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

    纜索承重橋是一種重要的橋梁類型，在國家交通樞紐領域中扮演著重要角色，設計使用壽命通常都超過100年。如果這種重要交通基礎設施發(fā)生功能性喪失或倒塌事件，將帶來嚴重的社會影響，最近發(fā)生的莫蘭迪大橋倒塌事件就是一個反面教材�？紤]到安全因素，懸索橋主纜必須進行拉力測試，但建議在30年后進行目視檢測。為了從類似的案例中吸取經(jīng)驗、教訓，防止此類事件的再次發(fā)生，學習和交流新的養(yǎng)護方法，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估方法。他提出，橋梁在設計之初就應該開始儲存和保留各種數(shù)據(jù)信息，因為在未來的100年間，這些數(shù)據(jù)可能將被許多人使用。如果在遇到問題時僅僅依靠由幾個專家維護的現(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)護系統(tǒng)，其中就包括一套橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。橋梁運營期間積累的數(shù)據(jù)，對橋梁整體系統(tǒng)承載力評估和重要構(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目（NCHRP）543的報告中，可以通過5種類型的局部小環(huán)境進行觀察，進而找到纜索出現(xiàn)裂縫、斷裂、滲水等問題的源頭。這些經(jīng)驗和教訓可以借鑒并應用在未來的橋梁維護中，以此提升整體養(yǎng)護水平。韓國西海大橋因火災造成纜索斷裂的事件表明，對大橋進行分析評估，以及可靠信息的隨時可用是十分必要的。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反應并制定恰當?shù)慕鉀Q方案。當時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）技術在橋梁領域應用以來，出現(xiàn)了許多設計和施工方面的創(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，橋梁設計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、優(yōu)化橋梁的設計，并節(jié)約整體成本。纜索承重橋作為設計使用壽命最長的橋型，在設計的各個環(huán)節(jié)中都要考慮美學、安全性、可施工性等因素，而且現(xiàn)在又增加了一個需要考慮的新課題，那就是意外情況下的可恢復性。由于只有少部分的專家可以獨自處理設計和施工方面的問題，因此在理解和應對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)護管理系統(tǒng)。這是一種三維數(shù)字模型平臺，可以輸入和輸出相關數(shù)據(jù)。開發(fā)基于數(shù)據(jù)工程的端口系統(tǒng)，可以對設計、建造、運行和維護過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行監(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）。這種模型可以對諸如機械產(chǎn)品等多個目標進行性能監(jiān)測，并能夠預測其在未來運行期間的性能變化。即使對于需要進行長期、持續(xù)性養(yǎng)護管理的纜索承重橋梁來說，DTM也是一種有效的方法，就像人體的健康護理一樣。監(jiān)測系統(tǒng)通過收集橋梁對各種事件響應的數(shù)據(jù)，并將其進行語言轉(zhuǎn)換與數(shù)字模型鏈接，從而實現(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表的方式進行管理。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。基于模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要與相關的三維數(shù)字模型進行關聯(lián)。

圖1 數(shù)字化橋梁模型和相關數(shù)據(jù)庫

    如圖1所示，橋梁構(gòu)件庫存的組織及其相關信息已經(jīng)被定義。數(shù)字模型將根據(jù)實際檢測實踐的要求進行建模。數(shù)據(jù)庫由每個構(gòu)件的屬性和提交文檔組成。在實際的橋梁運營過程中，數(shù)據(jù)庫中會積累更多的信息。模型和數(shù)據(jù)庫通過已定義代碼系統(tǒng)進行關聯(lián)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)管理，并實現(xiàn)對未來性能的預測，代碼的定義應在國家層面進行建立。

    全數(shù)據(jù)鏈的數(shù)字模型為移動、增強現(xiàn)實設備（AR）、無人機掃描和通過人工智能技術實現(xiàn)的自動化損傷檢測等養(yǎng)護實踐，提供了創(chuàng)新性解決方案。為了達到這些目的，在項目交付時，需要對已編碼的養(yǎng)護系統(tǒng)數(shù)字模型進行修改。對于移動設備來說，更簡潔的模型將更適合完成更多種類的任務。橋梁業(yè)主在決定模型使用時，需要考慮養(yǎng)護系統(tǒng)的主要功能。

    損傷定義

    美國公路戰(zhàn)略研究計劃報告2指出，服役超過100年的橋梁要在3個方面進行驗證。一、因為橋梁極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。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、在早期設計階段，這些橋梁就已經(jīng)進行了超安全標準的設計。為了能夠從過去的事故中汲取經(jīng)驗教訓，對數(shù)字孿生模型（DMT）的損傷相關信息進行定義就顯得十分必要，例如破壞來源、破壞機理、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，提供了定量預測。但是，這些模型非常具有局限性，因為它們大多都基于實驗室經(jīng)驗。這些數(shù)學模型和經(jīng)驗模型，需要利用斜拉橋在長期運營過程中積累的數(shù)據(jù)，進行修正或校準。數(shù)字孿生模型及其構(gòu)件關聯(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開放的數(shù)據(jù)平臺，可以用于定義缺陷故障樹并幫助制定信息需求計劃。

    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)護信息要求和交付

    纜索承重橋信息要求應考慮長期和臨界現(xiàn)象的關鍵問題，有待進一步明確。這些要求是由工程師和橋梁信息管理人員提供，圖4描述了一個橋梁信息交付計劃的示例�，F(xiàn)行的橋梁養(yǎng)護措施均需遵循項目移交時制定的特定指南。多數(shù)纜索承重橋服役使用時間長，系統(tǒng)文檔的數(shù)字化程度不高。但是，這些檢測和評估歷史數(shù)據(jù)對新的維修系統(tǒng)至關重要。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)，將信息進行仔細篩選和管理。

圖4 信息交付計劃

    雖然橋梁運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估中進行更新。

    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,其定義會根據(jù)模型的不同用途而有所區(qū)別。圖5顯示的是一個懸索橋加勁梁模型。在模型制作階段,就應當考慮設計規(guī)范中的相關條款和準則作為約束條件。參數(shù)化建模技術可以實現(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)段或細節(jié)替代方案,實現(xiàn)了更高效的設計。

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節(jié)、開發(fā)級別（LOD）或信息級別（LOI）不同用途的需求。全橋模型通過橋梁校直來實現(xiàn)模型裝配，橋梁各構(gòu)件的模型庫可以根據(jù)既有經(jīng)驗進行籌建。

    在當前的實際橋梁工程中，負責橋梁設計、制造、施工和養(yǎng)護的單位都不相同，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)。幸運的是，制造企業(yè)開始使用三維計算機輔助設計（3D CAD）來進行機械制造和構(gòu)件規(guī)格質(zhì)量控制。為了能夠生產(chǎn)出預制尺寸的構(gòu)件，承包商使用更新后的3D模型來進行施工管理。

    試驗性應用

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正在對一個普通的預應力混凝土橋梁進行檢測。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，這涉及重要運輸設施的數(shù)據(jù)安全，也是養(yǎng)護過程中一個難以克服的障礙。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，點云數(shù)據(jù)或圖像將取代過去的做法。因為目前結(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。

    對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，必須進行升級，而且部分傳感器也需要進行替換。對于橋梁業(yè)主而言，他們最關心的是疲勞、腐蝕和連接失效等局部損傷問題。這些更先進的監(jiān)測系統(tǒng)，需要搭配能夠?qū)�橋梁性能進行實時評估的分析模型。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，還可以進行更好的橋梁養(yǎng)護。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，所以可以直接導出有限元分析模型。橋梁當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、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，可以記錄局部應力，以便進行疲勞評估和分析模型更新。

    既有監(jiān)測系統(tǒng)接口

    截至目前，基于BIM的養(yǎng)護系統(tǒng)和既有監(jiān)控系統(tǒng)之間缺少匹配接口。養(yǎng)護系統(tǒng)只能獲得可視化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通常情況下，初代模型在項目交付之前通過動態(tài)響應完成更新。當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)，對虛擬孿生模型進行模擬仿真。

    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)集都可以自動生成。

    對于分析互操作性的另外一個比較有挑戰(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。由于局部損傷對整體或橋梁各部的影響尚未完全確定，當橋梁發(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)將極大改善基于實驗室試驗的材料或構(gòu)件退化模型。

    本文刊載 /《大橋養(yǎng)護與運營》雜志

    2020年 第3期 總第11 期

    作者 / CS Shim HR Kang NS Dang

    作者單位 / 韓國中央大學土木工程系

    編譯 / 趙帝 陳晨

    責編 / 裴小吟