对现场设备进行检查，同时对预警信息进行记录，记录预警出现的位置、预警类型、预警值、正常值；

3).橙色预警

当荷载加载至控制断面极限荷载的80％出现橙色预警，监测单位内业组立即通知外业组对现场设备进行检查，并对预警信息进行记录，记录预警出现的位置、预警类型、预警值、正常值，同时内业组向分局发布预警信息，分局和养护单位接到发布的预警信息后采取限制重载通行措施，外业组在接到预警通知后携带设备在30分钟内到达现场，继续保持限载通行的措施，并对桥梁相应部位进行加固处治；

4).红色预警

当荷载加载至控制断面极限荷载的90％出现红色预警，监测单位内业组立即向分局发布红色预警，分局和养护单位接到发布的预警信息后立刻采取封闭交通的措施，内业组同时通知外业组对现场设备进行检查，并对预警信息进行记录，记录预警出现位置、预警类型、预警值、正常值，外业组在接到内业组的通知后携带设备在30分钟内到达现场，立即组织开展桥梁抢修工作。

综上所述，本发明主要具有以下有益效果：

本发明，可以为解决对桥梁安全监测预警的实时性以及可视化提供技术支持，当桥梁在受荷情况下发生不可预知的变形以及裂缝时，可以及时维修或者撤离人员，并且利用可视化明确受损部位，减少人力物力进行探测，避免因此耽误维修的最好时机。

附图说明

图1为一种实施方式的基于BIM的桥梁安全监测预警系统的架构示意图；

图2为一种实施方式的基于BIM的桥梁安全监测预警系统的数据传输的工作原理图；

图3为一种实施方式的主梁控制断面布置的结构示意图；

图4为一种实施方式的索塔控制断面布置的结构示意图；

图5为一种实施方式的斜拉索控制断面布置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本发明作进一步详细说明。

实施例

一种基于BIM的桥梁安全监测预警系统，如图1所示，包括现场感应元件、BIM桥梁三维模拟系统、Midas桥梁有限元安全计算系统以及远程数据采集系统；

所述现场感应元件用于采集桥梁现场受力点的应力应变实时数据；

所述远程数据采集系统用于通过移动信号塔与服务器连接接收所述现场感应元件采集桥梁现场受力点的应力应变实时数据，同时将接收的应力应变实时数据导入所述Midas桥梁有限元安全计算系统中；

所述Midas桥梁有限元安全计算系统用于分析桥梁的受力情况，并生成Midas桥梁有限元模型，并将生成的所述Midas桥梁有限元模型通过IFC端口导入所述BIM桥梁三维模拟系统中；

所述BIM桥梁三维模拟系统通过对所述Midas桥梁有限元模型进行临界触碰，并在相应的数据采集点显示安全分级颜色预警。

较佳地，所述现场感应元件用于测量成桥后监测点的静力荷载，所述静力荷载包括主梁自重、横隔板重量、边跨压重、二期恒载以及张拉索力。

评估桥梁的安全性主要分析桥梁的受静力荷载情况，根据桥梁的各个部分的受力图分析，有几个截面最为脆弱，故将这几个截面的应力应变位移作为分析的重点，因监测多用于大型桥梁，目前以斜拉桥最为常用，此处以斜拉桥为例

较佳地，所述BIM桥梁三维模拟系统的建立，包括如下步骤：

步骤一、根据Revit软件特性，没有桥梁自带的族库，首先需要确定要创建的桥梁族库，将桥梁按照上部结构以及下部结构进行分解，按照桥梁的分部分项最终确定分解为承台分项，墩身分项，支座分项，箱梁分项，分别创建族，初步形成桥梁建模族库，后期在Revit软件中扩充常用桥梁族；

步骤二、对桥梁的族进行系统命名，并在创建族时，将其参数化，根据需要调节尺寸应用到其他项目中，首先选择合适的公制样板，再绘制断面轮廓，添加族的参数属性，最后通过工具面板将断面轮廓拉伸为三维模型；

步骤三、族库创建好以后按照Revit软件特性进行建立轴网、标高，将创建好的族载入项目中；

步骤四、根据设计图纸上承台、墩身、支座、箱梁、T梁等的标高轴网位置，放置各分项族库构件；

步骤五、进行场地绘制，给模型一个相应的环境，先要确定场地高程，再在Revit软件上进行高程确定，最后连接等位线；

步骤六、最后进行后期渲染，渲染时首先要进行日照分析，设置地理城市以后进行日光设置，使用相机工具创建项目任意角度视图，在三维视图中选择为该视图着色。

所述BIM桥梁三维模拟系统是基于BIM的核心建模软件(BIM Authoring Software)进行编译的，同时借助于Autodesk Revit软件进行桥梁建模并根据建筑建模的流程需要进行改进创新的，它符合桥梁建模的流程与标准，包含命名标准、构件分解、标高连接、构件组合等。

较佳地，所述远程数据采集系统由以下方法建立：

借助Visual C++开发平台，编译出远程数据传导与收集为一体的远程数据采集系统，该远程数据采集系统通过GPRS技术与现场监测仪器建立通讯，实现数据的远程实时接收存储，在此基础上该远程数据采集系统还包括数据实时查询、图形可视化功能；

所述远程数据采集系统的任务是为实现预测事故而进行大量的数据采集和分析，并根据需要定义危害桥梁的因素，并对这些因素数据进行采集，再实现数据的远程采集，能够对不固定工作场地进行完成数据采集和分析，最后解决对数据的查询和调取的问题；

获取安全监测预警数据信息主要通过三个方式：(1)直接访问通过相应的监测仪器监测数据；(2)安全管理人员从日常安全管理工作的相关信息；(3)相关信息的法律法规分析、标准和法规、制度和得到事故案例数据；

所述数据采集监测仪器包括桥梁预埋入式应变计和位移计监测工具，所述桥梁预埋入式应变计和所述位移计监测工具均与服务终端、基站和移动信号塔连接，实现实时收集数据和远程监测和预警；

其中主要依靠数据采集监测仪器，根据上述控制部分选择桥梁预埋入式应变计和位移计监测工具，与服务终端、基站和移动信号塔连接，实现实时收集数据和远程监测和预警，如图2所示，该系统主要通过现场安装传感器和数据采集传输设备，把采集到的数据读入SQL Server2005数据库，采用Visual C++为编译平台，编译了该远程数据采集系统，可通过GPRS技术与现场监测仪器建立通讯，实现数据的远程实时接收存储，在此基础上通过ADO连接数据库，实现数据查询、图形可视化等功能。

较佳地，所述Midas桥梁有限元安全计算系统的建立，包括如下步骤：

步骤一、定义各个分项的材料，从树形菜单的菜单表单中选择模型，再进入特征值，在材料数据里输入材料信息；

步骤二、定义各个分项的截面特性，从树形菜单的菜单表单中选择模型，再进入特征值，在截面数据上定义截面特性，该截面的尺寸，形状，名称；

步骤三、建立节点单元，采用表格生成节点的方法建立节点，利用建立的节点，扩展生成单元；

步骤四、设定桥梁模型边界条件，桥梁模型一般采用三种边界条件，即一般支承、弹性支承和刚性连接；

步骤五、根据桥梁一般受力情况分析，主要受静力荷载、主梁自重、横隔板重量、边跨压重、二期恒载以及张拉索力，以及受到车辆的移动荷载，最后进行控制截面应力分析。

较佳地，所述安全分级颜色预警包括以下颜色预警：

1).绿色预警

显示绿色的监测点说明处于稳定且安全的状态，此时可进行日常巡视管理，检查数据传导情况与Midas有限元软件的变形情况；

2).黄色预警

当荷载加载至控制断面极限荷载的70％时出现黄色预警，监测单位内业组立即通知外业组对现场设备进行检查，同时对预警信息进行记录，记录预警出现的位置、预警类型、预警值、正常值；

3).橙色预警

当荷载加载至控制断面极限荷载的80％出现橙色预警，监测单位内业组立即通知外业组对现场设备进行检查，并对预警信息进行记录，记录预警出现的位置、预警类型、预警值、正常值，同时内业组向分局发布预警信息，分局和养护单位接到发布的预警信息后采取限制重载通行措施，外业组在接到预警通知后携带设备在30分钟内到达现场，继续保持限载通行的措施，并对桥梁相应部位进行加固处治；

4).红色预警

当荷载加载至控制断面极限荷载的90％出现红色预警，监测单位内业组立即向分局发布红色预警，分局和养护单位接到发布的预警信息后立刻采取封闭交通的措施，内业组同时通知外业组对现场设备进行检查，并对预警信息进行记录，记录预警出现位置、预警类型、预警值、正常值，外业组在接到内业组的通知后携带设备在30分钟内到达现场，立即组织开展桥梁抢修工作。

另外，因监测多用于大型桥梁，目前以斜拉桥最为常用，本实施例以斜拉桥为例，截面示意如下附图3所示，主梁：主梁跨中断面、索塔根部断面(靠近跨中一侧)、边跨靠近主塔L/4断面；如附图4所示，索塔：索塔根部断面、倒Y形索塔交叉点处；如附图5所示，斜拉索：最外侧斜拉索、最内侧斜拉索、中间位置斜拉索；

对桥梁的有限元分析

建立的桥梁有限元软件，根据上一步骤提供的实时监测数据导入有限元软件中，实时计算桥梁的受力情况；

有限元分析是实现安全监测预警实时性的关键，利用有限元软件建立桥梁模型，通过将远程数据传导入有限元软件里进行桥梁的位移、应力、应变的实时计算分析，来判断桥梁的安全性、稳定性，再将分析结果实时导入Revit中，直接由桥梁BIM模型显示出来；

对Revit软件二次开发研究

对Revit软件进行二次开发是为了实现安全预警的可视化，在Revit软件上可观看到桥梁全身的三维模型基础上，能够从中调取监测的模块，并能够在模型上直接观察到桥梁的安全与否。

在Revit软件里因没有监测族，不能调取每个监测族的信息，故开发监测模块导入Revit，对每个监测点进行数据读取以及颜色报警。

监测模块包含监测元件的具体信息(包括名称、设计参数、功能、使用说明、生产厂家)、安装日期、安装位置、安全指标(包括应力、应变、位移、安全等级及示警信息)；

对安全分级定义研究

在进行安全预警前首先需要明确达到什么程度需要预警，怎样预警，故需要对应力、应变、位移数据进行段的划分，以合适的方式处理轻重缓急的预警以保障桥梁的安全运行又节约人力物力成本；

所述安全分级应急方案，每种颜色有相应的应急处理方法，当有限元软件中的计算达到某个临界点以后，相应的Revit监测族对应不同的颜色来进行报警。

综上所述：

本发明，可以为解决对桥梁安全监测预警的实时性以及可视化提供技术支持，当桥梁在受荷情况下发生不可预知的变形以及裂缝时，可以及时维修或者撤离人员，并且利用可视化明确受损部位，减少人力物力进行探测，避免因此耽误维修的最好时机。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。