基于BIM的结构健康监测现状研究*

黄静怡，蒋晶晶

（广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006）

0 引言

随着科技的进步生活水平的提高，人类对建筑业的探索也在不断向前，复杂如港珠澳超大跨海桥梁、超大跨空间结构北京奥运会体育馆、超高层建筑上海中心、大型水利工程三峡大坝等的大型结构工程得以兴建，在它们长时间的服役期间中将不可避免的受到环境因素、材料老化和持续荷载等因素的作用，由此引起结构构件的损伤积累从而导致抗力衰减，继而在恶劣情况下灾难事故得以发生。为了让结构的安全和可靠度有所保障，许多正在使用中的大型结构和基础设施急需采取有效的监测手段为其的正常使用保驾护航并评定其安全状况[1-4]。结构健康监测技术从21世纪初期开始兴起并产生可以联合不同工程学科的分支，结构健康监测将成为工程研究领域的前沿方向。

建筑信息模型的核心是信息，而信息就是由计算机建立的一个三维模型组成的数据库，项目的物理特征和功能都可以用数字化来表达，包含了项目从最初的设计施工到建成使用和后期运营维护的全生命周期的信息[5]。大型建筑数据量庞大，对于后期维护和实时健康监测调取数据尤其不便。BIM(Buliding Information Modeling，简称BIM)的诞生使得这一难题得到解决，在建立的BIM管理平台上，包含了项目全生命周期的所有信息，大大方便监控监测数据分析时随时调用。

1 研究现状

1.1 BIM研究现状

美国作为BIM技术的起源地，在国家总务署、美国陆军工程兵团、Builiding SMART等机构和政府的大力引导和推动下，BIM的研究与应用最为领先；作为众多全球领先设计企业总部的伦敦，加上有效执行了政府发布的强制使用BIM的文件，英国的设计公司在BIM实施方面也相当领先[6]。欧美和日本、中国香港等发达国家和发达地区都在大力推广该技术，国外的许多大型项目上都可见到BIM技术的身影。

直到2004年的AutoCAD2005产品宣传会，BIM才逐渐被中国各业界所了解。在“十一五”期间，国家科技支撑计划重点项目已把BIM技术收入其中；在《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》中明确的提出：“十二五期间要加快建筑信息模型、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用”[7]。清华大学建筑设计研究院、中建国际、上海现代建筑设计集团等多家国内先进设计团队和地产公司积极响应国家政策的号召，纷纷成立BIM技术小组，开始对BIM技术进行各方面的研究[8]。

赵毅力在2008年将BIM技术与建筑节能相结合，通过对建筑节能软件的分析，对软件的基本需求和工作流程有了一定的了解后，建立了包含建筑节能功能模块的BIM数据管理平台，并开发了可以让用户通过交互界面访问BIM数据的BIM数据管理平台原型系统[9]。2011年张建平等通过建立4D施工模型和建立资源信息系统，该系统可以在施工阶段对人力材料和机械设备进行动态管理并且实时监控工程成本[10]。

通过在中国知网 (CNKI)检索所有篇名包含“BIM”的期刊文献作为样本，统计了2003年至2016年间发表的论文数量，见图1，以及分属学科，见图2。

图1 论文发表数量

图2 论文分属学科

我国BIM技术的研究已经初具规模，国内BIM的研究处于在以模型为基础的协同和以网络为基础的集成阶段之间，所面临的问题主要是例如4D虚拟施工和施工交底等有关设计阶段和施工阶段之间协同性的技术性问题，BIM的发展还需要更多的技术指导来做支撑[11]。

然而，BIM的应用还处于转型阶段。对建筑信息模型的应用费用高、应用软件体系不健全、培训难度大、建模困难以及短期的工作效率低等因素，使得建筑行业转型的驱动力不足，同时工程技术人员的心理和思维方式对建筑业转型的阻力也比较突出[12]。加上对BIM的认知存在误区，导致BIM在国内的发展有一定的障碍。

在BIM技术的推动下，建筑业的传统思维模式及作业方式将发生大变革，将新的组织方式和行业准则加入到设计、建造和运维过程中去，让工程项目从规划设计到施工运营等各阶段的信息丢失问题在根本上得到解决，实现工程信息在项目全生命周期得到有效的利用与管理，从而在工程质量和作业效率上有显著提高，最终得以为建筑业带来巨大的效益[13]。

1.2 结构健康监测研究现状

结构健康监测 (Structural Health Monitoring，SHM)是指在现场采用埋入或粘贴表面的传感器作为神经系统的无损伤结构的传感技术，可以检测出结构内部的损伤并预报给控制台，达到监测结构健康状况的作用[14]。基本的结构健康监测系统应包括传感系统、数据采集和处理系统、通讯系统和监控中心和报警设备[15]。

近几年，在国内有越来越多的工程结构应用结构健康监测系统，大部分应用于大跨桥梁。在虎门大桥项目中，朱桂新等开发了虎门大桥健康监测系统，该系统以对大桥的三维位移GPS实时动态监测系统为主[16]，邱法维等开发了虎门大桥应变监测数据处理系统[17]。但是就传播途径来看，GPS实时动态系统的数据是通过光纤从各个测点传到GPS接收机；应变监测数据处理系统中，图形工作站与数据库服务器通过局域网实现数据传输。这样在信号线上的安装就有一定的工作量，加上风吹日晒的常年累积，信号线的老化对信号的采集会有一定的影响。

另外，进入21世纪后，各大高校也都在结构健康监测方面进行研究和探索。上海同济大学教授赵鸣教授主要从事结构健康监测方面的研究，在2006年指导研究生史学涛开发了新型健康监测系统：一种是基于无线传感技术用来监测结构动力信息的健康监测系统；另一种是利用光纤光栅来监测结构静态信息的健康监测系统[18]。武汉理工大学研究生邱航于2010年开发的结构健康监测客户端系统中加入了无线传感网络技术[19]，该系统通过无线信号收集多个子节点的监测信息，再将不同建筑物的监测信号集成到一个主节点上，可以对多个不同的建筑物进行联合监测。

随着科学技术的发展与进步，传感技术、信号分析处理技术、网络通信技术、结构分析理论等的加入不仅大大丰富了结构健康监测的内容，也可连续实时在线监测结构的状况，确保结构的安全，并提高管理水平[20]。

2 基于BIM的结构健康监测

将信息贯穿项目的全生命周期是BIM的核心应用，使建筑物前期的施工建造与后期的维护管理可以很好的结合起来，以三维模型为载体，将设计施工中的所有数据采集并传到云端数据库永久储存，再将健康监测系统集成到BIM平台上，与建造期的模型共用一套数据库。

2.1 结构健康监测可视化

结构健康监测信息的可视化是将原始抽象的监测信息利用计算机的图像处理技术，进行数据转换得到规律条理的、可用于直观分析的图表或图像，从而实现信息的交互处理[21]。许多学者在监测可视化系统研发方面做了相关研究，比如：

袁景凌采用多线程实现实时可视化，按实现功能将可视化进程划分为读取数据线程，分析数据线程，声音报警线程，显示线程。并利用Open GL图形编程接口，绘制出三维图形并能对其进行任意放大、缩小、平移、旋转操作[22]。但是只有三维图形，并不能动态显示。

谢全宁开发了桥梁远程健康监测系统，将桥梁的三维模型放入该系统，用户可以直接操作三维模型，实现更为简洁直观的人机交互的同时，也对计算机图形学在工程领域中的应用进行了扩展[23]。

唐练在研究了国内外桥梁健康监测系统后，基于三维可视化并结合软件系统和插件的特点，开发了插件式三维可视化桥梁健康监测系统[24]。但是该方法的不足在于建模比较困难，而且监测数据和结构模型之间的交互性不是很完善。

综上，结构健康监测可视化的研究结合了计算机技术、三维动画、人工智能等技术，达到让复杂的数据更直观更方便理解的目的。然而以上的研究成果并不能更好的实现各参与方的信息协调和数据共享，与项目中其他参与方之间的交流协同并不多，缺乏信息的交互与共享，没有完全实现BIM的价值。

2.2 结构健康监测信息管理

随着经济发展和科技进步，大型结构也慢慢多起来。为了可以在事故未发生时提前预警以减少灾害发生带来的危害，在日常的管理中就要对这些大型结构进行健康状况的监测。在大型结构的健康监测中，要对大量不同类型的传感器采集到的数据信号进行处理，要提高监测系统的效率，就要对数据记录、整理、分析、存档功能上着重考虑，为后续的处理提供良好的条件。

目前开发者们使用比较多的系统是Oracle、SQL Server、My SQL、Access等，他们适用于开发不同规模的系统，Oracle适用于大型系统、SQL Server适用于大中型系统、My SQL适用于小型系统、Access适用于个人系统。

大型结构的数据特点就是类别多且有巨大的数据量，因此一般的数据库满足不了它的要求，在此Oracle数据库的强大性能得以体现，被选作为健康监测数据管理的开发平台。林健富在Oracle据库开发平台上，根据对各传感器的分类、采集到信号的时间等，建立相应的数据库系统，对采集到的大量数据进行有效地存储、管理、查询以及对异常数据的预警处理[25]。

张昆在对Revit和施工资料管理软件的初步研究后，从编码和对API的二次开发等层面上总结出一系列的BIM软件集成方法，为后续BIM工程软件的开发提供了一定的借鉴[26]。

姜绍飞对在结构健康监测与损伤识别领域取得的研究成果从现代信号处理、神经网络、模糊理论、数据融合(信息融合)、分形理论、粗糙集、进化计算等方面进行了归纳总结，并对该领域在今后的进一步工作上进行了探讨和展望[27]。

岳清构建了桥梁结构养护过程中的信息管理系统，系统能够快速及时地通过计算机网络提供数据库中的桥梁状态信息，灵活地以图文并茂、友好自主的方式显示[28]。

张洋等以C#编程语言和SQL Server数据库为工具，开发了隧道洞门钢环检测数据处理与分析系统，利用该系统可进行洞门钢环空间形态的拟合，计算和输出洞门钢环的特征值，将各洞门钢环的观测数据和计算成果入库，完成洞门钢环空间形态的质量评价[29]。

综上，监测数据能取得有效和高效的处理，以及被较好的保存，对设计者和建造者都是十分宝贵的资料。但是目前大多监测系统往往只是对各采集数据进行单独的分析，缺乏每一参数对全结构的影响及各个参数间的交互影响。

2.3 结构健康监测预警指标体系

预警是指系统根据以往总结的经验或通过日常观测得到的可能性前兆，在灾害发生前向相关部门发出报告危险的紧急信号，以避免危害在毫无准备的情况下突然降临，从而可以在最大程度上减轻危害所造成的损失的行为。在土木工程中，结构健康监测预警是通过一系列的科学分析方法去感知结构的异常信息，以便在危害发生前可以及时采取有效措施以保障结构的安全，从而避免或减轻危害造成的损失。

肖鹏在总结前人开发远程健康监测系统的基础上，自主设计开发了一套远程可视化的健康监测系统。涉及到多用户系统的通讯模式、监测数据获取和传输方式、图表显示界面的功能和3D可视化图形显示的实现方法等核心技术[30]。

王勇辉以土木工程结构为研究对象，通过土木工程结构预警中预警指标的选取、预警指标阈值的设定及预警模型的构建三个核心内容，来论述结构健康监测预警系统的体系[31]。

苏成等开发了在线桥梁结构预警体系，系统通过对预警指标、阈值和流程的研究，明确了预警指标中承载能力利用率和年疲劳损伤度、疲劳车辆荷载、跨中竖向变形及固有频率变化率等是研究重点，利用实测法计算了构件的年疲劳损伤度，同时进行其他预警指标的计算。该系统已成功应用于实际结构的长期监测中，可及时发现结构的异常，保障结构的安全运营[32]。

廖思博基于Navisworks平台开发了安全风险预警系统，将BIM技术与地下工程穿越既有结构安全风险预警相结合，实现了对BIM管理平台数据格式转化问题，同时还嵌入了模型，最终建立起集“监测-分析-报警”为一体的地下工程穿越既有结构动态、可视、实时的安全风险预警系统。该系统的在实际项目的成功运用，不仅提高了地下工程穿越既有结构类项目的安全风险预警水平，也对拓展BIM技术应用的深度与广度和BIM技术在工程领域的推广有重要意义[33]。

综上，土木工程结构健康监测预警系统通过自动监测数据来发现结构的异常，及时采取有效措施保障结构的安全。伴随着新型传感系统的开发与物联网技术的发展，结构健康监测中结合物联网、云计算平台和大数据技术将是未来的主要发展趋势。

3 结语

结构健康监测是一门21世纪才发展起来的新兴科学，正处在快速开展之中，BIM技术与结构健康监测的结合是一个新的方向。将BIM技术运用到结构健康监测中，丰富了健康监测系统的功能，方便管理和有助于发现和识别损伤失效的构件。特别对于工程规模庞大、数据种类繁多的大型建筑结构，采用BIM技术可以将各个阶段的信息整合到一个完整的建筑信息模型中，可以直接观测整个工程的实时动态。但是目前基于BIM的结构健康监测工程案例仍然较少，因此为了推广此技术的应用，除了要对传感器技术、损伤检测、模式识别、数据处理等方面的研究，还要加大对专业人才的培养以及取得政府的政策支持和鼓励。

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