畢都高速北盤江大橋為世界最高橋，俗稱北盤江第一橋，本文針對北盤江第一橋的結構特點及運營環境，研發了基於結構風險管理和無線Zigbee技術的結構安全監測系統，採用無線Zigbee技術使監測設備布設更加靈活、維護更加方便。引入BIM技術實現橋梁安全監測與養護一體化、運維管理3D可視化。通過試運行監測數據分析和運營管理實踐表明，該系統能夠對大橋的結構響應進行實時監測，並通過信息化技術有效指導大橋管養。
北盤江第一橋位於貴州省六盤水市水城縣都格鎮，是G76杭瑞高速貴州省畢節至都格（黔滇界）公路跨越北盤江大峽谷的一座特大型橋梁，與雲南省已建的杭州至瑞麗高速普立至宣威段相接。大橋橋位處的北盤江峽谷，兩岸地勢陡峭，地形變化急劇，起伏很大，施工布置場地狹小，河谷深切達600m。受地形條件和技術水平的制約，大橋主橋採用主跨720m鋼桁架梁斜拉橋方案，全橋橋跨布置為（80+88+88+720+88+88+80）（主橋）+3×34（引橋），全橋長為1341.4m，為目前世界第二大跨徑的鋼桁架梁斜拉橋，橋面至水面垂直高差達565米，為世界最高橋。
建立北盤江第一橋的結構安全監測系統和基於BIM的管養信息化系統，其目的是採集原始數據並進行結構分析，準確地對大橋全橋狀況作出評估，及時獲取大橋在運營期間的工作狀態和力學行為，及時對其安全性能作出評價和預警，使得大橋的安全性處於受控之中。開發基於BIM和資產管理理念的管養信息化系統，實現管養全過程的數位化、可視化，大幅提高檢測、養護工作精細化水平。
基於BIM的大橋管養信息化模型
BIM技術是一種數據化工具，旨在將建築物全壽命周期的信息進行共享和傳遞。北盤江第一橋監測系統將BIM技術、BIM可視化模型與網際網路技術等相結合，為監測系統的結構數據共享、數據分析、狀態評估等服務功能提供全面的信息化服務。
構建基於BIM的大橋養管信息化模型的基礎，是橋梁構件編碼離散化，系統基於橋梁構件特性、風險分析等原則對其進行單元化解析，建立單元終身ID編碼體系，並將單元靜動態屬性與ID編碼進行唯一性關聯，便於建立BIM可視化模塊。
圖1 系統構架
大橋結構安全監測系統通過調用BIM資料庫並結合風險庫、檢查檢測措施庫、病害庫等進行有效的安全預警，系統構架見圖1。大橋BIM資料庫，用於存儲和調用不同類型的數據信息，實現橋梁3D模型與管養信息的可視化展示。
北盤江第一橋BIM模型精度等級達到了LOD300，能夠實現大橋構件層級的可視化數據管理，實現了模型漫遊、構件查看、病害評級篩選等功能，BIM 3D可視化模型見圖2。
圖2 構件層級的可視化模型
圖3 BIM可視化模型在中心的實際操作
基於無線技術的結構安全監測系統設計
監測項及監測點
根據北盤江第一橋自身的運營環境、整體及局部受力特點，根據實用性、可靠性、技術先進性和耐久性，對主橋和引橋擬定結構安全監測項目及監測點布設方案。
大橋監測內容主要分為荷載源、結構靜動力響應兩大部分：
1.荷載源監測項：風荷載（包括風速、風向），溫溼度（包括空氣溫溼度、結構溫度場）監測，動態交通荷載監測（包括視頻交通監測），地震動監測。
2.結構靜動力響應：
(1)結構靜力特性監測項，包括關鍵代表性構件受力、控制點的空間變位狀況。
(2)結構動力特性監測項，包括橋梁主梁、拉索等構件固有動力特性監測與分析。
全橋測點總計191個，測點布置見圖4。
圖4 北盤江大橋測點布置圖
系統組網
考慮到北盤江第一橋結構特點和傳感器的布設情況,選用分布式數據採集方案，數據傳輸網絡選用工業乙太網,分為兩級：主幹光纖仍採用傳統冗餘環網,第二級為分支鏈狀網絡,無線傳感器的網關及其他信號調理器等終端設備,直接連接到主幹管理型交換機上。無線網關具有備用鏈路,通過運營商網絡將數據上傳至雲伺服器,可實現快速安裝，快速部署、快速投入使用。無線加速度傳感器採用低功耗晶片和功率器件,由太陽能電池板供電即可滿足功耗要求。系統網絡充分考慮了現場無線傳輸和遠距離有線傳輸。保證系統的現場便利性,同時提高遠程傳輸的可靠性。
圖5 監測頁面實例
監測數據分析
為驗證無線傳感器在北盤江第一橋中的應用效果，選取大橋貴州側拉索振動監測數據進行分析。
圖6 貴州側斜拉索振動極值統計圖
可以看出，在運營期大部分時間內斜拉索振動在正常範圍之內，加速度均方根值小於30mg，主要受風和汽車荷載的耦合作用。個別斜拉索在個別時間發生了較大振幅的振動。通過數據分析可知，拉索最大振動發生在ACC-C10-001（索號GZ-Z15-R）處，最大加速度均方根值為77mg。其他振動較大的拉索為ACC-C11-001（索號GZ-Z21-R），最大加速度均方根值為43.2mg。通過對原始時程數據分析，可知此二根拉索分別在2017-11-24 09:40、2017-12-03 06:10振動較大，隨後恢復正常。
實測各個監測斜拉索索力均明顯小於設計容許索力，安全係數在3.8～6.2之間，說明大橋拉索安全儲備較大，大橋運營過程中斜拉索處於安全狀態；部分索振幅較大，可能對錨頭及減震架耐久性有一定損害，需引起管養階段的關注。
圖7 振動最大處時程
監測系統自2017年9月投入使用，到2019年10月已正常運行2年多的時間。目前按照季度出具監測數據分析報告，開展了專項評估分析工作。以下為索力評估情況。
本文設計了基於BIM技術的信息化管養系統和無線Zigbee技術的北盤江第一橋結構安全監測系統，BIM和無線技術的應用便於信息共享和系統靈活部署。運行期間監測數據分析和BIM管養系統應用情況表明，信息化手段為大橋安全狀況評估提供有效數據，能夠服務於運營期北盤江第一橋的養護管理等決策的制定。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2019年 第4期 總第8期
作者 / 孫小飛 李陽 周平
作者單位 / 貴州高速公路集團