《城市地下空间建设新技术》第章a

城市地下空间建设新技术2014年11月19-22日合肥全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材第14章建养一体数字化技术及其在基础设施中的应用

汇报内容问题的提出一建养一体化的理念与实现二DUSE基础信息支撑平台四在基础设施中的应用五结语六建养一体数字化技术三汇报内容汇报内容问题的提出一建养一体化的理念与实现二DUSE基础信息支撑平台四在基础设施中的应用五结语六建养一体数字化技术三1.1基础设施建设的艰巨性《交通运输“十二五”发展规划》：2015年，国家高速公路网基本建成，总里程达到10.8万公里，覆盖90%以上的20万以上城镇。《中国铁路中长期发展规划》：2020年，规划“四纵四横”铁路及三个城际快速客运通道，200公里及以上时速高铁路超过1.8万公里，占世界高速铁路一半以上。《中国民用机场布局规划》：2020年，民用机场总数达244个，重点培育国际枢纽、区域中心和门户机场，完善干线机场功能，适度增加支线机场布点。2015年,25个城市,87条线路运营,总投资1万亿元高速公路高速铁路城市轨道交通民用机场五倍定律（ASCE报告）：维护不及时，将导致服役期土木结构维护费是建造费的5倍级数增长1.2基础设施安全维护的紧迫性紧迫基础设施—从建设为主向“建养”并重转变建设周期几年,而运营维护周期为几十年,甚至上百年例如，到2015年中国地铁建设投资额1万亿，按照五倍定律，如果不及时维护，其维护费用会达到几万亿甚至几十万亿日本国土交通省将基础设施结构比喻为”皮”，其它设备则只能算作”毛”,“皮之不存，毛将焉附”?基础设施结构是机电设备赖以存在和发挥功能的基础。一旦结构失效失稳或变形不可逆转,后果不堪设想。2009年12月22日，1号线因盾构隧道结构的碳纤维修补材料意外脱落造成电线短路，诱发两车碰撞事故1号线全线瘫痪长达4小时以上，16万人滞留或受困数百万人出行受阻1.2基础设施安全维护的重要性上述事故亦表明：建设期存在的工程病患在运营期若不及时分析、检查和有效地维护，将会导致工程的重大安全事故

五倍定律（ASCE报告）：维护不及时，将导致服役期土木结构维护费是建造费的5倍级数增长。2008年我国基础建设投资达4万亿，按照五倍定律，若不及时维护，其维护费用将达到几万亿甚至几十万亿！！！1.3基础设施养护面临的重要性基础设施包含隧道、桥梁、道路，其养护一直是个世界性的难题，面临巨大的挑战！1995年，俄罗斯圣彼得堡地铁一号线因施工期塌方、且养护不周导致隧道报废，重建时间8年，耗资1.45亿美元封堵报废紧迫2010年3月，上海普陀区金沙江路花家浜路路口一段沥青路面因路基土体流失造成空洞，发生路面塌陷事件1999年1月4日，重庆市綦江县彩虹桥因建设期存在严重工程质量问题，致使整体垮塌，共造成40人死亡整体坍塌塌陷处汇报内容问题的提出一建养一体化的理念与实现二DUSE基础信息支撑平台四在基础设施中的应用五结语六建养一体数字化技术三2.1工程建设与养护内容基础设施（Infrastructure)：公路、铁路、机场、城市轨道交通、通讯等公共交通设施道路、桥梁、隧道、边坡工程建设内容：指有组织、有目的的投资兴建固定资产的经济活动，包括工程的建设规模、结构特征等，涉及规划、勘察、设计、施工、监测与检测等。工程养护内容：涉及对工程结构、机电与附属设施的定期检查、检测评估、维修加固及档案资料建立等。2.3工程建设与养养护中的问题题与拟解决办办法工程建设管理理中的“孤岛岛效应”信息的孤岛效效应：各部门门建立了一系系列为自身服服务的应用系系统、数据库库等，但由于于相互间的技技术、行业与与基础标准等等不一致，导导致信息不能能共享：总体规划缺乏乏信息孤岛系统自我封闭闭应用孤岛资源管理独立立资源孤岛设计—招投标—采纳—选择—建造—完成—维护管理间信信息继承的不不连续性传统的经验型养护管管理模式建养分离,“重建轻养””思想严重养护管理体制制不完善、运行机制落后后养护定额与规规范缺乏养护机械配套套率不足，养养护科技含量量低养护管理人员员总体素质偏偏低工程信息继承承的不连续性性2.2全寿命周期过过程全寿命周期（（建筑）过程程BIM:BuildingInformationModelingAIM:AssetInformationManagement2.4建养一体化理理念高速公路建养养一体化（赵仲华，2006）：在高速公路全寿命周期内，针针对高速公路路产品的可用用性目标，对对建设和养护护业务数据进进行历史地、、空间地综合合分析，为高高速公路的建建设、养护过过程提供信息息共享和决策策支持。建养一体化：：从建设和养护护一体化角度度出发，综合合采用工程、、经济和管理理等手段，以以最优化的方方式达到工程程所需的服役役性能。建设与养护一一体化信息平平台工程经济管理最优服役性能2.5基础设施建设设与养护的数数字化技术引入数字化技技术建养一体化在养护中延续建设历史（将建造状态作为养护的初始状态）在建设中融入养护需求（从全寿命期角度考虑设计方案）工程从使用阶阶段的安全设设计发展到全寿命期的综合与决策数字化技术向工程全方位渗入建养一体数字字化技术：实现建养一一体化管理与与分析的信息息技术，包括括数据采集、、标准、建模模与可视化、、空间分析与与应用等，最最终为改善工工程服役性能能、提高工程程使用寿命服服务。2.6工程数字化技技术的国内外外发展现状US:BIMSEU:TUNCONSTRUCTUK:SmartInfrastructure以工程全寿命期为理念，采用先进的信息技术对基础设施进行维护管理成为当前关注的热点※中国土木工程学会“十二五”科技发展规划：工程数字化技术是工程发展关键技术的战略重点之一，也是我国实现跨越式发展、超过西方发达国家的技术基础设施养护护技术的国内内外发展现状状基础设施管理理尚未全面引入入全寿命期数字字化技术传统的隧道养养护技术建养分离、未涉及隧道病害定量量的数字化评评价系统、模模型与方法桥梁健康监测测系统普遍应应用，但不同同部位监测达不到时间同同步要求，且建养分离、缺少基于全寿命期期构件性能退退化的养护技术道路信息化管管理系统广泛泛使用，只针针对一般环境下道路的病害分分析，且建养分离、缺乏性能感知和动动态决策方法汇报内容问题的提出一建养一体化的的理念与实现现二DUSE基础信息支撑撑平台四在基础设施中中的应用五结语六建养一体数字字化技术三数字地层(1998)：利用计算机技技术，将原始地层信息息（由地壳运动动和周围环境境引起的）和和施工扰动地层层信息（由人类工程程活动引起的的），用数字字化的方法直直观地展现出出来[从数字地球到到数字地层-岩土工程发展展新思维(岩土工程程界，1998)]。数字地下空间间（2002）：将地面以下空空间中的地层层、地下水资资源、地下管管线、地下构构筑物等多源源信息集成，，利用数字化化技术，实现现地下空间信信息的数字化化管理，包括括数字地层、数字地下管线线、数字地下构筑筑物三大部分。数字化工程(2005)：对工程对象的的建设与运营营全过程进行行数字化,建立工程的“病历单”，最终建成成工程对象的的“数字化博物馆馆”。3.1DUSE框架体系数字地下空间间与工程系统统DigitalUndergroundSpaceandEngineering-DUSE数据采集数据分类与标标准空间建模与可可视化空间分析与应应用3.1DUSE框架体系同济大学地下空间与工工程数字化的的研究工作始始于1998年，已建立数数字地下空间间与工程平台台(GeoDigital)。数字地层及井井巷系统数字隧道数字基坑同济大学研究究介绍研究团队：专职研究人员2人，研究生5人左右；30名专职软件开发人员（上海同岩土木工程科技有限公司）创办系列国际会议（2010，Shanghai；2014，Durham)拟在中国岩石力学与工程学会下成立岩土工程信息技术与应用分会数字化实验室已完成20多项研究课题题，包括基础础和应用研究究两个方面。。目前已在城城市规划、市市政、交通、、矿山、核电电等领域开展展应用与英国剑桥大学、杜伦大学开展展国际合作被聘请为剑桥桥大学智慧基础设施施与施工技术术中心（CSIC）的5位国际顾问之之一20142013目标：为地下下空间与工程程建设、运营营和管理提供供准确的数据以及高效的信息服服务基础：将地下下空间与工程程勘察、设计、施工、监测及维护信息，以及周边地上、地下信息进行有机机集成及动态态更新功能：专业建建模、三维可可视化、空间间分析、数值值分析3.2DUSE的目标与功能能传统的数据利利用模式数字化的数据据利用模式3.3DUSE的建养一体数数据模式与集集成数字地下空间间与工程（DUSE）是集勘察、设设计、施工、、监测、运营营维护、防灾灾安全于一体体的全建养一一体管理平台台。主要功能面向地下工程工程技术数据的管理全寿命周期数据管理可视化服务空间数据分析PDMBIM项目管理软件与PIPGIS应用DUSEDUSE=GIS+BIM+……3.3DUSE的建养一体数数据模式与集集成简单查询专业分析信息加工与服服务高级查询设计施工阶段段运营维护阶段段全面了解周边边环境方案优化施工力学分分析规范化管理理……准确把握设设计与建设设数据及时发现问问题并分析析原因提高维护效效率和快速速处理的能能力……信息继承与与积累数据共享平平台信息化、规规范化管理理编制竣工报报告（一部部份）建设与养护护一体化工程病历单单数字化博物物馆数据收集器器3.3DUSE的建养一体体数据模式式与集成数据采集技技术数据分类、、模型与平平台空间建模与与可视化空间分析与与应用3.4支撑DUSE平台的数字字化技术图纸、文字字、图像等等基础数据据的整理、、录入工作作监控数据的的人工和自自动采集工工作激光扫描和和数字照相相技术(表面、形状状特征信息息采集)3.4.1数据采集技技术数字图像技技术数字照相图像处理图像增强图像重构图像分割图像识别图像理解……本质是一个个信息获取取记录的过过程，其核核心在于能能够记录光光线信息的的数字传感感器CCD(charge-coupleddevice)或CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor）。利用计算机机对数码相相机所获得得的图像进进行处理并并提取所需需信息的过过程。3.4.1数据采集技技术_数字图像技技术数码相机标标定技术Text两者之间过过渡的桥梁梁数字照相从世界坐标标系到图像像坐标系转转化记录过过程图像处理从图像坐标标系到世界界坐标系还还原提取过过程3.4.1数据采集技技术_数字图像技技术传统—经验标定方方法:跳过相机内内参获取过过程，直接通过过室内实验验得到相机机在一个特特定焦距下下的标定比例(mm/pixel或mm2/pixel2)与拍摄距离Distance(m)之间的函数数关系。传统—经验标定方方法一维接缝张张开宽度的的经验标定定二维渗漏水水面积的经经验标定3.4.1数据采集技技术_数字图像技技术现场试验接缝张开图图像的处理理3.4.1数据采集技技术_数字图像技技术现场试验渗漏水图像像的处理3.4.1数据采集技技术_数字图像技技术图层命名在地下建(构)筑物第二级级分类的基基础上，第第三位作为为数字化工工程的分类类码，用一一位数字表表示：比如如工程设计信信息为1工程施工信信息为2工程监测信信息为3工程检测信信息为4其它工程信信息可以此此类推。数据库命名名图元命名数据表命名名信息分类与与编码3.4.2数据分类、、模型与平平台_基础系统信信息分类与与编码基础数据库库物理结构构DML逻辑数据模模型基础数据库库的具体组组织，DUSE采用两种方方案：基于于商业数据据库软件Oracle组织基础数数据库；基基于DML(DigitalizationMarkupLanguage)文档的数据据组织:Oracle商业数据库库在数据存储储、数据维维护和基础础数据索引引等方面具具有较大的的优势DML在网络数据交交换、应用用程序开发发和时（空空）数据索索引方面比较灵灵活两者之间相相辅相成，，可以自由由转换，取取长补短，，最大效果果发挥基础础数据库的的功能和作作用3.4.2数据分类、、模型与平平台_综合信息数数据模型工程地质数数据地下管线数数据城市道路数数据交通分区基基本信息、、道路统计计、道路图图幅划分、、道路基本本信息、道道路轨迹点点描述、道道路断面描描述、道路路几何轴线线、道路轨轨迹点拓扑扑关系管线测区基基本信息、、管线统计计、管线图图幅统计、、管线基本本信息、管管段节点、、圆管描述述、方管描描述、管线线几何轴线线、管网测测点、变径径点、管点点拓扑关系系、上水管管线、阀门门井或窖井井、消防栓栓、阀门、、预留口、、水表、用用户、排水水管线、窖窖井、雨水水箆、排污污口、污水水厂、燃气气管线、凝凝水缸、阀阀门、管帽帽、波形伸伸缩管、热热力管线、、窖井、工工业管线、、窖井、阀阀门、电力力管线、窖窖井、上杆杆、接线箱箱、电信管管线、手孔孔、窖井、、接线箱分层标准基基本信息、、标准地层层信息描述述、地层物物理统计指指标、地层层力学统计计指标、钻钻孔分级信信息表、钻钻孔类型信信息表、工工程地质钻钻孔基本信信息、工程程地质钻孔孔土层描述述、工程地地质钻孔岩岩石描述、、工程地质质岩样试验验、工程地地质钻孔土土样描述、、工程地质质钻孔土样样试验、工工程地质三三轴压缩试试验、工程程地质粒径径级配曲线线试验、工工程地质固固结试验、、工程地质质高压固结结试验、工工程地质动动三轴试验验、工程地地质潮湿度度测试、工工程地质钻钻孔柱状图图文件、工工程地质说说明文档、、工程地质质说明图纸纸3.4.2数据分类、、模型与平平台_综合信息数数据库（部部分内容））空间索引技技术是提高空间间数据查找找性能的关关键技术，，直接影响响着空间数数据库的成成败。DUSE采用基于DML文档的四叉叉树(Q-Tree)和矩形树(R-Tree)的结合体QR树空间索引对对空间数据据进行降维维(只考虑对象象平面坐标标，将Z当作属性处处理)检索。空间数据模模型空间索引机机制QR索引结构3.4.2数据分类、、模型与平平台_空间索引技技术工程地质数数据地下管线数数据城市道路数数据3.4.2数据分类、、模型与平平台_综合信息数数据库（部部分内容））元数据是指地下空空间与工程程相关数据据集和信息息资源的描述信息，它是对地地下空间与与工程特征征的概括和和抽取。①提交DUSE基础数据及及其元数据；②确认反反馈；③发发出元数据据查询请求求；④返回回元数据查查询结果；；⑤发出DUSE数据产品需需求的申请请；⑥分发发DUSE数据产品(网络下载或或邮寄等)。3.4.2数据分类、、模型与平平台_元数据管理理从工程角度度出发，DUSE系统框架是是一个信息息加工处理理链，实现现了从数据据到分析，，再到判断断，最后到到决策这样样的一个过过程。3.4.2数据分类、、模型与平平台_基础平台系系统架构DUSE通过网页和web服务在网络间传传输DML基础数据或或成果数据据，采用““一套数据，，二个平台台”的服务部部署，为工工程技术人人员提供数数字化、综综合化、规规范化的专专业服务(媒介为AUTOCAD等专业软件件)；为政府决策、、城市规划、建建设与管理及社社会公众提供知知识化、智能化化信息服务(网页形式)。数据层分析层服务层协作层应用层3.4.2数据分类、模型型与平台_基础平台技术架架构3.4.3空间建模与可视视化_数字地层空间建建模如果某个钻孔缺缺失了其中的一一些地层，则根根据地层的标准准层序，在该钻钻孔中相应插入入厚度为零的虚虚拟地层。根据研究区域的的形状（如矩形形），通过钻孔孔采样点地层信信息对m×n网格点进行空间间插值，根据空空间不共线三点点可以组成一空空间平面的公理理，一个矩形格格划分为两个三三角形，表面三三角形个数为m×n×2。由于该三角网网作为生成三维维地层的基准面面，所以称为表表面基准三角网网。由表面基准三角角网开始，采用用自上而下将三三角面片延伸成成三棱柱的方法法，就可以建立立整个三维地层层。钻孔预处理地层三棱柱生成成3.4.3空间建模与可视视化_钻孔建模关键步骤：钻孔拓扑关系建建立地层连接推理生成地质模型3.4.3空间建模与可视视化_钻孔建模借鉴地质统计学学的Kriging方法和多重分形形理论给出一种种距离加权插值值算法，先根据据空间数据得到到统计特征，再再根据统计和局局部奇异特征进进行插值。以地表高程插值值为例半变差函数分形系数计算3.4.3空间建模与可视视化_地层建模插值地表高程等值线线(Kriging法)地表高程等值线线(WINSURF计算)对比相差差值奇异系数数空间分分布地表高程程等值线线(考虑局部部奇异性性)三维地表表高程3.4.3空间建模模与可视视化_地层建模模插值钻孔全局局分布视视图钻孔局部部放大视视图原始钻孔孔数字地地层空间插值值数字地地层空间综合合数字模模型3.4.3空间建模模与可视视化_钻孔建模模一般场地地条件剖剖面建模模3.4.3空间建模模与可视视化_地层剖面面建模3.4.3空间建模模与可视视化_层剖面建建模复杂场地地条件剖剖面建模模地质剖面面分析开挖土方方量统计计综合查询询3.4.4空间分析析与应用用_空间分析析一体化（（Integration）：指两个系系统之间间的数据据和应用用的一体体化运行行，是指指在完成成组织的的任务中中使各分分系统努努力达到到有机统统一的过过程。数字与数数值一体体化：是指对数数字化与与数值分分析的一一体化集集成,这里指数数字地下下空间与与工程信信息系统统（DUSES）和数值值分析系系统的有有机集成成。3.4.4空间分析析与应用用_数字与数数值一体体化基于DUSE的一体化化组织结结构数字与数数值一体体化集成成模式：：：提出并采采用一种种复合式式体系结结构（嵌入式＋＋松散式式）的集成成方式来来实现。。3.4.4空间分析析与应用用_数字与数数值一体体化一体化实实施框架架：3.4.4空间分析析与应用用_数字与数数值一体体化汇报内容容问题的提提出一建养一体体化的理理念与实实现二DUSE基础信息息支撑平平台四在基础设设施中的的应用五结语六建养一体体数字化化技术三4.1基于DUSE平台的建建养一体体化框架架体系建设期数据收集与分析数字化平台可能病害及成因分析动态监测与养护健康/性能评估基础设施施数字化化标准隧道、桥桥梁和道道路病害害类型及及成因隧道病害害故障分分析树、、病害力力学计算算模型桥梁性能能退化模模型隧道、桥桥梁和道道路养护护内容与与方法隧道、桥桥梁和道道路出现现病害时时动态养养护调整整方案道路维修修决策树树与养护护时间决决策模型型隧道和桥桥梁健康康评价体体系、评评价标准准与评估估方法道路状况况评定标标准与路路况性能能预测模模型数字化理理论体系系与方法法建养一体体数字化化平台数据管理可视化网络化4.2基础设施施建养一一体数字字化技术术首次提出了基于因特网的交通设施数字化平台体系结构，建立了基于工程结构分解树的数字化模型首次建立了基础设施建养一体数字化平台，实现了勘察、设计、施工、监测与养护数据的一体化管理建立了基础设施数据分类和标准化方案，并设计了基础设施全寿命周期数据库建养一体数据的数字化标准基础设施施数字化化平台架架构数据分类类和标准准化方案案建养一体体数字化化平台提出了适合于基础设施的三维全自动建模方法，再现施工过程，动态模拟了运营期出现的结构病害；基于钻孔的二分拓扑数据结构和广义三棱柱数据模型，提出了适合于三维地层全自动建模方法基础设施三维建模方法与信息集成技术特大型基基础基础础设施的的三维全自自动建模模特大型基基础设施施三维可视视化大场景（（大模型型）实时动态态管理技技术提出了大场景实时动态管理技术，保证了良好的三维可视化效率提出了多源信息可视化集成方法，满足了对信息可视化表达与应用的不同需求4.2基础设施施建养一一体数字字化技术术4.2.1建养一体体数字化化平台提出了基基于网络络的基础础设施建建养一体体数字化化平台。。服务器端端建立隧隧道建养养一体数数据库，，实现数数据管理理服务、、基本应应用服务务和专业业应用服服务。客户端利利用浏览览器实现现数据浏浏览、查查询和数数据远程程管理，，并进行行工程三三维可视视化、虚虚拟浏览览以及计计算分析析。4.2基础设施施建养一一体数字字化技术术提出了基基础设施施建养一一体的数数字化模模型，采采用工程程结构树树对基础础设施空空间数据据进行描描述。然后将属属性信息息按工程程全寿命命周期的的特点进进行分类类，并挂挂接在工工程结构构树不同同层次结结点上进进行管理理。4.2.1建养一体体数字化化平台4.2基础设施施建养一一体数字字化技术术4.2.2建养一体体数据分分类体系系与数据据标准提出基础设施建养养一体数据的分类类体系、数据命名名与数据编码方法法。制定了数据标准格格式，并进行基础础设施建养一体综综合数据库的逻辑辑设计和物理设计计。4.2基础设施建养一体体数字化技术提出了采用广义三三棱柱(GTP)数据模型的地层建建模方法，该方法法完全基于钻孔数数据。无需人工干预，特特别适合于处理成成层地状的情况，，可以较好地处理理地层褶皱、地层层尖灭和透晶体等等地质现象。5-3t夹层4.2.3三维地层与结构建建模方法4.2基础设施建养一体体数字化技术提出将基础设施模模型拆分若干个子子模型，子模型由由基本构件拼装而而成，引入构件时时间以描述施工过过程。建模过程有全量和和增量两种表达形形式，具有节约建建模时间节省、建建模文件小、便于于网络传输等优点点。开发了盾构隧道轴线解算算与通用管片自动动拼装算法，用于于建立盾构隧道二二维、三维模型。。4.2.3三维地层与结构建建模方法4.2基础设施建养一体体数字化技术4.2.4可视化技术以细节层次(LOD)技术为基础，提出出了大场景实时动动态管理技术，为为大模型、大场景景情况下可视化系系统高效运行提供供了技术依据。提出了细节层次、、数据分层、主题题管理和空间暗示示等多种可视化信信息方式，以使信信息可视化达到较较好的效果。研制了基于虚拟现现实技术的可视化化控件，可以直接接嵌入到IE浏览器中，在方便便用户使用的同时时，达到了逼真的的可视化效果。4.2基础设施建养一体体数字化技术汇报内容问题的提出一建养一体化的理念念与实现二DUSE基础信息支撑平台台四在基础设施中的应应用五结语六建养一体数字化技技术三崇明苏江浙国际空港深水港上海江五号沟至江苏海门门约106km,至江苏启东约90km工程线位5.1工程介绍线路走向南隧北桥8.95km9.97km25.5km2.31km3.95km隧道结构接线桥梁结构接线潘园公路立交五号沟立交服务区陈海公路立交5.1工程介绍上海长江隧道工程程横断面布置工程以盾构隧道方方式穿越长江南港港水域，长约7.5Km;隧道外径15m，横断面分为五孔孔三廊空间；最上层为排烟通道道，高度为1.90m；中间为三车道公公路交通层，建筑筑界限为12.25×5.2m；下层中间是轨道交交通层，尺寸为3.7×4.2m，其两侧分别是人人员疏散通道和设设备线缆通道。5.1工程介绍根据地形特点分为为：江中砂洲区桥梁：：60m的节段预制拼装预预应力混凝土连续续箱梁深水非通航孔桥梁梁：105m钢-混凝土组合梁区和和70m梁区主通航孔桥梁：主主跨730m的全漂浮体系分离离式钢箱梁辅通航孔桥梁：主主跨140m的预应力混凝土连连续箱梁上海长江桥梁工程程5.1工程介绍5.2长江通道的道路数数字化养护管理系系统建设目标：以长江通道的路、桥、、隧勘察察、设计计施工数数字化为为依托；以健康监监测数据据为基础础；以养护数据据录入、、计算、、检索、、统计、、分析为为内容；以养护业业务管理理为目的的；以数据库库、互联联网、GIS、三维虚虚拟浏览览等为技技术手段段；构建一体体化的长长江通道的路、桥、、隧养护护信息管管理决策策系统，，为长江江通道养护管理理单位管管理工作作提供操操作平台台和决策策环境，，全面提提高业务务处理能能力。5.3上海长江江隧道工工程损伤结构构破坏模模拟试验验系统首次建立了病害条件下结构力学计算模型，为病害的定量化评价提供了理论基础研制了一种可提供三向加卸载的多功能衬砌管片接头力学性能试验系统，以模拟损伤结构的破坏力学行为隧道结构病害及成因分析首次提出出建立盾构构隧道病病害成因因故障分析析树，并运用用粗集理论论对产生病病害的原原因挖掘掘分析病害成因因分析过过程渗漏水计计算模型型5.3越江盾构构隧道建建养一体体化技术术5.2.1隧道病害害及成因因盾构隧道道病害主主要分为为五类：：与变形有有关：接接缝张开开、错台台、不均均匀沉降降、收敛敛变形；；与受力有有关：衬衬砌内力力过大、、钢筋应应力过大大、螺栓栓内力过过大以及及管片裂裂缝；与渗漏水水有关；；材料性能能退化，，如衬砌砌承载力力降低，，混凝土土劣化，，钢筋锈锈蚀等；；特殊病害害，如火火灾造成成的管片片爆裂、、地震灾灾害等。。5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术5.2.1隧道病害及成成因病害成因分析析–以渗漏水为例例渗漏水故障树树5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术带裂缝隧道衬衬砌计算模型型渗漏水计算模模型评价等级ABCD环向接缝宽度g（mm）g≥85≤g＜83≤g＜5g＜3纵向接缝宽度z（mm）z≥85≤z＜83≤z＜5z＜3病害表征描述非常显著较为显著不显著可忽略结构安全影响明显影响存在影响可能影响无明显影响接缝张开等级级评价表断面变形病害害的等级评价价表检测指标ABCD直径椭圆度变形（‰D）e≥108.3≤e＜105≤e＜8.3e＜5预计分布比率（%）27263215建立了渗漏水、衬砌砌裂缝、混凝凝土劣化等病害状态下下的衬砌力学学计算模型；；以力学模型型演算结果为为基础，结合合病害调查与与统计，建立立每种病害的的评价基准5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术提出了盾构隧道接缝张开数字图像测量方法，实现了接缝张开测量达到1mm的精度隧道监测与养护方法盾构隧道渗漏漏水数字图像测量量盾构隧道接缝缝张开数字图像测量量提出了盾构隧道渗漏水数字图像测量方法，实现了渗漏水识别率达到80%以上的要求制订了根据检测值的检测周期动态态调整方案；基于病害评评价、建养一一体健康状态态,制订了病害出出现时养护调整方案盾构隧道养护护方案5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术检测项目检测内容检测位置检测周期结构变形沉降检测点位置、沉降数值预先设定每季1次断面轮廓检测点位置、隧道横断面测量、周壁位移测量预先设定每季1次接缝张开接缝张开位置、接缝张开量全隧道段每两月1次错台错缝错台位置、错台量全隧道段每季1次渗漏水简单检查渗漏点位置、湿润区域形式、湿润区域面积、渗漏状态（喷射、涌流、滴漏渗漏）、是否混浊、pH值（选测）全隧道段每月1次详细检查在简单检测基础上取水样进行水质化验每两月1次江底地形河床冲刷检查河床冲刷情况、隧道顶覆土厚度河床每年1次混凝土混凝土外观混凝土外观全隧道段每年2次混凝土碳化混凝土碳化深度全隧道段运营十年后每两年1次管片裂缝裂缝位置、几何描述全隧道段发现裂缝后每月2次螺栓螺栓病害螺栓锈蚀、扭曲、病害等级评价全隧道段每年2次连接通道沉降、变形、裂缝、渗漏沉降、变形、缺损、裂缝、渗漏等病害检测所有连接通道每年2次※

隧道养护方法与监测措施基于病害评价价和健康状态态，提出特大大型越江盾构构隧道养护的的具体内容、、方法、周期期以及评价标标准，以及在在出现病害时时的养护调整整方案，编制制了特大型越越江盾构隧道道养护技术规规程5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术首次采用层次分析法建立盾构隧道病害量化评判体系隧道健康状态评估方法盾构隧道健康康评估体系提出了基于模糊综合评判的盾构隧道健康状态评估方法模糊综合评判判的隶属度分分布及模糊综综合算子5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术5.2.3隧道健康评价价制订了隧道健健康评估定量量化的评价基基准序号项目允许偏差（mm）检验方法检查频率地铁隧道公路隧道水工隧道1衬砌环直径椭圆度±5‰D±6‰D±8‰D尺量后计算4点/环2隧道圆环平面位置±50±60±80用经纬仪测中线1点/环3隧道圆环高程±50±60±80用水准仪测高程1点/环4相邻管片径向错台568用尺量4点/环5相邻环片环面错台679用尺量1点/环5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术病害评价指标标定义域内隶隶属度分布函函数采用隶属度函数表述病害严重程度的模糊性采用乘积标度法来确定各指标层指标的权重最终建立基于模糊综合评判的盾构隧道健康状态评估方法※

隧道健康状态评估方法使用模糊算子子，以单项指指标评价值Fi为基础，进行行Fi->Fe（单项指标评评价值到检测测项目评价值值）、Fe—>Fp(检测项目评价价值到病害类类型评价值)、Fp—>F(病害类型评价价值到区段评评价值)的三层模糊评评价5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术健康状态评估估方法在上海长江隧道道中的应用5.3越江盾构隧道道建养一体化化技术5.4上海长江桥梁梁工程桥梁可能病害害※桥梁结构病害及及成因分析5.4越江桥梁建养一一体化技术外护套环状开裂或PE层断开套管接长处存在破口斜拉索系统锚具拉索拉索防护系统预埋管端口进水拉索索力退化拉索回缩拉索振动拉索断丝拉索滑丝拉索腐蚀拉索锚固装置疲劳恒、活载拉应力挤塑高温至使用最低温度的温差质量低廉的高密度聚乙烯材料涡流激振尾流驰振下锚头腐蚀风雨振参数振动抖振施工中梁体高程控制不准主梁局部强度与刚度变化索塔基础的下沉，台风等灾害锚固结构处在应力峰值点分丝板因受力过大而变形盘条本身的疏松、夹杂等缺陷盘条采用焊接方式连接制索和架索中的牵引力作用后续施工操作不慎运营中动态荷载作用和疲劳等锚具和锚塞热处理的硬度不合格锲块的松紧不一或锲块不良钢丝直径误差大动力作用的影响下锚头严重渗水防护系统老化拉索锚固系统的松动温度影响导致结构整体或局部损伤拉索疲劳引起的钢丝强度退化拉索腐蚀造成的拉索断丝雨水沿索面向下流淌拉索长期处于振动状态病害种类

病害成因桥梁病害成因分分析-以斜拉索系统为为例5.4越江桥梁建养一一体化技术针对典型风险事事态的桥梁应对措施及及养护对策桥梁监测与养护方法研发了桥梁健康监测系统的时钟同步装置和数据采集模块，提出了一整套针对典型风险事态的桥梁应对措施及养护对策，实现了第一时间内的正确响应基于建养一体化理念发展了大跨径桥梁构件的退化规律分析理论，为大桥构件的监测养护周期提供了重要依据斜拉索模型及疲疲劳分析5.4越江桥梁建养一一体化技术养护手册主桥钢结构防护引桥混凝土结构引桥组合梁结构体外预应力结构交通安全设施养护质量评定钢箱梁检查与维护拉索的检查与养护桥塔的检查与养护附属结构特殊检查钢箱梁的涂装维护劳动保护及安全防火砼桥涵基本情况

检查和巡视维修与养护桥梁概况组合梁的养护桥梁概况检查

养护与维修交通安全设施交通标志、标线路面养护质量指数桥梁结构技术状况综合养护质量指数针对桥梁不同区区段、不同病害害研究制订相应应的养护技术；；针对工程具体体特点，例如公公轨结合、22万伏高压电缆等等，研究相应的的养护措施给出了检查的具具体内容、方法法、周期以及评评分标准，并制制订了出现病害害时的养护监测测周期调整方案案，编写了《上海长江大桥养养护手册》5.4越江桥梁建养一一体化技术针对桥梁不同区区段、不同病害害研究制订相应应的养护技术；；针对工程具体体特点，例如公公轨结合、22万伏高压电缆等等，研究相应的的养护措施。桥梁养护检查类类型分为日常、、定期、专项和和特殊检查4种。给出了每项项检查的具体内内容、检测方法法、检测周期以以及各项检查的的评分标准，并并给出了出现病病害时的养护监监测周期调整方方案。编写了《上海长江大桥养养护手册》。5.3越江桥梁建养一一体化技术养护记录表格–以拉索系统为例例5.3越江桥梁建养一一体化技术养护项目和频率率5.3越江桥梁建养一一体化技术建立模型对大桥桥的斜拉索进行行疲劳退化分析析，根据疲劳损损伤度将拉索的的疲劳分为四个个等级，给出了了每个等级应采采取的相应措施施。※桥梁养护方法与与监测措施5.4越江桥梁建养一一体化技术发生极端事件时时的应对措施(极端气温、极端端大风)极端事件应对措措施与检查内容容--以极端大风为例例的耐久性主要要设计参数定量量敏感性分析5.4越江桥梁建养一一体化技术桥梁实时健康评评估软件桥梁健康状态评估方法提出了基于模糊推理方法桥梁健康状态评估模型，编制了桥梁实时健康评估软件针对特大型越江桥梁的复杂运营环境与构件繁多的特点，编制了相应的大桥养护手册上海长江大桥养养护手册5.4越江桥梁建养一一体化技术指标1监测区段n安全性相关指标2指标2逻辑组1逻辑组n指标1……全线……指标1耐久性相关指标2指标2逻辑组1逻辑组n指标1……指标1适用性相关指标2指标2逻辑组1逻辑组n指标1……FIS推理机加权累加加权累加加权累加通过对每个病害害建立量化的评评价标准，提出出来对各项指标标进行打分评价价的结构健康状状态评估方法基于不同权重，，得出以百分制制表示的桥梁健健康状态评估结结果※桥梁健康状态评评估方法5.3越江桥梁建养一一体化技术桥梁健康评价主航道桥逻辑组组5.3越江桥梁建养一一体化技术5.5上海长江道路工工程955.5越江基础设施道道路建养一体化化技术针对大交通量、长江口特殊环境条件，研发了道路性能状态实时感知与远程传输技术道路性能和状态的实时感知与传输揭示了长江口细砂特殊路基及路面的性能衰变规律和病害特征，开发了隐性病害的综合探测系统与处治技术HWD车辆长江口细砂特殊殊路基及路面病病害特征道路性能评价和动态养护决策技术建立了路基路面性能时程预测模型，提出了道路性能状态定量评价方法首次提出了基于路面现时服务能力(PSI)与养护费用关联的全寿命动态决策模型路面、路基养护护决策树道路性能预测模模型5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术系统功能拓扑：：5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术5.5.1基础数据1.勘察数据--数据内容：钻孔孔数据、地层数数据、周边环境境等。5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术1.勘察数据—表现形式：5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术2.设计数据—数据内容：路面高程、宽度度、厚度、沥青青标号、配合比比、公路的平面面图、断面图、、设计路面弯沉沉值等路基数据有边坡坡、分层填充的的材料、密实度度、水沟等附属设施有标志志、标线、路灯灯、护拦、防护护设施、隔离栏栏、防眩设施、、绿化等5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术2.设计数据--表现形式：地图中点击可查查询路基标准断断面图和路面断断面图路基标准断面图图沥青路面断面图图5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术3.施工数据—数据内容：施工工监测数据、施施工进度、施工工变更等—表现形式：5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术4.管养单位5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术5.管养设备5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术数据内容：路基基、路面、交通通量、轴载的监监测。路基监测地表沉降地表水平位移地下土体水平位位移地基内土体孔隙隙水压力，土压压力沉降仪测斜仪5.5.2监测数据5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术路面监测松铺层厚度监测测纵向高程监测路面平整度监测测交通量监测轴载监测5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术数据采集方法：：自动采集和人人工录入两种方方式。5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术表现形式：5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术路况检查分类：：1.路面检查2.路基检查3.附属设施检查4.桥隧结构检查5.5.3路况检查5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术1.路面检查：路面破损、弯沉沉、平整度、抗抗滑数据路面破损状况检检查a.裂缝（纵向裂缝缝、横向裂缝））5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术b.龟裂c.坑槽d.车辙e.沉陷f.松散沉陷车辙坑槽5.5越江基础设施道道路建养一体化化技术路面破损状况调调查表5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术表现形式：在平面专题图图上反映出路路面破损状况况的具体情况况（包括病害害类型、严重重程度及其分分布情况等））5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术路面结构强度度（PSSI）调查：调查查指标为路面面弯沉值路面平整度（（RQI）调查：调查查指标为国际际平整度指数数（IRI）路面抗滑性能能（SRI）调查：调查查指标为横向向力系数（SFC）弯沉值测量5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术2.路基检查检查内容包括括：路肩、边坡、排水设设施、挡土墙路基损坏情况况调查表5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术3.桥隧构造物检检查桥隧构造物检检查包括桥梁梁、隧道、涵涵洞的破损状状况的检查检查表为：以桥隧结构检检查专题图为为表现形式。。5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术4.附属设施检查查主要内容：标标线、标志、、护栏、隔离离栅、防护设设施、防眩设设施等沿线设施检查查表:以附属设施检检查专题图为为表现形式。。5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术1.电子巡查记录录主要是巡查工工作记录，包包括巡查人员员、设备，方方法、巡查的的路段里程等等。2.养护记录养护记录包括括养护单位、、养护时间、、养护里程、、养护设备、、养护措施、、养护材料、、养护成本、、养护完成情情况、养护现现场照片录像像、养护报告告等。3.养护报告系统提供自动动生成养护报报告、上传养养护报告、查查询阅读下载载养护报告等等功能。5.5.4养护记录5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术1.路面评价分项性能评价价①路面破损状状况:采用路面状况况指数（PCI）进行评价：：②行驶质量路面的行驶质质量采用行驶驶质量指数（（RQI）作为评价指指标：5.5.5性能评估5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术③路面强度路面强度采用用路面强度指指数（SSI）作为评价指指标：路面强强度指数为路路面设计弯沉沉值与路面代代表弯沉值之之比。④抗滑性能路面抗滑性能能采用横向力力系数（SFC）作为评价指指标：5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术路面综合评定定路面的综合评评价采用PQI作为评价指标标。其评定模型和和计算公式分分别为：5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术表示形式：5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术2.路基评价路肩评价边坡评价排水设施评价价挡土墙评价5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术3.沿线设施评价价标线评价标志评价护栏评价隔离栅评价防护设施评价价防眩设施评价价5.5.5性能评估5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术4.病害机理分析析病害设计因素施工因素交通因素天气因素5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术4.病害机理分析析5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术5.路面性能预估估路面使用性能能随时间和行行车荷载作用用次数而变坏坏。其变坏速速率同许多因因素有关，如如：路面类型型和结构、荷荷载条件（轴轴型、轴载和和作用次数））以及环境条条件。路面损坏指标标预估平整度预估路面平整度方方差5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术路面强度预估估路面抗滑性能能预估6.路况评定指标标评定模型：评定公式：分级标准：5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术6.路况评定在系系统中表现5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术1.养护对策库5.5.6养护决策5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术2.养护对策建议议通过实际检测测得到的病害害，经过病害害成因分析，，得到病害的的真正成因根据性能预估估结果，系统统自动从电子子化的养护对对策库中提取取与具体成因因相对应养护护策略5.5.6养护决策5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术日常养护计划划5.5.7养护计划5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术定期养护计划划5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术专项养护计划划5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术二维电子地图图5.5.8电子地图5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术二维电子地图图对路面进行浏浏览，路面结结构的重要信信息、主要监监测点、病害害分布等均能能在二维浏览览过程中方便便的进行即时时查询。5.5.8电子地图5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术三维虚拟浏览览在可视化模型型的基础上，，实现工程建建养一体信息息的三维可视视化管理，为为工程数据管管理提供视觉觉交互手段。。5.5越江基础设施施道路建养一一体化技术基于长江隧桥桥MIS系统、监测系系统中的数据据，建立了隧隧道数字化信信息系统。5.6建设阶段信息息集成这些工程数据据采用数字化化技术进行集集成、加工和和分析，最终终建成工程的的建养一体的的数字化系统统。5.6建设阶段信息息集成通过三维模型型对工程全寿寿命期信息进进行集成5.6建设阶段信息息集成数字化平台登登陆界面隧道桥梁5.6建设阶段信息息集成工程地质数据据管理设计数据管理理施工数据管理理三维可视化与与虚拟浏览成果应用5.7运营维护阶段段上海长江隧桥健康检测系统上海长江隧桥数字化养护系统上海长江隧桥桥养护管理时间健康状况在线评估结果(百分制)备注隧道大桥道路2009年11月93.6791.80优(>85)投入运营2010年10月89.6199.46优(>85)运营一年2011年06月87.4099.09优(>85)5.7建养一体数字字化平台示范范汇报内容问题的提出一建养一体化的的理念与实现现二DUSE基础信息支撑撑平台四在基础设施中中的应用五结语六建养一体数字化技技术三结语社会效益建养一体化理念的提出解决了现阶阶段养护与建设彼彼此独立的弊端，，具有推广价值基于全寿命期建养养一体化的数字化平台对其他工程具有示范作用该成果全面提升了了越江基础设施的信息化管理水平，在国内外具有核心竞争力，并得到广泛应用1243建立了隧道、桥梁、道路建养一体化成套技技术，为工程持续安全运营营提供保障2006年ASCE提出2025年土木工程展望：：数字化技术在土土木工程全寿命周周期中的应用是一一个重要的研究方方向。急需开展国家层面面上的基础设施建建养一体化的数据据标准研究。数字化生存已经改改变了我们的生生活方式，期待着着她一定改变我们们的建设与管理方方式。结语国家科技部国家自然科学基金金委上海市科学技术委委员会中国土木工程学会会上海市世博土地控控股有限公司上海市政工程设计计研究院上海岩土工程勘察察设计研究院上海长江隧桥建设设指挥部上海电力建设有限限公司华东建筑设计院上海申通地铁集团团衷心地感谢常州市规划局厦门路桥集团广州市公路局淮南矿业集团……谢谢！敬请各位批评指正正智能控制与服务数据采集(Acquisition)、表达（Presentation）、分析(Analysis)、服务（Service）智慧基础设施（SmartInfrastructure）数字基础设施+物联网智慧基础设施服务务系统（InfrastructureSmartServiceSystem）研究进展应力图管片变形图钢筋构造前方土层信息直径30cm的隧道模型中进行行单标志试验研究进展_地下结构增强现实实技术问题：在大空间中中模型叠加误差较较大将增强现实技术应应用到室内走廊中中研究进展_地下结构增强现实实技术误差原因理论分析析摄像头内参——系统自带的两步标标定法：标定图像数量太少少，5张以下;关键步骤需要手动动操作，引入误差差。摄像头外参——摄像头在世界坐标标系中的三维姿态态：成像畸变和图像处处理的误差使得距距离标志物越近计计算得到位置越准准;单标志物在摄像头头窗口中占据较小小范围。环境因素：系统所处的光照环环境;标志物部分或者全全部被遮挡。研究进展_地下结构增强现实实技术内参的改进两步标定法Halcon标定法处理图像数量较少，5张以下可以计算20张以上图像第一步需要手动