BIM下地鐵基坑監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)淺議

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摘要:基坑工程是建筑工程中最為常見的工程，基坑變形監(jiān)測(cè)是基坑工程中必不可少的工作之一，但是由于日常監(jiān)測(cè)工作中煩瑣的數(shù)據(jù)處理與歸檔容易造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)漏，并且不能及時(shí)為管理者提供信息反饋并做出決策。研究基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)與bim技術(shù)，并針對(duì)基坑監(jiān)測(cè)相關(guān)內(nèi)容分析用戶需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，運(yùn)用BIM技術(shù)建立該工程BIM模型。通過c#將BIM模型生成的3ds文件解析并重繪，實(shí)現(xiàn)三維顯示模塊，并通過模型能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的查詢與交互。

關(guān)鍵詞:地鐵;基坑監(jiān)測(cè);建筑信息模型;管理信息系統(tǒng)

1引言

隨著各城市的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)項(xiàng)目極速增加，鑒于地鐵基坑都是深大基坑的特點(diǎn)，基坑的變形監(jiān)測(cè)在施工中已經(jīng)成為不可或缺的安全監(jiān)控手段。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)匯報(bào)管理方式明顯不能滿足日益增長(zhǎng)的大信息量的作業(yè)模式。因此，需要建立一個(gè)綜合性強(qiáng)，功能全面，信息集中的集成化的管理系統(tǒng)，此管理系統(tǒng)需要能及時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信息分類，為決策者及時(shí)準(zhǔn)確地提供反饋信息。由于BIM的可視化技術(shù)、模型包含大量信息等特點(diǎn)，地鐵基坑多為深大基坑、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，這也使得其在監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用是必然趨勢(shì)，對(duì)于工程安全具有重大意義。

2相關(guān)技術(shù)

2.1基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)

基坑是整個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)工程，它具有階段性的特征，但在進(jìn)行基坑實(shí)施過程中，其風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，安全儲(chǔ)備較小，容易發(fā)生安全事故［1］。而地鐵基坑一般都屬于深大基坑，各地層地質(zhì)環(huán)境變化多，開挖深度高，支護(hù)要求高，對(duì)其安全性提出了更高的要求。隨著基坑施工出現(xiàn)了科學(xué)的設(shè)計(jì)理念和完備的施工作業(yè)方法，基坑監(jiān)測(cè)已成為施工中的重要組成部分，基坑監(jiān)測(cè)的目的主要是:(1)驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)基坑開挖和配套結(jié)構(gòu)的施工。在進(jìn)行基坑開挖時(shí)，是根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行防護(hù)的，而設(shè)計(jì)方案對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)是否成功具有最重要的作用［2］。(2)保證基坑支護(hù)的安全。按照監(jiān)測(cè)方案每日進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，實(shí)行信息化施工，當(dāng)此情況出現(xiàn)時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，能有效地避免或減輕破壞的后果。(3)總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)分析提供支撐和依據(jù)。當(dāng)工程項(xiàng)目完成和監(jiān)測(cè)結(jié)束之后，在整個(gè)監(jiān)測(cè)階段和施工中遇到的情況為下次的施工設(shè)計(jì)提供很好的借鑒作用。一般基坑的監(jiān)測(cè)內(nèi)容都是結(jié)合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求與相應(yīng)施工的規(guī)范文件，以及基坑周邊環(huán)境的性質(zhì)和基坑需要的安全等級(jí)來確定的。

2.2BIM技術(shù)

建筑信息模型(BIM)是指在建筑物建設(shè)的全生命周期中，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等相關(guān)的建筑信息數(shù)據(jù)的集合體。運(yùn)用該模型數(shù)據(jù)數(shù)字化技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地模擬施工、運(yùn)營(yíng)的多個(gè)環(huán)節(jié)，大大提高生產(chǎn)率和控制成本，有效地反饋施工中的重難點(diǎn)。建筑信息模型(也簡(jiǎn)稱BIM)在全周期過程中產(chǎn)生了包括建筑構(gòu)件位置關(guān)系、幾何關(guān)系、空間地理信息及建筑結(jié)構(gòu)件的數(shù)量和性能等信息。BIM帶來的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)可視化。BIM建立的三維模型，是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)建立的真三維模型。其模型中包含相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并且在模擬施工過程中進(jìn)行可視化的操作。該實(shí)體的模型在設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)用等過程中均可調(diào)整并修改［3］。(2)協(xié)調(diào)性。由于可視化的特點(diǎn)，對(duì)于非本領(lǐng)域的人員更直觀地觀察，也方便了各部門之間進(jìn)行更好的溝通、討論與決策。(3)模擬性。BIM在不同的階段可以進(jìn)行不同的模擬，在施工階段，可以進(jìn)行施工組織模擬施工［4－5］，還可以進(jìn)行5D模擬有效控制成本。(4)優(yōu)化性。事實(shí)上整個(gè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過程就是一個(gè)不斷優(yōu)化的過程，BIM的軟件及與其配套的各種優(yōu)化工具能對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化處理。(5)可出圖性［6］。在BIM模型建立之后，在模型內(nèi)進(jìn)行構(gòu)件間的碰撞檢測(cè)，根據(jù)反饋結(jié)果可消除原設(shè)計(jì)圖紙中的矛盾點(diǎn)，并最終得到綜合設(shè)計(jì)施工圖。

3工程概況

江城大道站位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)，是武漢軌道交通六號(hào)線其中一站，此站規(guī)劃設(shè)計(jì)為與軌道交通10號(hào)線換乘站。整體來說，施工工區(qū)建筑物較少，多為荒地與空曠廠區(qū)。江城大道站為地下2層島式車站，大里程端帶單渡線，車站外包總長(zhǎng)304．9m，車站有效站臺(tái)中心里程右K3+711.000，車站起點(diǎn)里程右K3+623.360、終點(diǎn)里程右K3+928.260，采用明挖法施工。車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬22．1m，端頭盾構(gòu)井處寬27．2m，基坑深度約17．2m～19．1m［7］，總開挖面積約5981m2，基坑底位于Q2堅(jiān)硬狀的老黏土中?；訄?chǎng)地及周邊包含有2根φ300雨水管和一個(gè)尺寸為1400mm×300mm電力管溝內(nèi)有1根10KV的高壓電纜。

4基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基坑監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)是一個(gè)綜合性集成的系統(tǒng)，是對(duì)各期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)性系統(tǒng)性管理的系統(tǒng)。伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、BIM等信息技術(shù)的快速發(fā)展［8］，基坑監(jiān)測(cè)可通過融合多種信息化元素來實(shí)現(xiàn)流程的升級(jí)再造。該系統(tǒng)功能需要滿足數(shù)據(jù)日常管理、往期數(shù)據(jù)查詢、分析與預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)報(bào)表自動(dòng)化輸出等功能。從整體需求設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)流程框架如圖1所示。

4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)是需要將各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在外業(yè)采集完的數(shù)據(jù)和巡視資料，經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算平差后導(dǎo)入到系統(tǒng)中，進(jìn)行存儲(chǔ)管理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之后，再通過監(jiān)測(cè)處理，可以得到不同時(shí)間段的每日變形量和累計(jì)變形量，及在一段時(shí)間內(nèi)的總變形量，再進(jìn)行報(bào)表輸出。監(jiān)測(cè)處理之后，變形量的變化可以通過模型來進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和圖形顯示，并進(jìn)行變形預(yù)測(cè)與分析。根據(jù)項(xiàng)目分析，把系統(tǒng)功能包括“工程管理”“設(shè)置報(bào)警值”“工程概況及巡查日志”“常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目管理”“其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目管理”“BIM查詢分析”“報(bào)表輸出”“實(shí)用工具”“幫助”等9個(gè)模塊。其框架與功能模塊如圖2所示。(2)BIM模型建立根據(jù)江城大道站施工技術(shù)設(shè)計(jì)書，基坑挖掘深度17．2m～19．1m。按照建筑設(shè)計(jì)的圖紙，采用Revit來繪制BIM模型。在Revit中，選擇項(xiàng)目樣板，創(chuàng)建項(xiàng)目，確定項(xiàng)目標(biāo)高、軸網(wǎng)，繪制符合現(xiàn)場(chǎng)情況的基坑信息模型?；驹O(shè)計(jì)流程遵循“由整體到局部”的原則，從整體出發(fā)，逐步細(xì)化。最終基坑BIM模型如圖3所示。(3)BIM查詢分析①BIM文件的格式Revit的項(xiàng)目文件格式是．rvt文件，由于Revit的文件格式不能直接讀取，通過其導(dǎo)出的dwg文件格式，然后在3dsMax中導(dǎo)入dwg文件，然后再導(dǎo)出．3ds文件格式。3DS是三維幾何建模軟件3dsMax用來保存模型信息的一種文件結(jié)構(gòu)，可與其他的文件格式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，因此選擇它作為與管理信息系統(tǒng)連接的文件格式。②模型的讀取和顯示了解整個(gè)3ds文件格式之后就是要讀取并解析該文件，從中挑選需要用到的信息。通過這些信息，其中有各個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，通過這些坐標(biāo)將模型重繪出來，并加上材質(zhì)顏色等，工程中需要的信息。如:頂點(diǎn)列表、面列表和紋理列表等就可以了。3ds文件是二進(jìn)制的。3ds格式的基本單元叫塊(chunk)。讀取時(shí)讀塊信息。目錄樹如下，縮進(jìn)風(fēng)格體現(xiàn)了塊的父子關(guān)系。可見3ds模型文件和XML文件類似，都是只有1個(gè)根結(jié)點(diǎn)的樹狀結(jié)構(gòu)。以類型標(biāo)識(shí)為0x4D4D的MAINCHUNK為例，整個(gè)3ds文件的前兩個(gè)byte必須是0x4D4D，否則就說明這個(gè)文件不是3ds模型文件。然后從第3到第6個(gè)byte是一個(gè)Uint32型的數(shù)值，表示整個(gè)MAINCHUNK的長(zhǎng)度。由于MAINCHUNK是整個(gè)3ds文件的根結(jié)點(diǎn)，它的長(zhǎng)度也是整個(gè)3ds文件的長(zhǎng)度。下面給出讀取3ds文件部分代碼:③數(shù)據(jù)交互當(dāng)讀取數(shù)據(jù)后，將會(huì)在窗體中顯示整個(gè)模型，可以進(jìn)行模型的放大、縮小及旋轉(zhuǎn)。該模型為武漢地鐵六號(hào)線江城大道站的基坑BIM模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到3ds模式之后，解析與顯示在該系統(tǒng)中。在拾取監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)體的時(shí)候，會(huì)彈出窗口，允許輸入點(diǎn)號(hào)，可以查詢?cè)摫O(jiān)測(cè)點(diǎn)的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖4所示。選取某段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，直接可以得到該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化量的時(shí)程曲線。數(shù)據(jù)查詢窗口中提供以時(shí)間為軸對(duì)累計(jì)變化量、日變化量、變化速率進(jìn)行查詢。用戶依次選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)編號(hào)、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，如圖5所示。并可選擇預(yù)測(cè)方法，給定預(yù)測(cè)期數(shù)即可進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.3系統(tǒng)應(yīng)用

通過武漢地鐵六號(hào)線江城大道站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，在使用時(shí)，界面友好，功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)，可以是煩瑣復(fù)雜的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中管理，計(jì)算簡(jiǎn)單，報(bào)表規(guī)范化，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，效率也大大提高。而且不同監(jiān)測(cè)的情況可以通過集成的管理信息系統(tǒng)平臺(tái)了解到實(shí)時(shí)的施工狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)在人工上的錯(cuò)漏等失誤，也促進(jìn)了各專業(yè)之間的交流。

作者:郭昱銘 沙文東 李謀思 單位:武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司