橫跨美國明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市中心密西西比河的石拱橋曾是一座鐵路橋，建于 1883 年，為 19 世紀(jì)末明尼阿波利斯市磨粉業(yè)的繁榮作出了貢獻(xiàn)。這座石拱橋位于圣安東尼瀑布附近，從橋上可以欣賞到令人驚嘆的瀑布和城市景觀。它不僅是明尼阿波利斯市的標(biāo)志性建筑，還被譽(yù)為該市遺產(chǎn)的一部分，更被公認(rèn)是繁榮的象征和土木工程的地標(biāo)，見證了明尼阿波利斯市取得巨大發(fā)展的歷史，也成為了倍受歡迎的攝影地和熱門旅游景點(diǎn)。
20 世紀(jì) 90 年代初，明尼蘇達(dá)州交通部對(duì)這座 2100 英尺長的 22 跨石拱橋進(jìn)行了改造，供行行人和自行車通行。明尼蘇達(dá)州交通部為了保證公共安全和保護(hù)歷史標(biāo)志，啟動(dòng)了一項(xiàng)總投資達(dá) 1200 萬美元的修復(fù)項(xiàng)目。該部門聘請(qǐng) Collins Engineers 公司對(duì)大橋結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行評(píng)估，從而找出缺陷并進(jìn)行修復(fù)，以確保它在未來仍是寶貴的文化和物質(zhì)資產(chǎn)。Collins Engineers 公司無人機(jī)系統(tǒng)、人工智能和實(shí)景建?？偙O(jiān) Barritt Lovelace 表示：“這座石拱橋已有 140 年的歷史，需要進(jìn)行大量的修復(fù)工作以確保其在多年后仍然運(yùn)營良好。”
該項(xiàng)目是數(shù)十年來對(duì)石拱橋的首次重大修復(fù)，需要詳細(xì)檢查整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的狀況，包括石拱、路堤、橋墩和水下地基。考慮到石拱結(jié)構(gòu)歷史久遠(yuǎn)、規(guī)模較大，Collins Engineers 在制定維修方案時(shí)面臨著傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和巡檢方法無法解決的問題。Lovelace 表示：“最大的挑戰(zhàn)在于這座橋梁龐大的規(guī)模。橋梁跨度很長，并且拱石結(jié)構(gòu)的表面積極大，所以很難通過傳統(tǒng)方法獲取信息。”傳統(tǒng)工作流非常耗時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響橋梁的公共使用，而且可能無法生成準(zhǔn)確的維修方案所需的詳細(xì)信息。
Collins Engineers 為了克服傳統(tǒng)巡檢和數(shù)據(jù)收集方法的缺點(diǎn)，試圖將巡檢數(shù)據(jù)數(shù)字化，并生成橋梁的三維模型。他們?cè)谝郧暗捻?xiàng)目中進(jìn)行實(shí)景建模，但質(zhì)量達(dá)不到這種大型且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的檢查和建模要求。這座歷史建筑在建造時(shí)，數(shù)字化是不可想象的行為，但現(xiàn)在工程師們希望利用最先進(jìn)的工程技術(shù)來完成這座歷史建筑的修復(fù)。Collins Engineers 意識(shí)到需要制定集成的數(shù)字化勘測(cè)、建模和巡檢解決方案，以收集充分的數(shù)據(jù)，為橋梁進(jìn)行精確建模并最大限度減少對(duì)行人交通的影響。
為此，Collins Engineers開始使用數(shù)字孿生模型作為傳統(tǒng)巡檢流程的補(bǔ)充，簡化工作流并改變巡檢方式。Lovelace 表示：“利用無人機(jī)系統(tǒng)和數(shù)字孿生模型進(jìn)行大型項(xiàng)目修復(fù)，第一步就包括現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)。”通過使用無人機(jī)拍攝了 13000 多張圖像并在iTwin Capture Modeler 中對(duì)其進(jìn)行處理，項(xiàng)目組生成了石拱橋的高精度三維模型，然后將其上傳到云端。Collins Engineers 集成 Bentley 的數(shù)字孿生技術(shù)，在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行虛擬化巡檢。之后，現(xiàn)場(chǎng)的橋梁巡檢人員可以通過平板電腦訪問數(shù)字孿生模型，并將巡檢信息直接記錄在模型上。
傳統(tǒng)操作模式上，巡檢結(jié)果會(huì)附以照片，通過紙筆記錄和傳達(dá)。這些記錄缺乏必要的細(xì)節(jié)，團(tuán)隊(duì)無法據(jù)此做出明確的決定，進(jìn)而及時(shí)、安全地完成項(xiàng)目。但是，通過使用三維數(shù)字孿生模型，現(xiàn)場(chǎng)團(tuán)隊(duì)可以遠(yuǎn)程檢查橋梁，直接在模型上記錄他們的發(fā)現(xiàn)，并準(zhǔn)確定位需要修復(fù)的區(qū)域。
Bentley 的實(shí)景建模和數(shù)字孿生技術(shù)的獨(dú)特應(yīng)用以前所未有的方式讓橋梁的物理模型走進(jìn)了辦公室。數(shù)字孿生模型不僅能提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)和信息，還可作為溝通工具，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)之間的實(shí)時(shí)協(xié)作，從而解決問題。這些模型有助于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在數(shù)字化環(huán)境中精準(zhǔn)識(shí)別物理結(jié)構(gòu)缺陷，Collins Engineers 認(rèn)識(shí)到這些模型具有增進(jìn)公眾聯(lián)系的潛力，可以提供虛擬的可視化洞察，讓公眾更好地了解修復(fù)工程。Lovelace 表示：“在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的使用引發(fā)了公眾極大的興趣，這顯然是一種將公眾與我們的項(xiàng)目聯(lián)系起來的方式。”Collins Engineers 通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，充分利用了團(tuán)隊(duì)、公眾以及從全國各地的專家那里洞察的信息。他們不必出差就可以“虛擬”游覽這座橋梁，同時(shí)還獲得了真實(shí)、細(xì)節(jié)化的視角，用于優(yōu)化歷史建筑的修繕工作。
與傳統(tǒng)流程相比，在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中利用數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集和巡檢，還可以簡化模型訪問，并最大限度減少對(duì)公眾的影響。Collins Engineers 使用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)檢查橋梁，將橋梁在巡檢期間的停用時(shí)間縮短至四天以內(nèi)。巡檢工程師利用平板電腦直接在模型上記錄他們的發(fā)現(xiàn)，Collins Engineers 得以節(jié)省 20％的現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)間，同時(shí)改進(jìn)了數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。Bentley 的集成技術(shù)可以促成更明智的決策，降低因缺少信息而做出保守決策所帶來的風(fēng)險(xiǎn)和成本。Lovelace 表示：“我們?cè)谡麄€(gè)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程中都可以利用模型所提供的大量信息，并在施工階段與承包商共享這些信息。”向承包商提供數(shù)字孿生模型，可為其提供有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)狀況的詳細(xì)信息和深入洞察，幫助他們實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的施工投標(biāo)，從而為明尼蘇達(dá)州交通部節(jié)省 10％至 15％的施工成本。
團(tuán)隊(duì)實(shí)施數(shù)字化修復(fù)工作流，將能夠精確定位修復(fù)區(qū)域，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)。在施工過程中，工程師將在施工過程中根據(jù)三維模型進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的維修，從而減少橋梁停用時(shí)間。項(xiàng)目完成后，Collins Engineers 將擴(kuò)大數(shù)字孿生模型的使用范圍，用于橋梁今后的全生命周期規(guī)劃和維護(hù)，確保橋梁保持結(jié)構(gòu)安全，并繼續(xù)作為所在地的寶貴文化資產(chǎn)。正如Lovelace 指出的：“在修復(fù)石拱橋之后，我們可以確保這一公共資產(chǎn)在未來數(shù)十年繼續(xù)作為明尼阿波利斯市的歷史標(biāo)志和重要人行通道。”
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