BIM技术在结构健康监测领域的应用

BIM 技术在建筑结构的健康监测中具有独特的优势，其融合了计算机信息技术、大数据技术、云技术等优点，可以对建筑结构进行实时在线的监测。随着建筑技术水平的提升，建筑结构的复杂性也显著增加。比如北京奥运会体育馆、三峡大坝工程等大型复杂的结构工程的出现频率越来越高，但是这些建筑结构在实际的使用过程中会受到多种因素的影响，导致建筑结构的构件出现损伤。比如环境因素、材料老化、持续荷载等因素，会使建筑结构的安全隐患不断增加，如果不及时采取有效的措施，则容易使建筑结构的安全性和可靠性受到极大影响，甚至发生结构破坏。


1、BIM技术概述
BIM 技术最早出现在美国，在当地政府的支持下，BIM 技术的研究力度得到了加强，随后在西方欧洲国家开始流行起来。伦敦在建筑的健康管理上强制推进了BIM 技术，旨在加强对建筑结构的健康监测。目前，我国也开始采用 BIM 技术来监测建筑结构的安全性和稳定性，尤其是在大型的建筑结构工程中，BIM 技术应用的频率较高。
经过国内数十年的发展，BIM 技术在我国的研究规模不断扩大。如出现了由 BIM 技术所延伸的 4D 虚拟施工与施工交底等相关技术，对建筑结构设计和施工等各个阶段的技术性问题分析与掌握也得到了增强。转型时期，BIM 技术的应用可以降低建筑信息模型造价高、培训难度大、建模困难、效率低下等相关问题，确保增强建筑行业转型的驱动力。由于 BIM 技术在认知研究上存在一定的误区，也使得该技术目前在我国的发展还存在较大的阻碍。受到 BIM 技术理念的影响，传统的建筑作业方式发生了较大的变化，而新的组织方式和行业准则开始融入建筑设计、建造和运维中来，继而能够从根本上解决项目规划设计到施工运营各个阶段的信息缺失问题，提高项目生命周期管理的效率。


2、结构健康监测概述
结构健康监测指在施工现场借助埋入或者粘贴表面传感器的方式，检测神经系统中是否存在损伤性的结构，将建筑结构中检测出的损伤报给控制台，从而增强建筑结构健康状况检测的效率。构成结构健康检测系统的要素包括数据采集与处理系统、传感系统、通信系统、报警设备、监控中心。结构健康监测系统主要应用在大型的建筑结构中，如大型的桥梁、建筑等。比如在虎门大桥的健康监测系统中，可以采用 GPS 动态监测系统对建筑结构的健康状况进行监测，其中建筑结构的数据从光纤各个测点传输到 GPS 接收机。在监测系统处理系统中，图形工作站和数据库服务器在数据传输时可以借助局域网来实现。但是由于部分信号线存在老化的问题，导致数据传输的效率大幅度降低，结构健康监测的精准性也较低。科学技术的发展使传感技术、信号分析技术、网络通信技术、结构分析理论等开始得到广泛应用，建筑结构健康监测的内容也开始变得更为丰富。通过连续实时在线监测建筑结构的状况，有利于提高建筑结构的安全性，从而增强建筑结构的管理效率。


3、BIM技术在建筑结构健康监测应用的现状
BIM 技术的核心在于将信息贯穿于建筑全部的生命周期中，通过将建筑物前期建筑施工建造与后期的维护管理结合起来，搭载三维模型，可以将建筑施工设计中所采集的数据上传到云端数据库，然后再将建筑结构健康监测系统上传到 BIM 平台上，能够加快构建一套建造期模型共用的数据库系统。


3.1  建筑结构健康监测的可视化
建筑结构健康监测信息的可视化指通过应用计算机图像处理技术，将原始抽象的监测信息分离出来，使数据转化到规律以及能够进行直观分析的图像图表中，从而提高信息交互处理的优势。结构健康监测的可视化，需要借助现代信息技术、人工智能技术、三维动画技术等来实现，从而提高数据信息直观的理解力度，确保各方能够更好地参与到数据信息的共享中来，加强各方的交流沟通，更好地发挥 BIM 技术的作用。
BIM 技术可视化和协同化的优势在于能够有效降低建筑结构监测中数据信息量大、人工分析数据耗时的缺陷，从而提高建筑结构健康监测与建筑信息模型应用的效率。通过构建建筑结构健康监测与建筑信息模型，从而建立一个现场施工的建筑结构监测管理系统，能促进建筑生命周期模型的效率提升，实现建筑模型的可视化动态监测，确保建筑施工现场安全监测与预警效率提升，为搭建建筑机构健康监测预警平台创造良好的条件。
基于 BIM 的建筑结构健康监测的附属功能模块包含场景设置、多媒体设置、输出设置模块。通过输出指定点的监测结果，能够定期获取相应的数据检测报告。通过 BIM 技术可以设置场景模块，打造二维、三维场景，还能够借助建筑结构现场的视频、语音、文档资料等来接入现场实时监控视频画面信息。


3.2  建筑结构健康监测信息管理
随着大型建筑结构的数量不断增多，城市中的高层建筑也越来越多，导致人地关系紧张。因此，加强对建筑结构的健康监测显得尤为重要。大型建筑结构在健康监测中，可以借助传感器的方式来采集数据信号，继而不断提高数据监测系统的使用效率。当前大型建筑结构的数据量巨大，数据库已经无法满足大型建筑结构的需要。因此，要加强大型数据库的建立和开发，构建结构健康监测数据管理开发平台。通过高效处理建筑结构的监测数据，实现对数据信息的采集、存储、查询和预警处理。
基于 BIM 技术的健康智能监测，采用多核学习、迁移学习的方式，获取建筑物结构状态感知的信息，并将建筑物结构现场监测的视频、图片等进行分类，从而提高建筑物结构健康监测的效率。建筑结构健康监测系统不仅能有效整合建筑结构监测和日常巡查等信息，还能及时监测建筑物结构运行状况的影响因素。通过对比建筑物、桥梁结构的特点、气候环境、材料性能等，结合相应的建筑物结构养护行为，建立建筑物结构生命周期态势的个性化深度学习预测方法。


3.3  建筑结构健康监测预警指标体系
一旦建筑结构出现了问题，要及时降低对建筑结构产生的危害，构建建筑结构监测预警的指标体系。通过应用 BIM 技术，可以在总结和归纳以往建筑经验的基础上，判断建筑结构的质量和安全性，继而向有关部门发出危险紧急信号，减少建筑结构中存在的安全隐患，及时处理建筑结构的质量，减少对建筑结构产生的危害。建筑预警管理模块可以提高对建筑数据的监测管理，建筑数据的预警管理包括建筑预警设置和预警管理这两个部分。其中，预警设置是通过形状显示、颜色高亮显示等方式联动查看预警数据和预警模型，设置建筑监测的曲线、时间，这样有利于建筑结构预警的快速构建。通过短信、微信、邮件等传播形式将建筑结构的预警信息及时发送给现场负责人，及时规避与防范风险。而建筑预警管理是借助 BIM 技术来建立安全预警管理系统，对建筑结构中可能产生的非健康因素进行监测和分析，及时采取相应的防范措施，避免“危险因子”的出现，从而保障工程安全。与此同时，预警管理系统还可以根据具体情况，增强预警设置内容的科学性和可操作性，定期开展对工作人员的培训教育，增强员工操作预警系统的水平。


3.4  BIM养护管理
BIM 养护管理可以对建筑的养护进行实时动态的跟踪管理，将建筑结构的基础信息、环境信息、养护进度、养护工程、养护资金等信息列入基于 BIM 技术的建筑结构健康监测系统中，并及时发现建筑结构中的病害信息，实时三维可视化地跟踪管理，从而促进建筑结构健康监测以及建筑结构养护档案的逐渐发展与完善。BIM 养护管理系统能够对建筑结构中出现的病害信息进行追溯和跟踪，自动关联 BIM 构建信息中的内容，从而快速和准确地定位病害所发现的位置，最终对建筑结构的属性信息、病害信息、维修记录等进行记录，便于以后的管理。要通过促进建筑工程数据信息结构化，来促进桥梁档案信息的不断发展和完善。


4、结束语
BIM 技术在结构健康监测系统中的应用，不仅能丰富健康监测系统的功能，还能提高对建筑结构损伤等因素的识别效率。尤其是对规模庞大、种类丰富的大型建筑结构而言，采用 BIM 技术有利于整合建筑结构的数据信息，实时掌握建筑结构工程动态信息状况，加强对建筑结构健康状况的监测与管理。同时，相关部门要加快培育优秀的 BIM 技术应用人才，加强对建筑结构健康监测的力度，使 BIM 技术与结构健康监测技术高效融合。




文章来源：《工程技术与应用》2020年第19期——BIM技术在结构健康监测中的应用（李萃）