数字孪生技术助力百年石拱桥修复

横跨美国明尼苏达州明尼阿波利斯市中心密西西比河的石拱桥曾是一座铁路桥，建于 1883 年，为 19 世纪末明尼阿波利斯市磨粉业的繁荣作出了贡献。这座石拱桥位于圣安东尼瀑布附近，从桥上可以欣赏到令人惊叹的瀑布和城市景观。它不仅是明尼阿波利斯市的标志性建筑，还被誉为该市遗产的一部分，更被公认是繁荣的象征和土木工程的地标，见证了明尼阿波利斯市取得巨大发展的历史，也成为了倍受欢迎的摄影地和热门旅游景点。

20 世纪 90 年代初，明尼苏达州交通部对这座 2100 英尺长的 22 跨石拱桥进行了改造，供行行人和自行车通行。明尼苏达州交通部为了保证公共安全和保护历史标志，启动了一项总投资达 1200 万美元的修复项目。该部门聘请 Collins Engineers 公司对大桥结构完整性进行评估，从而找出缺陷并进行修复，以确保它在未来仍是宝贵的文化和物质资产。Collins Engineers 公司无人机系统、人工智能和实景建模总监 Barritt Lovelace 表示：“这座石拱桥已有 140 年的历史，需要进行大量的修复工作以确保其在多年后仍然运营良好。”

该项目是数十年来对石拱桥的首次重大修复，需要详细检查整个桥梁结构的状况，包括石拱、路堤、桥墩和水下地基。考虑到石拱结构历史久远、规模较大，Collins Engineers 在制定维修方案时面临着传统数据收集和巡检方法无法解决的问题。Lovelace 表示：“最大的挑战在于这座桥梁庞大的规模。桥梁跨度很长，并且拱石结构的表面积极大，所以很难通过传统方法获取信息。”传统工作流非常耗时，会严重影响桥梁的公共使用，而且可能无法生成准确的维修方案所需的详细信息。

Collins Engineers 为了克服传统巡检和数据收集方法的缺点，试图将巡检数据数字化，并生成桥梁的三维模型。他们曾在以前的项目中进行实景建模，但质量达不到这种大型且复杂的结构的检查和建模要求。这座历史建筑在建造时，数字化是不可想象的行为，但现在工程师们希望利用最先进的工程技术来完成这座历史建筑的修复。Collins Engineers 意识到需要制定集成的数字化勘测、建模和巡检解决方案，以收集充分的数据，为桥梁进行精确建模并最大限度减少对行人交通的影响。

为此，Collins Engineers开始使用数字孪生模型作为传统巡检流程的补充，简化工作流并改变巡检方式。Lovelace 表示：“利用无人机系统和数字孪生模型进行大型项目修复，第一步就包括现场采集数据。”通过使用无人机拍摄了 13000 多张图像并在iTwin Capture Modeler 中对其进行处理，项目组生成了石拱桥的高精度三维模型，然后将其上传到云端。Collins Engineers 集成 Bentley 的数字孪生技术，在混合现实环境中进行虚拟化巡检。之后，现场的桥梁巡检人员可以通过平板电脑访问数字孪生模型，并将巡检信息直接记录在模型上。

传统操作模式上，巡检结果会附以照片，通过纸笔记录和传达。这些记录缺乏必要的细节，团队无法据此做出明确的决定，进而及时、安全地完成项目。但是，通过使用三维数字孪生模型，现场团队可以远程检查桥梁，直接在模型上记录他们的发现，并准确定位需要修复的区域。

Bentley 的实景建模和数字孪生技术的独特应用以前所未有的方式让桥梁的物理模型走进了办公室。数字孪生模型不仅能提供有价值的数据和信息，还可作为沟通工具，实现团队之间的实时协作，从而解决问题。这些模型有助于设计团队在数字化环境中精准识别物理结构缺陷，Collins Engineers 认识到这些模型具有增进公众联系的潜力，可以提供虚拟的可视化洞察，让公众更好地了解修复工程。Lovelace 表示：“在进行现场作业时，这项技术的使用引发了公众极大的兴趣，这显然是一种将公众与我们的项目联系起来的方式。”Collins Engineers 通过混合现实技术，充分利用了团队、公众以及从全国各地的专家那里洞察的信息。他们不必出差就可以“虚拟”游览这座桥梁，同时还获得了真实、细节化的视角，用于优化历史建筑的修缮工作。

与传统流程相比，在混合现实环境中利用数字孪生可以实现更快、更准确的数据采集和巡检，还可以简化模型访问，并最大限度减少对公众的影响。Collins Engineers 使用先进的数字化技术检查桥梁，将桥梁在巡检期间的停用时间缩短至四天以内。巡检工程师利用平板电脑直接在模型上记录他们的发现，Collins Engineers 得以节省 20％的现场巡检时间，同时改进了数据的质量和数量。Bentley 的集成技术可以促成更明智的决策，降低因缺少信息而做出保守决策所带来的风险和成本。Lovelace 表示：“我们在整个规划和设计过程中都可以利用模型所提供的大量信息，并在施工阶段与承包商共享这些信息。”向承包商提供数字孪生模型，可为其提供有关桥梁结构状况的详细信息和深入洞察，帮助他们实现更准确的施工投标，从而为明尼苏达州交通部节省 10％至 15％的施工成本。

团队实施数字化修复工作流，将能够精确定位修复区域，从而降低施工风险。在施工过程中，工程师将在施工过程中根据三维模型进行快速、准确的维修，从而减少桥梁停用时间。项目完成后，Collins Engineers 将扩大数字孪生模型的使用范围，用于桥梁今后的全生命周期规划和维护，确保桥梁保持结构安全，并继续作为所在地的宝贵文化资产。正如Lovelace 指出的：“在修复石拱桥之后，我们可以确保这一公共资产在未来数十年继续作为明尼阿波利斯市的历史标志和重要人行通道。”