綜合性超高層智能信息化施工平臺研究與應(yīng)用*

姜子麒

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

1 工程概況

西安綠地絲路全球文化中心項目位于西安市灞橋區(qū)，是第十四屆全運會配套項目，包括2棟超高層、1棟高層、1棟多層商業(yè)及裙房和地下車庫。2棟超高層對稱設(shè)計，均為矩形鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，地下2層，地上36層，建筑高度160m。超高層建筑信息化施工平臺在多維度信息獲取與數(shù)值模擬的同時，為超高層建筑施工電梯運行管控、塔式起重機智能監(jiān)控、信息化綜合管理提供兼容信息交互環(huán)境。

2 建筑信息化施工平臺基礎(chǔ)技術(shù)

基于智能施工技術(shù)與信息化施工理念，結(jié)合BIM技術(shù)、數(shù)值模擬方法、傾斜攝影技術(shù)、智能監(jiān)控等技術(shù)手段，搭建臨時結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測及施工電梯管控、塔式起重機智能監(jiān)控、信息化管理等平臺，實現(xiàn)超高層建筑施工信息全方位動態(tài)管控與智慧決策。

2.1 BIM技術(shù)

BIM技術(shù)以信息模型為載體，利用三維數(shù)字仿真技術(shù)，構(gòu)建工程實體信息。其本質(zhì)是以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一個兼容、廣闊的信息交換環(huán)境，提高管理效率[4-7]。

2.2 數(shù)值模擬方法

目前工程領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬方法包括有限元法、邊界元法、離散單元法、有限差分法。本工程采用有限元法，基于MIDAS Gen[8]對塔式起重機柱狀支撐及V形支撐進行計算模擬，將連續(xù)的求解域分割成有限個單元，用未知參數(shù)方程來表征單元特性，進而將各單元特征方程組合成大型代數(shù)方程組，最后求解方程組得到柱狀支撐及V形支撐加固的核心筒模型最大位移(見圖1)及結(jié)構(gòu)承載梁單元應(yīng)力，計算分析結(jié)果可為現(xiàn)場施工提供參考依據(jù)。

圖1 數(shù)值模擬等值線位移云圖(單位：mm)

2.3 傾斜攝影建模技術(shù)

傾斜攝影的三維實景建模技術(shù)與傳統(tǒng)的正向攝影不同，傾斜攝影分別從1個豎直方向、4個相互垂直的傾斜方向獲取目標(biāo)區(qū)域的圖像資料，通過建模軟件生成三維實景模型。針對本項目測量區(qū)域范圍較小的特點，采用單鏡頭無人機傾斜攝影、環(huán)繞型影像采集，以超高層垂直中軸線為環(huán)繞軸，借助Smart 3D軟件建立精度高、模型更新速度快的建筑物內(nèi)外部三維實景模型(見圖2)。為提高模型實用性，搭建三維實景模型管理平臺，現(xiàn)場施工人員通過手機將現(xiàn)場照片實時上傳至平臺，技術(shù)人員借助平臺照片進行三維實景重建，并定期更新儲存模型，為后期隱蔽工程的檢查驗收及其他工作提供可視化參考依據(jù)。

圖2 建筑物三維實景模型

2.4 監(jiān)測技術(shù)

2.4.1智能監(jiān)測

自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是以Web為基準(zhǔn)的多路分布式光纖故障監(jiān)控系統(tǒng)，由多個現(xiàn)場監(jiān)測單元與測試系統(tǒng)主控計算機構(gòu)成。子站和主站利用無線通信 GPRS 實現(xiàn)通信及數(shù)據(jù)交互，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控、終端與平臺無線傳輸、測試數(shù)據(jù)信息化管理。登錄平臺或利用手機得到現(xiàn)場監(jiān)測單元傳回的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對比計算結(jié)果與系統(tǒng)分析，得出結(jié)構(gòu)實時狀態(tài)變化趨勢。出現(xiàn)異常信息時，系統(tǒng)會自動報警，通過信息推送的方式及時報告給相關(guān)管理人員[9-11]。

俗話說：“興趣是最好的老師?！币虼?，教師在小學(xué)階段的數(shù)學(xué)課堂的教學(xué)活動中，應(yīng)合理利用數(shù)字化的學(xué)習(xí)資源，將圖片與文字進行結(jié)合，從而極大程度地激發(fā)學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)科的興趣，有利于學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的接受。如教師在講解“數(shù)字的乘除法”這一課時，由于學(xué)生的人生閱歷有限，很難理解數(shù)學(xué)中抽象的數(shù)學(xué)知識，這時，教師可以利用數(shù)字化的信息資源進行一些知識的講解， 利用數(shù)字化的資源將抽象的數(shù)學(xué)知識具體化，從而在一定程度上激發(fā)學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的興趣，從而高質(zhì)量地完成教學(xué)活動[1]。

2.4.2監(jiān)測設(shè)備

西安綠地絲路全球文化中心項目5，7號超高層辦公樓采用鋼結(jié)構(gòu)+核心筒形式，采用內(nèi)升式動臂塔機，整個施工階段共頂升7次，為保證頂升過程中主體結(jié)構(gòu)的安全，在頂升層橫梁中間用鋼管柱作為支撐?，F(xiàn)場安裝HZKJ-SV32靜力水準(zhǔn)儀和傾角傳感儀，在頂升時實時監(jiān)測鋼管柱、橫梁的沉降值和傾斜值，判斷主體結(jié)構(gòu)是否正常。

在21層A區(qū)東側(cè)設(shè)置監(jiān)測點，將拉繩傳感器固定在監(jiān)測點及周邊相對固定位置，通過改變拉繩長度監(jiān)測位移的變化。通過4G(5G)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，統(tǒng)計處理后自動生成相應(yīng)的曲線和報表。2021年5月10—15日位移監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 位移監(jiān)測曲線

3 超高層智能信息化施工平臺

3.1 超高層智能信息化施工平臺邏輯框架搭建

針對超高層建筑施工規(guī)模龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、臨時結(jié)構(gòu)風(fēng)險高、安全管控難度大、信息處理繁雜等特點，搭建基于智能監(jiān)測、傾斜測量建模、數(shù)值分析、施工電梯監(jiān)控等模塊的多源信息處理邏輯框架。智能監(jiān)測模塊動態(tài)收集相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，為數(shù)值模擬模塊參數(shù)修正提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，之后將數(shù)值模擬模塊的分析結(jié)果集成于超高層智能信息化施工平臺數(shù)據(jù)庫中，并與傾斜攝影建模模塊進行對比分析，得到可視化分析結(jié)果。同時智能監(jiān)測模塊動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和施工電梯監(jiān)控模塊采集數(shù)據(jù)均可集成于平臺數(shù)據(jù)庫，最終通過自動化數(shù)據(jù)分析、風(fēng)險大數(shù)據(jù)識別、可視化實時安全評估與預(yù)測，形成施工建議。超高層智能信息化施工平臺及其邏輯框架如圖4,5所示。

圖4 超高層智能信息化施工平臺

圖5 超高層智能信息化施工平臺邏輯框架

3.2 超高層智能信息化施工平臺組成

超高層智能信息化施工平臺主要由施工電梯管控平臺、塔式起重機智能監(jiān)控平臺、信息化管理平臺組成，如圖6所示。通過數(shù)值模擬、智能監(jiān)控、進度計劃軟件、基于傾斜攝影的建筑物內(nèi)外部三維實景模型、BIM模型及現(xiàn)場照片管理平臺間的融合與鏈接，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息的開源化，有效提升本項目超高層建筑施工管理的信息化水平，為項目的施工技術(shù)管理、質(zhì)量管理、安全管理、進度管理提供精確高效的支持與保障[12]。

圖6 超高層智能信息化施工平臺組成

3.2.1施工電梯管控平臺

本項目基于建筑信息模型，將人臉識別數(shù)據(jù)和施工電梯監(jiān)測數(shù)據(jù)整合到施工電梯管控平臺中，建立一個可視化、數(shù)字化的實時施工電梯運行管控平臺，有效提升施工電梯運行效率和現(xiàn)場安全管理能力。施工電梯狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由人臉識別模塊、電梯運行監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和已有項目建筑信息模型組成。人臉識別系統(tǒng)作為電梯搭乘人員識別裝置，可提供電梯搭乘人員的詳細(xì)信息。電梯運行監(jiān)測系統(tǒng)分為速度、位置、載重測量模塊，用于獲得施工電梯的實時運行速度、所處位置及承載質(zhì)量。該系統(tǒng)獲取相關(guān)信息后將數(shù)據(jù)反饋至建筑信息模型進行數(shù)據(jù)處理，并在運行管控平臺實時顯示。

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)人臉識別模塊、運行監(jiān)測模塊與建筑信息模型間的數(shù)據(jù)交換，施工電梯管控平臺支持對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行導(dǎo)入、導(dǎo)出、備份和還原操作。在BIM模型內(nèi)可查詢到施工電梯搭載人員信息和施工電梯運行參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制施工電梯監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。出現(xiàn)異常情況時，可通過BIM模型向相關(guān)人員及時發(fā)送異常報告，提醒施工電梯管理人員及時進行維修或救援。BIM模型如圖7所示，施工電梯管控系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖7 BIM模型

圖8 施工電梯管控系統(tǒng)界面

3.2.2塔式起重機智能監(jiān)控平臺

西安綠地絲路全球文化中心項目密集施工作業(yè)多，存在塔式起重機碰撞風(fēng)險。項目采用終端塔式起重機監(jiān)控平臺，包括終端設(shè)備、塔式起重機及各傳感組件、報警組件控制裝置(見圖9)。各塔式起重機控制裝置與終端設(shè)備通信連接，傳送傳感組件監(jiān)測的信息，第1控制裝置與第2控制裝置通信連接，當(dāng)活動區(qū)域有重疊，各報警組件將分別發(fā)出警示。

圖9 塔式起重機智能監(jiān)控平臺

3.2.3信息化管理平臺

3.2.3.1平臺硬件運行環(huán)境

信息化施工平臺硬件運行環(huán)境由處理器CPU、網(wǎng)絡(luò)接口、用戶接口、存儲器、通信總線組成。存儲器包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、用戶接口模塊及平臺搭建程序。通信總線可實現(xiàn)各組件間的交互連接，網(wǎng)絡(luò)接口用于對接后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)，用戶接口對接客戶端數(shù)據(jù)，處理器用于調(diào)用存儲器中超高層建筑信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)。硬件運行環(huán)境的終端結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 硬件運行環(huán)境的終端結(jié)構(gòu)

3.2.3.2平臺軟件交互程序

以建筑物三維實景模型、BIM模型、進度計劃軟件及照片管理平臺為基礎(chǔ)，通過模型與模型、模型與進度計劃軟件間的相互融合，鏈接而成超高層建筑信息化施工平臺。利用Revit建模軟件建立BIM模型，依托Project軟件進行項目進度計劃編制，在Navisworks中集成BIM模型和進度計劃，形成項目進度計劃模型。在Skyline平臺，將建立的三維實景模型和BIM模型進行數(shù)據(jù)融合，建立數(shù)據(jù)庫。收集并實時上傳現(xiàn)場照片，進行模型更新，并將早期模型按時間順序入庫儲存。

1)BIM模型與進度計劃軟件的鏈接 利用Revit建立BIM模型，依托Project軟件進行項目進度計劃編制；利用Revit導(dǎo)出功能，將BIM模型導(dǎo)出為.nwc后綴的數(shù)據(jù)文件，并導(dǎo)入Navisworks軟件；將Project生成的項目進度計劃導(dǎo)入Navisworks中，此種方式需準(zhǔn)確對應(yīng)Project各名稱和各特征ID、項目開始時間和結(jié)束時間，否則導(dǎo)入的數(shù)據(jù)達不到鏈接的要求；最后在Navisworks中形成項目進度計劃模型。

2)三維實景模型與進度計劃軟件的鏈接 將三維實景建模獲得的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Civil 3D模型；利用Civil 3D建模平臺與Revit建模平臺可交互的特點，在Civil 3D中選擇“轉(zhuǎn)換Civil模型為AutoCAD文件”，導(dǎo)出模型為“R14”格式；然后在Revit中，選擇“導(dǎo)入CAD”，將Civil 3D導(dǎo)出的“R14”格式文件導(dǎo)入Revit軟件中；最后將Revit生成的三維實景模型與Project生成的項目進度計劃在Navisworks中整合。

3)BIM模型與三維實景模型的融合 先將通過Smart 3D建立的三維實景模型以osgb格式導(dǎo)出；然后將通過Revit建立的BIM模型以fbx格式導(dǎo)出；最后在Skyline平臺進行二者數(shù)據(jù)融合，并以3dml格式保存。

4)連接照片管理平臺 照片管理平臺主要服務(wù)于傾斜攝影技術(shù)的三維實景模型，該照片管理平臺可分別在手機端和電腦端登錄，現(xiàn)場施工人員通過手機將現(xiàn)場照片實時上傳至平臺，技術(shù)人員借助平臺照片進行模型更新，并將早期模型按時間順序入庫儲存，為后期隱蔽工程的檢查驗收及其他工作提供可視化參考依據(jù)。

4 結(jié)語

綜合性超高層智能信息化施工平臺在西安綠地絲路全球文化中心項目上的成功應(yīng)用，解決了超高層建筑施工中臨時結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)散性強、數(shù)據(jù)更新不及時、信息管理數(shù)據(jù)交互性差等問題。本文搭建適合于超高層建筑施工的一體化信息處理框架，提出了以下方法。

1)建立可視化動態(tài)施工電梯運行管控平臺，將識別數(shù)據(jù)、運行監(jiān)測與建筑信息模型一體化集成，同時在超高層建造中成功應(yīng)用塔式起重機智能監(jiān)測、分析、預(yù)警三位一體技術(shù)，保障生產(chǎn)安全，防范重大安全事故，提升智能化安防水平。

2)超高層智能信息化施工平臺改變傳統(tǒng)的管理模式，實現(xiàn)了宏觀、微觀場景相結(jié)合，工程內(nèi)部結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境相結(jié)合的全方位控制管理，提高施工效率，縮短工期，有效控制了施工成本。

3)通過信息化施工平臺將進度、質(zhì)量、安全等多方位管理融合到一個平臺中，形成以可視化施工平臺為基礎(chǔ)的多業(yè)務(wù)系統(tǒng)并存并聯(lián)的超高層建設(shè)信息化整體解決方案，加強各專業(yè)之間協(xié)作能力。