索橋養(yǎng)護(hù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型——纜索承重橋養(yǎng)護(hù)中的數(shù)字孿生模型

    纜索承重橋是一種重要的橋梁類型，在國家交通樞紐領(lǐng)域中扮演著重要角色，設(shè)計(jì)使用壽命通常都超過100年。如果這種重要交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生功能性喪失或倒塌事件，將帶來嚴(yán)重的社會(huì)影響，最近發(fā)生的莫蘭迪大橋倒塌事件就是一個(gè)反面教材�？紤]到安全因素，懸索橋主纜必須進(jìn)行拉力測試，但建議在30年后進(jìn)行目視檢測。為了從類似的案例中吸取經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，防止此類事件的再次發(fā)生，學(xué)習(xí)和交流新的養(yǎng)護(hù)方法，紐約州交通廳橋梁管理局首席橋梁工程師Mahmoud提出了一種橋梁纜索剩余使用壽命的評(píng)估方法。他提出，橋梁在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該開始儲(chǔ)存和保留各種數(shù)據(jù)信息，因?yàn)樵谖磥淼?00年間，這些數(shù)據(jù)可能將被許多人使用。如果在遇到問題時(shí)僅僅依靠由幾個(gè)專家維護(hù)的現(xiàn)行信息管理和積累系統(tǒng)，這種局限性是顯而易見的。

    纜索承重橋通常都搭配適用的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，其中就包括一套橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁運(yùn)營期間積累的數(shù)據(jù)，對(duì)橋梁整體系統(tǒng)承載力評(píng)估和重要構(gòu)件的斷裂管理，具有非常重要意義。在國家高速公路合作研究項(xiàng)目（NCHRP）543的報(bào)告中，可以通過5種類型的局部小環(huán)境進(jìn)行觀察，進(jìn)而找到纜索出現(xiàn)裂縫、斷裂、滲水等問題的源頭。這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)可以借鑒并應(yīng)用在未來的橋梁維護(hù)中，以此提升整體養(yǎng)護(hù)水平。韓國西海大橋因火災(zāi)造成纜索斷裂的事件表明，對(duì)大橋進(jìn)行分析評(píng)估，以及可靠信息的隨時(shí)可用是十分必要的。這些信息可以幫助橋梁專家做出正確判斷，以便在此類事件中做出及時(shí)反應(yīng)并制定恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。當(dāng)時(shí)如果沒有這些信息共享或沒有數(shù)字化的信息做支撐，養(yǎng)護(hù)部門就無法完成韌性橋梁管理。

    橋梁信息數(shù)字化

    自從建筑信息建模（以下簡稱BIM）技術(shù)在橋梁領(lǐng)域應(yīng)用以來，出現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)和施工方面的創(chuàng)新案例，這也讓全壽命數(shù)據(jù)管理成為可能。有了BIM技術(shù)，橋梁設(shè)計(jì)者可以一定程度保證橋梁未來性能的確定性，這種確定性可以直接改進(jìn)、優(yōu)化橋梁的設(shè)計(jì)，并節(jié)約整體成本。纜索承重橋作為設(shè)計(jì)使用壽命最長的橋型，在設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中都要考慮美學(xué)、安全性、可施工性等因素，而且現(xiàn)在又增加了一個(gè)需要考慮的新課題，那就是意外情況下的可恢復(fù)性。由于只有少部分的專家可以獨(dú)自處理設(shè)計(jì)和施工方面的問題，因此在理解和應(yīng)對(duì)生命周期中所有潛在問題方面，仍然存在一定局限性。

    已有多位專家提出了需要建立基于BIM的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)。這是一種三維數(shù)字模型平臺(tái)，可以輸入和輸出相關(guān)數(shù)據(jù)。開發(fā)基于數(shù)據(jù)工程的端口系統(tǒng)，可以對(duì)設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和維護(hù)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和記錄，但是這種基于模型的數(shù)據(jù)管理將超過單個(gè)結(jié)構(gòu)的范圍。

    最近提出了一種新的概念，叫數(shù)字孿生模型（以下簡稱DTM）。這種模型可以對(duì)諸如機(jī)械產(chǎn)品等多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行性能監(jiān)測，并能夠預(yù)測其在未來運(yùn)行期間的性能變化。即使對(duì)于需要進(jìn)行長期、持續(xù)性養(yǎng)護(hù)管理的纜索承重橋梁來說，DTM也是一種有效的方法，就像人體的健康護(hù)理一樣。監(jiān)測系統(tǒng)通過收集橋梁對(duì)各種事件響應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行語言轉(zhuǎn)換與數(shù)字模型鏈接，從而實(shí)現(xiàn)模型分析和系統(tǒng)更新。

    庫存與編碼系統(tǒng)

    目前，橋梁信息一般采用多份報(bào)表的方式進(jìn)行管理。橋梁數(shù)據(jù)的積累、整理和使用也需要按照基于數(shù)字化模型流程進(jìn)行有效管理。一般來說，懸索橋和斜拉橋的構(gòu)成主要包括：纜索、塔架、加勁梁、錨碇和基礎(chǔ)�；�于模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要與相關(guān)的三維數(shù)字模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

圖1 數(shù)字化橋梁模型和相關(guān)數(shù)據(jù)庫

    如圖1所示，橋梁構(gòu)件庫存的組織及其相關(guān)信息已經(jīng)被定義。數(shù)字模型將根據(jù)實(shí)際檢測實(shí)踐的要求進(jìn)行建模。數(shù)據(jù)庫由每個(gè)構(gòu)件的屬性和提交文檔組成。在實(shí)際的橋梁運(yùn)營過程中，數(shù)據(jù)庫中會(huì)積累更多的信息。模型和數(shù)據(jù)庫通過已定義代碼系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)管理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)未來性能的預(yù)測，代碼的定義應(yīng)在國家層面進(jìn)行建立。

    全數(shù)據(jù)鏈的數(shù)字模型為移動(dòng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備（AR）、無人機(jī)掃描和通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化損傷檢測等養(yǎng)護(hù)實(shí)踐，提供了創(chuàng)新性解決方案。為了達(dá)到這些目的，在項(xiàng)目交付時(shí)，需要對(duì)已編碼的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)數(shù)字模型進(jìn)行修改。對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來說，更簡潔的模型將更適合完成更多種類的任務(wù)。橋梁業(yè)主在決定模型使用時(shí)，需要考慮養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的主要功能。

    損傷定義

    美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃報(bào)告2指出，服役超過100年的橋梁要在3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。一、因?yàn)闃蛄簶O其重要的地位或高昂的重建成本，這些橋梁在100年服役壽命中必須得到良好的維修與養(yǎng)護(hù)。二、橋梁使用功能性改變和極限服役狀態(tài)要求的適用性。三、在早期設(shè)計(jì)階段，這些橋梁就已經(jīng)進(jìn)行了超安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。為了能夠從過去的事故中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)數(shù)字孿生模型（DMT）的損傷相關(guān)信息進(jìn)行定義就顯得十分必要，例如破壞來源、破壞機(jī)理、破壞模型和失效模式。

    破壞模型為橋梁構(gòu)成部分、構(gòu)件和子系統(tǒng)的使用壽命，提供了定量預(yù)測。但是，這些模型非常具有局限性，因?yàn)樗鼈兇蠖喽蓟�于�?shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)。這些數(shù)學(xué)模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停�需要利用斜拉橋在長期運(yùn)營過程中積累的數(shù)據(jù)，進(jìn)行修正或校準(zhǔn)。數(shù)字孿生模型及其構(gòu)件關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，提供了特定條件下性能的數(shù)據(jù)湖。數(shù)據(jù)湖是政府考慮到數(shù)據(jù)安全性而提出的一個(gè)開放的數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以用于定義缺陷故障樹并幫助制定信息需求計(jì)劃。

    自建立橋梁檢測工作指南以來，橋梁業(yè)主積累了大量的檢測數(shù)據(jù)。但是，對(duì)于那些想開發(fā)一種基于現(xiàn)場性能的橋梁退化模型的科研人員來說，這些數(shù)據(jù)是不可用的。為了解決這個(gè)問題，提出了如圖2所示的損傷代碼系統(tǒng)。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)損傷定義

圖3 缺陷成因（Atorod 等，2013）

    養(yǎng)護(hù)信息要求和交付

    纜索承重橋信息要求應(yīng)考慮長期和臨界現(xiàn)象的關(guān)鍵問題，有待進(jìn)一步明確。這些要求是由工程師和橋梁信息管理人員提供，圖4描述了一個(gè)橋梁信息交付計(jì)劃的示例�，F(xiàn)行的橋梁養(yǎng)護(hù)措施均需遵循項(xiàng)目移交時(shí)制定的特定指南。多數(shù)纜索承重橋服役使用時(shí)間長，系統(tǒng)文檔的數(shù)字化程度不高。但是，這些檢測和評(píng)估歷史數(shù)據(jù)對(duì)新的維修系統(tǒng)至關(guān)重要。為了能夠?qū)⑿畔⒓{入數(shù)字化模型之中，需要根據(jù)建議的信息架構(gòu)，將信息進(jìn)行仔細(xì)篩選和管理。

圖4 信息交付計(jì)劃

    雖然橋梁運(yùn)營過程中所做的決策有賴于過往的積累信息，但是損傷歷史并不足以評(píng)估橋梁各方面的功能性要求，例如安全性、可用性、耐久性和可恢復(fù)性。通過數(shù)字模型與數(shù)值分析模型的互通性，模型可以在每一次定期評(píng)估中進(jìn)行更新。

    纜索承重橋數(shù)字孿生模型

    數(shù)字孿生模型的定義

    纜索承重橋各組成部分的數(shù)字孿生模型,其定義會(huì)根據(jù)模型的不同用途而有所區(qū)別。圖5顯示的是一個(gè)懸索橋加勁梁模型。在模型制作階段,就應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)條款和準(zhǔn)則作為約束條件。參數(shù)化建模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的構(gòu)件尺寸,連接和公差建模。智能模型為工程師提供了更多的節(jié)段或細(xì)節(jié)替代方案,實(shí)現(xiàn)了更高效的設(shè)計(jì)。

圖5 一片加勁梁的數(shù)字孿生模型

    在聯(lián)邦模型中需要考慮模型細(xì)節(jié)、開發(fā)級(jí)別（LOD）或信息級(jí)別（LOI）不同用途的需求。全橋模型通過橋梁校直來實(shí)現(xiàn)模型裝配，橋梁各構(gòu)件的模型庫可以根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行籌建。

    在當(dāng)前的實(shí)際橋梁工程中，負(fù)責(zé)橋梁設(shè)計(jì)、制造、施工和養(yǎng)護(hù)的單位都不相同，數(shù)字孿生模型需要所有參與單位的協(xié)同合作，這也是模型定義過程中最困難的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，制造企業(yè)開始使用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（3D CAD）來進(jìn)行機(jī)械制造和構(gòu)件規(guī)格質(zhì)量控制。為了能夠生產(chǎn)出預(yù)制尺寸的構(gòu)件，承包商使用更新后的3D模型來進(jìn)行施工管理。

    試驗(yàn)性應(yīng)用

圖6 一座懸索橋的數(shù)字孿生模型

    圖6顯示的是韓國一座懸索橋的數(shù)字孿生模型。這種基于圖像的檢測技術(shù)正在對(duì)一個(gè)普通的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行檢測。這種檢測需要通過以往的檢測數(shù)據(jù)收集不同損傷類型的圖像。但是，這涉及重要運(yùn)輸設(shè)施的數(shù)據(jù)安全，也是養(yǎng)護(hù)過程中一個(gè)難以克服的障礙。在此之前，損傷檢測需要形成2D圖紙后才能正式交付。但是現(xiàn)在，點(diǎn)云數(shù)據(jù)或圖像將取代過去的做法。因?yàn)槟壳敖Y(jié)構(gòu)檢測需求正在與日俱增，這種方法將更快速、更高效地完成檢測任務(wù)。

    對(duì)于韓國的纜索承重橋梁來說，初代健康監(jiān)測系統(tǒng)目前已經(jīng)無法滿足需要，必須進(jìn)行升級(jí)，而且部分傳感器也需要進(jìn)行替換。對(duì)于橋梁業(yè)主而言，他們最關(guān)心的是疲勞、腐蝕和連接失效等局部損傷問題。這些更先進(jìn)的監(jiān)測系統(tǒng)，需要搭配能夠?qū)�橋梁性能進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估的分析模型。于是，大家把目光鎖定在了數(shù)碼孿生模型上。數(shù)碼孿生模型不僅可以滿足新的要求，還可以進(jìn)行更好的橋梁養(yǎng)護(hù)。橋梁的局部性能可以通過與數(shù)字孿生模型連接的有限元模型進(jìn)行分析。在初代數(shù)字孿生模型中，由于有限元分析模型是基于校直的參數(shù)模型，所以可以直接導(dǎo)出有限元分析模型。橋梁當(dāng)前的退化和損傷改變了有限元分析模型的輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，這種情況下，材料模型也出現(xiàn)了下降。在這次的二代數(shù)字孿生模型中，將嵌入來自監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)作為有限元分析模型結(jié)構(gòu)性能的現(xiàn)場驗(yàn)證。輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)的全面更新，不僅降低了材料模型，還降低了固有頻率、加速度響應(yīng)、索張拉力，甚至整體模態(tài)振型。通過傳感器數(shù)據(jù)和分析之間的相互作用，可以記錄局部應(yīng)力，以便進(jìn)行疲勞評(píng)估和分析模型更新。

    既有監(jiān)測系統(tǒng)接口

    截至目前，基于BIM的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)和既有監(jiān)控系統(tǒng)之間缺少匹配接口。養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)只能獲得可視化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通常情況下，初代模型在項(xiàng)目交付之前通過動(dòng)態(tài)響應(yīng)完成更新。當(dāng)模型與有限元分析之間完成充分交互作用后，可以利用傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬孿生模型進(jìn)行模擬仿真。

    纜索承重橋有限元分析模型由框架單元和約束單元組成。每一個(gè)3D數(shù)字模型的分析參數(shù)都有屬性定義。在數(shù)字模型中，除了像懸索橋主纜等一些特定橋梁構(gòu)成外，其他參數(shù)數(shù)據(jù)集都可以自動(dòng)生成。

    對(duì)于分析互操作性的另外一個(gè)比較有挑戰(zhàn)性的問題，是通過更新數(shù)字模型參數(shù)來模擬退化模型。由于局部損傷對(duì)整體或橋梁各部的影響尚未完全確定，當(dāng)橋梁發(fā)現(xiàn)了新的損傷，這些新的監(jiān)測數(shù)據(jù)就需要繼續(xù)輸入模型。有了現(xiàn)場性能數(shù)據(jù)將極大改善基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的材料或構(gòu)件退化模型。

    本文刊載 /《大橋養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營》雜志

    2020年 第3期 總第11 期

    作者 / CS Shim HR Kang NS Dang

    作者單位 / 韓國中央大學(xué)土木工程系

    編譯 / 趙帝 陳晨

    責(zé)編 / 裴小吟