基于BIM 實(shí)施與結(jié)構(gòu)有限元分析的城市軌道交通智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李君君 劉曉慶 李朋亮

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1） 河北石家莊 050041 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院2） 河北石家莊 051132中鐵二十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司3） 北京 102308 ）

1 引言

BIM 技術(shù)產(chǎn)生發(fā)展20 年來(lái)，在國(guó)內(nèi)AEC 行業(yè)應(yīng)用較晚，其可開發(fā)的潛力巨大，結(jié)合新的軟件開發(fā)、5G 移動(dòng)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的廣泛應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，各項(xiàng)前沿技術(shù)又將進(jìn)一步結(jié)合到BIM技術(shù)中來(lái)，從而使工程項(xiàng)目獲得更高的效益。想要實(shí)現(xiàn)基于BIM 的智能化開發(fā)，首先需要將所有工程結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化，這就為信息數(shù)字化智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了平臺(tái)。與傳統(tǒng)的工程監(jiān)測(cè)及信息收集相比，基于BIM 模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)能夠極大的增強(qiáng)工程項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量以及智能測(cè)控水平，監(jiān)控頻次可以分鐘或秒來(lái)計(jì)算，這在很大程度上加速了工程信息化的快速流通。

2 基于BIM 技術(shù)的MIDAS-GTS 有限元分析

某地鐵車站鄰近既有運(yùn)營(yíng)線，最近距離不到10m，在基坑工程開挖前，通過(guò)MIDAS-GTS 有限元計(jì)算軟件分析基坑開挖對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)的安全影響，輸出計(jì)算值作為施工期間監(jiān)測(cè)變形參照依據(jù)。通過(guò)將BIM 軟件與巖土工程有限元仿真分析軟件MIDAS-GTS 的相互融合，可以大大的提升數(shù)值分析仿真程度，極大的縮減幾何模型的建模時(shí)間、提升建模效率，同時(shí)利用BIM 模型的多信息特點(diǎn)，使得FEA 模型的大小、比例、材料屬性等更精確、更高效。BIM 建模與有限元仿真分析軟件一體化程序的研發(fā)，對(duì)實(shí)際工程的使用和仿真分析的發(fā)展都具有里程碑式的重大意義。

基坑開挖分析過(guò)程最重要一環(huán)就是對(duì)BIM 建模的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限單元化后模擬開挖過(guò)程的受力、變形等相關(guān)分析，目前尚未有BIM 模型和Midas-GTS 軟件完全契合的分析軟件，因此需要借助Revit的數(shù)據(jù)交換功能使其與Midas-GTS 分析軟件進(jìn)行無(wú)縫鏈接。

2.1 IFC 標(biāo)準(zhǔn)

IFC 標(biāo)準(zhǔn)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)，使得以BIM 技術(shù)搭建的為工程建設(shè)參與的各方提供一個(gè)綜合平臺(tái)成為可能。IFC 標(biāo)準(zhǔn)是指數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)，在使用不同軟件分析后會(huì)產(chǎn)生不同格式的信息，需要相互接入不同軟件或統(tǒng)一到一個(gè)軟件平臺(tái)時(shí)，只需要將信息數(shù)據(jù)交換的部分統(tǒng)一的進(jìn)行IFC 格式轉(zhuǎn)化即可，轉(zhuǎn)化后的信息格式統(tǒng)一，如圖1 所示。

圖1 IFC標(biāo)準(zhǔn)格式交換圖示

2.2 Revit 應(yīng)用程序接口

Revit 最顯著的特點(diǎn)是具備開放的應(yīng)用程序編程接口，該接口的名稱為Revit API(Application Programming Interface)，可以使用戶借助開放的接口進(jìn)行二次程序開發(fā)，極大的擴(kuò)展了Revit 的使用范圍。由于MIDAS-GTS 中是支持IFC 標(biāo)準(zhǔn)的文件導(dǎo)出，只是在IFC 文件的導(dǎo)入時(shí)不支持，因此可以采用Revit API 的方式通過(guò)編程來(lái)開發(fā)數(shù)據(jù)交換模塊。

2.3 基于BIM 模型的有限元計(jì)算屬性確定

選定有限元分析所需參數(shù)，將其導(dǎo)入到前述建立的地質(zhì)及結(jié)構(gòu)BIM 模型中，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，跟隨模型導(dǎo)入Midas GTS 有限元計(jì)算程序中。

依照地質(zhì)資料，土層地質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)仿真分析理念，當(dāng)計(jì)算土體分析的模型平面尺寸與實(shí)際結(jié)構(gòu)的平面尺寸之比超過(guò)3～5 時(shí)，邊界效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的靜、動(dòng)力反應(yīng)影響已經(jīng)很小了。故本模型的計(jì)算區(qū)域尺寸選擇為長(zhǎng)800m，寬400m。

2.4 基于BIM 模型的有限元模型構(gòu)建

將具備計(jì)算屬性的BIM 模型通過(guò)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入Midas GTS 計(jì)算程序。

首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分：土體單元選用三維實(shí)體單元，本模型選用四面體單元和其他類型單元混合的單元?jiǎng)澐帜Ｊ?。利用模型中已?jīng)具備的分層土體的地質(zhì)參數(shù)和計(jì)算土體模型尺寸，可直接完成地鐵基坑周圍土體三維空間的有限元模型建立。對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謺r(shí)，對(duì)土體開挖部分和既有鐵路的路基部分土體網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分，其它遠(yuǎn)離基坑開挖和既有鐵路路基的區(qū)域土體網(wǎng)格劃分可適當(dāng)粗略進(jìn)行，這樣既能保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，還可以提高計(jì)算效率。導(dǎo)入Midas GTS 的幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖2。車站基坑開挖與既有鐵路關(guān)系如圖3 所示。

圖2 三維幾何模型與網(wǎng)絡(luò)劃分

圖3 地鐵車站與既有鐵路位置關(guān)系圖

2.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后基坑開挖對(duì)既有鐵路影響有限元模擬分析

根據(jù)施工順序要求，模擬本工程施工階段基坑開挖需要分6 步進(jìn)行。第1 步：主體結(jié)構(gòu)防護(hù)樁和臨鐵路側(cè)附屬圍護(hù)樁施工；第2 步：開挖第一層基坑土體，基坑主體及附屬結(jié)構(gòu)基坑開挖2.4m，施加第一道橫撐；第3 步：開挖第二層基坑土體，基坑主體及附屬結(jié)構(gòu)基坑開挖6.1m，施加第二道橫撐；第4步：開挖第三層基坑土體，基坑主體開挖5.2m，施加第三道橫撐；第5 步：開挖第四層基坑土體，基坑主體開挖5.1m；第6 步：施加地下結(jié)構(gòu)荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)換算為均布荷載的大小為88kPa。

有限元模擬分析結(jié)果本文僅以豎向位移為例，地下結(jié)構(gòu)施工階段如圖4 所示。

圖4 地下結(jié)構(gòu)施工階段豎向位移

2.6 基坑開挖對(duì)既有鐵路影響分析

為分析地鐵車站基坑施工對(duì)既有鐵路路基的影響。假定軌道與地面不產(chǎn)生裂縫，受施工影響，路基發(fā)生附加豎向變形現(xiàn)象，地下結(jié)構(gòu)豎向位移如圖5 所示。

2.7 有限元分析結(jié)論

本文將BIM 基坑支護(hù)模型運(yùn)用接口軟件導(dǎo)入有限元軟件MIDAS-GTS NX 中，并對(duì)基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）車站基坑開挖對(duì)既有鐵路路基影響規(guī)律：隨著開挖深度的增加，路基的水平位移呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；隨著基坑距離鐵路路基的減小，鐵路路基的水平位移呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；

（2）由于地鐵站基坑開挖施工，原方案地表最大沉降為15mm，優(yōu)化后基坑地表最大沉降為12mm，減少了20%，原設(shè)計(jì)方案貨運(yùn)鐵路路基最大豎向位移1.51mm，方案優(yōu)化后位移為1.15mm，減少了23%；說(shuō)明對(duì)鄰近鐵路側(cè)圍護(hù)樁加強(qiáng)對(duì)控制基坑邊地表沉降變形、鐵路路基沉降是有效控制措施；

（3）受基坑開挖及車站結(jié)構(gòu)施工影響，既有鐵路路基將發(fā)生隆起現(xiàn)象，最大隆起值為4.31mm，可以滿足《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的鐵路構(gòu)筑物的沉降要求。按照10m 間距計(jì)算的路基豎向差異變形量，最大變形值為1.15mm。能夠滿足軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值的要求。

3 基于BIM 技術(shù)基坑開挖與智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

首先，結(jié)合地鐵站工程設(shè)計(jì)及施工情況，在前述車站BIM 模型實(shí)體結(jié)構(gòu)分解方式及專業(yè)構(gòu)件編碼的基礎(chǔ)上，以自動(dòng)化智能監(jiān)測(cè)傳感器等物聯(lián)網(wǎng)為載體，基于4G 或者5G 移動(dòng)端信息傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地鐵車站深基坑開挖的全過(guò)程的安全監(jiān)測(cè)。為了同時(shí)滿足提高效率、降低成本、保障安全的施工要求，地鐵站在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)采用了人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)與自動(dòng)化測(cè)試監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 種測(cè)點(diǎn)同時(shí)布設(shè)的方式，將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)盡量布設(shè)在既有鐵路線臨近相關(guān)的監(jiān)測(cè)位置。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接上傳至云平臺(tái)，同時(shí)結(jié)合BIM 技術(shù)與智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地鐵基坑的信息化施工。

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面的測(cè)量：

（1）沉降測(cè)量（基坑周邊、既有鐵路）

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用相對(duì)高程，利用施工中建立的水準(zhǔn)測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，按照Ⅱ等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范要求采用電子水準(zhǔn)儀引測(cè)?；又苓叢捎眉茉O(shè)高精度水準(zhǔn)儀人工監(jiān)測(cè)+數(shù)據(jù)錄入的方式進(jìn)行。既有鐵路沉降監(jiān)測(cè)采用靜力水準(zhǔn)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行在線24 小時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，同時(shí)配合人工精密水準(zhǔn)儀遵照規(guī)定監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

（2）水平位移測(cè)量（基坑、既有鐵路）

水平位移測(cè)量采用坐標(biāo)法觀測(cè)基坑及既有鐵路測(cè)點(diǎn)的變位。既有鐵路通過(guò)傾角傳感器對(duì)路基體水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在鋼軌外側(cè)安裝單軸傾角傳感器，由鋼軌傾角計(jì)算水平位移。

（3）結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)（基坑）

受力監(jiān)測(cè)包括支撐軸力與圍護(hù)樁內(nèi)力監(jiān)測(cè)，采用振弦式軸力計(jì)和鋼筋計(jì)測(cè)試，自動(dòng)化采集上傳數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3.2 基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)

BIM 技術(shù)的實(shí)施可對(duì)施工過(guò)程中附有各種參數(shù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行全方位、全過(guò)程、全信息化的模擬，因而可以形成多維信息模型，全面的地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工全過(guò)程進(jìn)行展示。將基坑開挖施工期間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息與BIM 仿真模型相結(jié)合如圖6 所示，可全面的掌握施工過(guò)程中基坑及支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，保障施工的安全性。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與BIM仿真模型結(jié)合

將各種智能傳感器采集數(shù)據(jù)與人工實(shí)時(shí)測(cè)試的數(shù)據(jù)一同上傳至云平臺(tái)，并進(jìn)行對(duì)比與時(shí)程曲線分析，通過(guò)BIM 技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行可視化，通過(guò)在安全控制功能中提供的時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列表，可以查詢到不同測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間范圍內(nèi)的具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及時(shí)程曲線，形象的展示智慧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化過(guò)程。實(shí)際施工應(yīng)用中，可以根據(jù)施工項(xiàng)目的進(jìn)展情況，不斷完善和添加新的危險(xiǎn)源項(xiàng)目，達(dá)到安全控制的目的。

3.3 基于大數(shù)據(jù)的安全分析與預(yù)警

在基坑施工中會(huì)實(shí)時(shí)的產(chǎn)生并采集到各種海量、多源、多態(tài)、多維的相關(guān)信息，具有大數(shù)據(jù)的特征，因此有必要建立基于BIM 技術(shù)的大數(shù)據(jù)分析與安全預(yù)警機(jī)制。下面以基坑的監(jiān)測(cè)預(yù)警BIM 平臺(tái)進(jìn)行分析，通過(guò)向基坑監(jiān)測(cè)BIM 系統(tǒng)所提供的接口傳入相關(guān)的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)類型或者測(cè)點(diǎn)的編碼數(shù)字信息，即可以呈現(xiàn)該監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的具體數(shù)值，包括變化值、變化速率、累積值、報(bào)警閾值、推送信息等，其中報(bào)警閾值通常根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求分成3 個(gè)等級(jí)，根據(jù)測(cè)試的絕對(duì)值、變化速率值等，按對(duì)安全的影響程度分為黃、橙、紅色預(yù)警，紅色預(yù)警直接影響施工安全，平臺(tái)展示如圖7 所示。

圖7 安全風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警

4 結(jié)語(yǔ)

本研究成果通過(guò)地鐵站開挖實(shí)際應(yīng)用表明，本系統(tǒng)工作效果良好。針對(duì)BIM 核心建模軟件，以及Revit API 二次開發(fā)流程，解決了Revit 與MIDAS GTS 數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。通過(guò)Midas GTS 構(gòu)建力學(xué)計(jì)算邊界條件對(duì)地鐵車站基坑開挖施工過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了監(jiān)測(cè)建議。對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析的結(jié)果較好的反映了地鐵基坑施工過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律。此外，在工程施工的過(guò)程中，智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，為地鐵深基坑安全施工提供了可靠的數(shù)據(jù)支持與安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。