橫跨美國明尼蘇達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 世紀末明尼阿波利斯市磨粉業(yè)的繁榮作出了貢獻。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志性建筑，還被譽為該市遺產(chǎn)的一部分，更被公認是繁榮的象征和土木工程的地標，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。
20 世紀 90 年代初，明尼蘇達州交通部對這座 2100 英尺長的 22 跨石拱橋進行了改造，供行行人和自行車通行。明尼蘇達州交通部為了保證公共安全和保護歷史標志，啟動了一項總投資達 1200 萬美元的修復(fù)項目。該部門聘請 Collins Engineers 公司對大橋結(jié)構(gòu)完整性進行評估，從而找出缺陷并進行修復(fù)，以確保它在未來仍是寶貴的文化和物質(zhì)資產(chǎn)。Collins Engineers 公司無人機系統(tǒng)、人工智能和實景建模總監(jiān) Barritt Lovelace 表示：“這座石拱橋已有 140 年的歷史，需要進行大量的修復(fù)工作以確保其在多年后仍然運營良好。”
該項目是數(shù)十年來對石拱橋的首次重大修復(fù)，需要詳細檢查整個橋梁結(jié)構(gòu)的狀況，包括石拱、路堤、橋墩和水下地基?？紤]到石拱結(jié)構(gòu)歷史久遠、規(guī)模較大，Collins Engineers 在制定維修方案時面臨著傳統(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，會嚴重影響橋梁的公共使用，而且可能無法生成準確的維修方案所需的詳細信息。
Collins Engineers 為了克服傳統(tǒng)巡檢和數(shù)據(jù)收集方法的缺點，試圖將巡檢數(shù)據(jù)數(shù)字化，并生成橋梁的三維模型。他們曾在以前的項目中進行實景建模，但質(zhì)量達不到這種大型且復(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，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的工程技術(shù)來完成這座歷史建筑的修復(fù)。Collins Engineers 意識到需要制定集成的數(shù)字化勘測、建模和巡檢解決方案，以收集充分的數(shù)據(jù)，為橋梁進行精確建模并最大限度減少對行人交通的影響。
為此，Collins Engineers開始使用數(shù)字孿生模型作為傳統(tǒng)巡檢流程的補充，簡化工作流并改變巡檢方式。Lovelace 表示：“利用無人機系統(tǒng)和數(shù)字孿生模型進行大型項目修復(fù)，第一步就包括現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。”通過使用無人機拍攝了 13000 多張圖像并在iTwin Capture Modeler 中對其進行處理，項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)實環(huán)境中進行虛擬化巡檢。之后，現(xiàn)場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)果會附以照片，通過紙筆記錄和傳達。這些記錄缺乏必要的細節(jié)，團隊無法據(jù)此做出明確的決定，進而及時、安全地完成項目。但是，通過使用三維數(shù)字孿生模型，現(xiàn)場團隊可以遠程檢查橋梁，直接在模型上記錄他們的發(fā)現(xiàn)，并準確定位需要修復(fù)的區(qū)域。
Bentley 的實景建模和數(shù)字孿生技術(shù)的獨特應(yīng)用以前所未有的方式讓橋梁的物理模型走進了辦公室。數(shù)字孿生模型不僅能提供有價值的數(shù)據(jù)和信息，還可作為溝通工具，實現(xiàn)團隊之間的實時協(xié)作，從而解決問題。這些模型有助于設(shè)計團隊在數(shù)字化環(huán)境中精準識別物理結(jié)構(gòu)缺陷，Collins Engineers 認識到這些模型具有增進公眾聯(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：“在進行現(xiàn)場作業(yè)時，這項技術(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目聯(lián)系起來的方式。”Collins Engineers 通過混合現(xiàn)實技術(shù)，充分利用了團隊、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，同時還獲得了真實、細節(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)實環(huán)境中利用數(shù)字孿生可以實現(xiàn)更快、更準確的數(shù)據(jù)采集和巡檢，還可以簡化模型訪問，并最大限度減少對公眾的影響。Collins Engineers 使用先進的數(shù)字化技術(shù)檢查橋梁，將橋梁在巡檢期間的停用時間縮短至四天以內(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)場巡檢時間，同時改進了數(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)險和成本。Lovelace 表示：“我們在整個規(guī)劃和設(shè)計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)狀況的詳細信息和深入洞察，幫助他們實現(xiàn)更準確的施工投標，從而為明尼蘇達州交通部節(jié)省 10％至 15％的施工成本。
團隊實施數(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。在施工過程中，工程師將在施工過程中根據(jù)三維模型進行快速、準確的維修，從而減少橋梁停用時間。項目完成后，Collins Engineers 將擴大數(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，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志和重要人行通道。”
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