基于BIM+數(shù)字孿生的高邊坡施工檢算動態(tài)反饋方法

楊雪,蘇謙,2*,牛云彬,孫凱強,程李娜,劉驚灝

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031;2.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031;3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

路塹邊坡是公路與鐵路常見構(gòu)筑物,隨著基礎(chǔ)建設(shè)的推進以及建設(shè)技術(shù)的提高,運營公路、鐵路邊坡里程不斷攀升,邊坡設(shè)計高度與地質(zhì)情況復(fù)雜度被不斷刷新。高邊坡項目工程量大,施工作業(yè)空間受限,一旦出現(xiàn)工程事故,如滑坡、坍塌等,將極大地危害施工機械及人員安全,保障高邊坡施工的安全愈發(fā)重要。其與前期地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及現(xiàn)場施工對不利狀況的有效處理緊密相關(guān)。

進入施工期,勘察設(shè)計工作已經(jīng)完成,此時施工期突發(fā)不利狀況的處置變得尤為關(guān)鍵,在高邊坡施工過程中可能出現(xiàn)的不利工況主要有強降雨、巖溶、地震等,采用有限元數(shù)值模擬方法對所遇特殊情況進行計算,可以有效得知相應(yīng)工況下邊坡的穩(wěn)定性,以反饋設(shè)計及指導(dǎo)施工。學(xué)者們采用有限元手段針對上述工況下的邊坡穩(wěn)定性開展了大量研究。年庚乾等[1]、秦曉同等[2]研究了降雨對邊坡的影響。蔣德松等[3]、張橋[4]研究了巖溶發(fā)育地質(zhì)情況下路基及隧道的性能變化,其計算原理也可遷移至邊坡相關(guān)研究。宋丹青等[5]、吳迪等[6]對地震荷載下的邊坡響應(yīng)及穩(wěn)定狀態(tài)進行了分析。此類分析往往用于理論研究,在數(shù)值模型創(chuàng)建及計算結(jié)果利用上很難兼顧準(zhǔn)確與效率。

隨著信息化技術(shù)在巖土領(lǐng)域的深入推廣應(yīng)用,建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術(shù)憑借其強大的建筑信息全周期集成管理與建筑模型多元展示能力,逐漸在基礎(chǔ)建設(shè)工程勘察設(shè)計[7-10]、施工[11-13]、運維[14-15]等各個方面形成應(yīng)用,并取得了不錯的效果。目前BIM技術(shù)在施工階段主要的用途有:模型指導(dǎo)施工、輕量化模型展示施工進度以及復(fù)雜施工節(jié)點的技術(shù)交底等。以上應(yīng)用有效提高施工質(zhì)量,實現(xiàn)了施工過程精細管理,但仍然處于靜態(tài)模型的應(yīng)用階段。

可見,針對施工期的邊坡穩(wěn)定性響應(yīng)及狀態(tài)研究,鮮有考慮將計算效率及準(zhǔn)確度有效結(jié)合,并且BIM技術(shù)在施工期的應(yīng)用仍處于模型靜態(tài)管理階段。為此,基于BIM技術(shù)的參數(shù)化及集成化特性,實現(xiàn)模型對施工現(xiàn)場不利工況的快速自適應(yīng)更新,將反映現(xiàn)場施工情況的BIM模型轉(zhuǎn)換至有限元分析軟件中對其進行仿真分析,并提出Mesh重構(gòu)方法實現(xiàn)計算結(jié)果向BIM環(huán)境的反饋。以期研究成果可使設(shè)計及施工人員等高效、準(zhǔn)確地查看數(shù)值分析結(jié)果,反饋設(shè)計、指導(dǎo)施工,發(fā)揮BIM“一模多用”效能,為施工突發(fā)狀況處置提供決策依據(jù)。

1 BIM動態(tài)反饋與檢算分析總體框架

為提升設(shè)計檢算對施工不利狀態(tài)的及時感知與精細化計算,提出基于BIM技術(shù)完成高邊坡施工過程中所遇不利工況檢算分析,并通過數(shù)字孿生手段進行施工模型動態(tài)反饋,整體框架如圖1所示,主要步驟包括:①通過參數(shù)化手段創(chuàng)建精細化BIM模型,充分表達高邊坡的幾何與非幾何屬性;②開發(fā)BIM模型與有限元分析模型的轉(zhuǎn)換接口,進行模型簡化、轉(zhuǎn)換與計算;③基于現(xiàn)場實際施工情況反饋的BIM模型進行相應(yīng)工況有限元檢算,并經(jīng)過計算機圖形學(xué)處理,將計算結(jié)果反饋至BIM環(huán)境,指導(dǎo)設(shè)計與施工。

圖1 BIM動態(tài)反饋與檢算分析總體框架Fig.1 General framework of BIM dynamic feedback and check and analysis

2 施工期高邊坡BIM模型動態(tài)更新方法

采用Revit 2020SDK、Dynamo動態(tài)鏈接庫,以二次開發(fā)為主要手段,實現(xiàn)施工期高邊坡BIM模型動態(tài)更新。

2.1 高邊坡BIM模型信息

根據(jù)高邊坡各階段信息傳輸要求,BIM模型主要通過幾何屬性以及非幾何屬性兩類信息對高邊坡實體及其狀態(tài)進行描述,如表1所示。

表1 高邊坡BIM模型屬性示意Table 1 Attribute schematic of BIM model of high slope

幾何屬性指在BIM模型中能夠描述模型所具有的空間位置、形狀、尺寸等情況的屬性,在參數(shù)化BIM模型中,通常與模型本身雙向關(guān)聯(lián),即可以通過調(diào)整幾何屬性進而改變模型的空間位置、形狀、尺寸等幾何信息,同時也可以直接通過BIM軟件的可視化模型操作,對模型幾何進行更改,并自動同步到幾何屬性中。錨桿框架梁如圖2所示,在Revit中對框架梁族進行參數(shù)化設(shè)置后,調(diào)整其縱梁長度,即可實現(xiàn)圖示變化效果。

圖2 Revit中BIM模型幾何屬性調(diào)整Fig.2 Geometric attribute adjustment of BIM model in Revit

非幾何屬性是描述模型中除幾何信息以外的任何信息的屬性,其可通過數(shù)字、文本甚至是音視頻形式存在,同時不同非幾何屬性之間可以存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。如高邊坡模型中各地層的物理性質(zhì)等。

基于上述分析,高邊坡施工過程可能出現(xiàn)的不利工況均可通過幾何屬性與非幾何屬性的變換反饋至BIM模型。總結(jié)高邊坡工程中常出現(xiàn)的不利工況如圖3所示,為后期進行相關(guān)模型反饋提供基礎(chǔ)。

圖3 高邊坡施工過程不利工況及其屬性Fig.3 Adverse conditions and properties of high slope construction

2.2 幾何屬性自適應(yīng)反饋

一個完整的高邊坡BIM模型主要由邊坡輪廓、地質(zhì)實體、支護設(shè)施組成。如圖3所示,當(dāng)不利工況出現(xiàn)時,需根據(jù)具體情況調(diào)整模型幾何參數(shù)以實現(xiàn)反饋,高邊坡施工過程中所涉及幾何屬性反饋的情況主要為突遇巖溶及地質(zhì)情況更新兩種,以下對其分別進行反饋方法描述。

2.2.1 突遇巖溶的幾何反饋

根據(jù)地表和地下對巖溶類型進行分析,地表巖溶形態(tài)包括溶溝、溶蝕裂隙、石芽、落水洞、溶蝕漏斗、溶蝕洼地、巖溶槽谷、巖溶峽谷等,地下巖溶形態(tài)包括地下暗河、溶洞等[16-17]。巖溶勘察有水文地質(zhì)試驗、物理勘測法、地質(zhì)調(diào)繪法、原位測試法等方法[18-19],根據(jù)所獲取的勘查數(shù)據(jù)精度不同,反饋至BIM模型中的方法及巖溶表現(xiàn)形式亦不相同,其反饋流程如圖4所示,據(jù)此進行Revit二次開發(fā),根據(jù)施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動進行模型更新。

圖4 不同巖溶數(shù)據(jù)的反饋流程Fig.4 Feedback flow of different karst data

針對較高精度的巖溶數(shù)據(jù),基于點云數(shù)據(jù)對復(fù)雜大型巖溶進行建模,為了方便BIM模型管理以及保證高邊坡穩(wěn)定性分析的收斂問題,將點云數(shù)據(jù)進行合理簡化,使其在保證較高精度下仍能滿足管理和穩(wěn)定性分析的需要。針對一般精度的巖溶數(shù)據(jù),主要是小型溶洞等,其采集精度不高,無法利用既有數(shù)據(jù)進行精細化建模生成符合巖溶實際形狀,同時其本身體積不大,幾何外形不復(fù)雜,在這種情況下一般在獲取溶洞的基本尺寸,如鉆孔中的深度數(shù)據(jù)等,即可結(jié)合專家對溶洞形狀進行初步判斷,進而進行溶洞三維模型的創(chuàng)建,故創(chuàng)建立方體、臺狀、柱狀、錐體狀、球狀5種形體的溶洞基本模型,在專家對溶洞幾何外形初步判斷的基礎(chǔ)上只需要向Dynamo相應(yīng)的模型節(jié)點中輸入模型的基本參數(shù),即可快速生成模型。

在Dynamo中可視化展示了兩種不同精度巖溶數(shù)據(jù)所生成巖溶模型的表現(xiàn)形式,如圖5所示。

淺色陰影部分為地質(zhì)實體模型;綠色部分為巖溶模型圖5 不同精度的巖溶數(shù)據(jù)模型的表現(xiàn)形式Fig.5 The expression form of karst data model with different precision

2.2.2 地質(zhì)情況更新的幾何反饋

從理論上講,創(chuàng)建高邊坡BIM地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)來源可以是任意地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)的組合,且多元數(shù)據(jù)的融合建模方法將提高BIM地質(zhì)模型的精度[20-21],本文中采用鉆孔數(shù)據(jù)及剖面圖數(shù)據(jù)融合的方法來生成地質(zhì)實體模型。

隨著高邊坡工程施工的進行,開挖面將逐漸擴大,在此過程中,如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況與前期勘察數(shù)據(jù)生成模型不符,可直接通過選定地質(zhì)層面并更改控制點數(shù)據(jù),實現(xiàn)地質(zhì)層面幾何信息的更改。操作流程如圖6所示。

圖6 地質(zhì)情況更新流程圖Fig.6 Flow chart of geological update

2.3 高邊坡BIM模型信息

非幾何信息的處理主要分為如下兩種情況。

2.3.1 原模型中已經(jīng)存在的屬性

針對原模型中已經(jīng)存在的屬性數(shù)據(jù),對其進行屬性更新時主要目的為修改其原有屬性,而無需在Revit族中進行屬性的新增。為此主要借用Revit API中提供的屬性查找及修改方法,對所需更新的模型實體進行操作,其操作流程如圖7所示。

圖7 既有非幾何屬性更新流程圖Fig.7 Flow chart for updating existing non-geometric attributes

在項目中選中需更新的模型實體,采用familyInstance.LookupParameter方法即可返回其所有屬性,使用其靜態(tài)方法Set,實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。

2.3.2 需在原模型中新增的屬性及數(shù)據(jù)

對于模型中不存在但需新增的屬性以及數(shù)據(jù),對其進行屬性更新時主要目的為增加屬性,為實現(xiàn)在項目文件中對目標(biāo)模型進行非幾何屬性的更新,本文以族文件二次重寫導(dǎo)入為主要思路,進行實踐,其主要實現(xiàn)路徑如圖8所示。

圖8 新增非幾何屬性實現(xiàn)流程圖Fig.8 Flow chart for adding non-geometric attributes

在項目中選中需更新的模型實體,采用EditFamily方法將當(dāng)前模型實體載入族編輯環(huán)境,在族環(huán)境中采用FamilyManager.AddParameter創(chuàng)建屬性,采用FamilyManager.Set方法設(shè)置值,并使用FamilyManager.MakeInstance方法將屬性設(shè)置為實例參數(shù),最后使用LoadFamily方法,將完成更新的模型實體重新載入項目,即完成信息的更新。

3 BIM與有限元的雙向關(guān)聯(lián)

3.1 基于BIM模型的有限元分析

Revit模型與ABAQUS有限元分析模型之間可以基于ACIS內(nèi)核及關(guān)鍵構(gòu)件屬性提取并在ABAQUS中進行再生成的方式實現(xiàn)Revit模型向ABAQUS模型的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程主要分為實體單元轉(zhuǎn)換及簡單幾何轉(zhuǎn)換兩部分,具體過程如下。

(1)Revit與ABAQUS均為ACIS內(nèi)核,其共同支持讀取與保存*.sat文件格式的模型文件,可以實現(xiàn)模型中實體單元部分的轉(zhuǎn)換;

(2)ABAQUS中的桿單元等簡單幾何可通過對Revit二次開發(fā)提取所關(guān)注構(gòu)件的幾何屬性,在Abaqus中進行二次開發(fā)讀取所提取屬性,即可實現(xiàn)模型再生成。

3.2 有限元計算結(jié)果反饋至BIM環(huán)境

計算結(jié)果的輸出是有限元計算后處理的重要組成部分,在ABAQUS后處理模塊中內(nèi)置了多種數(shù)據(jù)可視化方案,如二維圖、三維云圖等。結(jié)合指導(dǎo)施工的目的,計算結(jié)果應(yīng)高效、直觀地展示給設(shè)計及施工人員,有限元軟件操作學(xué)習(xí)成本較高,與實際使用存在脫節(jié),因此提出基于Mesh重構(gòu)的有限元計算結(jié)果向BIM環(huán)境反饋方法,提高BIM模型的信息承載量。主要采用基于Python Script的ABAQUS二次開發(fā)技術(shù)以及Dynamo可視化建模中的MeshToolKit工具包技術(shù),反饋流程如圖9所示。

圖9 有限元計算結(jié)果反饋至BIM模型流程圖Fig.9 Flow chart of feedback of finite element calculation results to BIM model

ABAQUS全部計算結(jié)果存儲于*.odb格式的數(shù)據(jù)庫輸出文件中,開發(fā)流程如下:①使用openOdb命令打開相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)庫;②使用odb.roodAssembly.elements獲取單元集,并運用connectivity方法獲取關(guān)聯(lián)單元編號;③采用odb.roodAssembly.nodes屬性獲取節(jié)點集,并使用coordinate方法獲取節(jié)點坐標(biāo),依次進入step、frames、fieldOutputs,獲取節(jié)點計算結(jié)果;④最后將三者以單元編號進行匹配,整合至一個*.csv文件中,以待Dynamo程序讀取。

Dynamo程序運行流程如下:①讀取*.csv文件;②根據(jù)單元以及節(jié)點坐標(biāo)重構(gòu)Mesh模型;③將各單元的節(jié)點數(shù)據(jù)相加后取平均值,以代表單元數(shù)據(jù),并使用MapTo節(jié)點,將單元數(shù)據(jù)進行歸一化處理;④將歸一化后的單元數(shù)據(jù)與Color Range相結(jié)合,并將Color Range結(jié)果賦予相應(yīng)單元的Mesh三角形,既可實現(xiàn)云圖數(shù)據(jù)在BIM環(huán)境中的重構(gòu)。Mesh重構(gòu)核心代碼如圖10所示。

4 工程案例

4.1 工程背景

渝懷鐵路懷化西編組站位于湖南省懷化市西南側(cè),處于武陵山脈和雪峰山脈之間剝蝕、溶蝕丘陵地段,編組站起訖里程為GDK0+000～GDK4+200,線路總體方向約146°。懷化西編組站深路塹高邊坡地段,采用自上而下、逐級開挖、逐級支護的施工方法,采用坡面梁框架錨桿、分級設(shè)置寬平臺和抗滑樁、坡腳錨固樁等多種防護措施相結(jié)合的方案進行加固。其中,GDK1+475～GDK1+575段自然邊坡坡度約16°,坡面以粉質(zhì)黏土為主,厚度3～6 m,下臥砂巖和灰?guī)r,自上而下依次為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和弱風(fēng)化石灰?guī)r,巖層層面較平整,呈自然坡度向下傾斜,地下水位位于石灰?guī)r巖體中。高邊坡最大開挖深度95.4 m,分三級共九層開挖,三級高度分別為25、27.6、30 m,第一級開挖即將完成時,在坡腳處發(fā)現(xiàn)一處前期未勘出的干溶洞,其洞口約為直徑的圓形,洞身約20 m,如圖11所示?，F(xiàn)場采用M20水泥砂漿填筑方法進行處置,現(xiàn)進行處置前后穩(wěn)定性檢算,驗證其合理性。

圖11 一級開挖后溶洞情況Fig.11 Condition of karst cave after excavation of level 1

4.2 計算模型與參數(shù)

采用有限元強度折減法分析高邊坡穩(wěn)定性,包括地應(yīng)力平衡和強度折減,在地應(yīng)力平衡分析步施加重力,在強度折減分析步折減強度參數(shù)直至計算終止,即邊坡破壞。巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,邊界條件為約束模型的側(cè)向位移和底部的3個方向位移,網(wǎng)格采用C3D10M單元。以鉆探、現(xiàn)場原位測試及室內(nèi)土工試驗測試的成果為依據(jù),進行巖土層的劃分,并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗,確定各巖、土層的物理力學(xué)參數(shù)。高邊坡模型全部構(gòu)件及物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 各部分物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of each part

4.3 計算結(jié)果分析

邊坡一級開挖后,若不給溶洞做任何處置,邊坡安全系數(shù)為1.052,因溶洞洞口處穩(wěn)定性較差,易出現(xiàn)坍塌情況,如圖12(a)所示。設(shè)計采用M20水泥砂漿填筑溶洞,處置后,計算安全系數(shù)為1.964,穩(wěn)定性顯著提升,可能發(fā)生類土質(zhì)邊坡破壞,邊坡失穩(wěn)的主體結(jié)構(gòu)為表層粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化強風(fēng)化的砂巖,如圖12(b)所示。在溶洞處置后進一步采用框架錨桿進行支護,支護后的安全系數(shù)為1.988,最危險滑動面位于遠離路塹的陡傾坡面,而非路塹邊坡發(fā)生破壞,表明支護設(shè)施增強了邊坡穩(wěn)定性,如圖13所示。

圖12 不同處置方式的邊坡破壞形式Fig.12 Failure mode of slope with different disposal methods

圖13 支護后的邊坡潛在滑動面Fig.13 Potential slip surface of slope after support

4.4 計算結(jié)果向BIM環(huán)境的反饋

通過所開發(fā)的Python Script腳本提取出單元編號、關(guān)聯(lián)節(jié)點坐標(biāo)及節(jié)點數(shù)據(jù),匯總至一個*.csv文件中。使用Dynamo編程實現(xiàn)的Mesh解析與重構(gòu)程序讀取上述*.csv文件,并完成計算結(jié)果云圖反饋,如圖14所示。設(shè)計及施工人員在BIM環(huán)境中即可查看計算分析結(jié)果,降低了工程人員時間成本,并為其工作提供了理論支撐。

圖14 BIM環(huán)境中的計算結(jié)果云圖Fig.14 Computing result cloud image in the BIM environment

5 結(jié)論

提出基于BIM模型與數(shù)字孿生的高邊坡施工穩(wěn)定性檢算動態(tài)反饋方法,采用BIM模型快速進行高邊坡施工不同工況的有限元穩(wěn)定性檢算,并實現(xiàn)了BIM模型與施工現(xiàn)場情況及有限元檢算結(jié)果之間的互通,能夠為邊坡工程施工過程中突發(fā)不利工況的處置提供快速的理論分析結(jié)果,輔助現(xiàn)場施工決策。通過研究與案例應(yīng)用,得出以下結(jié)論。

(1)基于BIM模型的屬性更新,可以實現(xiàn)對工程現(xiàn)場各類情況的更新表達,且在模型更新后,發(fā)揮其“一模多用”特性,提供精細化模型支撐,快速完成邊坡穩(wěn)定性檢算,可提升有限元分析在施工期的應(yīng)用價值。

(2)通過Dynamo編程,驗證了Mesh重構(gòu)方法將有限元計算結(jié)果同步至BIM環(huán)境中進行表達的可行性,直接將有限元計算結(jié)果可視化呈現(xiàn)在BIM模型中,方便工程人員進行查看與分析,為BIM與有限元計算的融合提供了新的思路。未來可以基于此理論,在任何三維展示平臺中實現(xiàn)對有限元分析成果的共享。

(3)BIM技術(shù)具有強大的數(shù)據(jù)集成管理與模型可視化功能,充分發(fā)揮這兩項功能,將BIM模型應(yīng)于邊坡施工階段的理論檢算及工程管理,可進一步提升高邊坡施工過程信息化應(yīng)用水平,為工程項目效率、安全、質(zhì)量帶來幫助。