余芳強(qiáng)

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續(xù)利用工程技術(shù)研究中心 上海 201103

1 工程概況

上海玉佛禪寺大雄寶殿平移頂升項(xiàng)目意義重大、影響范圍廣，安全保障是施工管理第一要務(wù)。為此，總承包單位聯(lián)合專業(yè)建筑物移位公司，攻克了面向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的BIM模型輕量化、監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動的施工過程模擬等難點(diǎn)問題，基于WebGL和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)自主開發(fā)了建筑移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺。

WebGL（Web Graphics Library）是一種支持開發(fā)人員在瀏覽器中進(jìn)行三維繪圖的開放協(xié)議，被Mozilla Firefox、Apple Safari等主流的瀏覽器支持[1]。Autodesk Forge是由Autodesk公司在WebGL基礎(chǔ)上開發(fā)的一組強(qiáng)大的Web服務(wù)API，可用于在網(wǎng)頁端渲染Autodesk Revit、3DS Max等軟件創(chuàng)建的BIM模型[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是應(yīng)用智能傳感器、無線通信等信息技術(shù)，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種智能監(jiān)測技術(shù)，其核心是智能傳感器和低功耗無線傳輸技術(shù)[3]。

移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺集成了BIM、平移頂升位移信息以及第三方安全監(jiān)測等信息，可在互聯(lián)網(wǎng)平臺上應(yīng)用三維可視化模型直觀地展示施工工況以及安全信息，方便各級管理人員通過網(wǎng)頁、手機(jī)端微信等方式監(jiān)管施工過程，達(dá)到了保障平移頂升安全、有序進(jìn)行的目的。

2 平臺系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

調(diào)研表明，移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺的功能需求包括以下6個方面：支持用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器或手機(jī)端微信查看玉佛寺大雄寶殿BIM模型，提供高真實(shí)感的體驗(yàn)；將現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)實(shí)時上傳云端服務(wù)器，并與BIM模型融合和集成存儲；基于實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動BIM模型，實(shí)現(xiàn)四維的施工工況模擬；根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)分析與智能預(yù)警；支持回溯和查看歷史工況和監(jiān)測數(shù)據(jù)；所有監(jiān)測數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)頁端或微信端查看。

結(jié)合平臺功能需求和現(xiàn)場實(shí)際情況，本研究設(shè)計了移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺的系統(tǒng)架構(gòu)（圖1），包括基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端和后臺管理端兩部分。

1）現(xiàn)場信息采集端主要負(fù)責(zé)采集實(shí)時數(shù)據(jù)和通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云端數(shù)據(jù)庫，包括平移頂升位移傳感器、油缸壓力傳感器、第三方變形傳感器以及4G通信模塊等硬件模塊。采集設(shè)備具有持續(xù)工作、遠(yuǎn)程實(shí)時傳輸、穩(wěn)定性高、低功耗等特點(diǎn)。

2）平臺后臺管理端主要實(shí)現(xiàn)BIM與監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成、動態(tài)分析與模擬，施工管理等功能，包括模型數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、WebGL服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及微信端、網(wǎng)頁端等客戶端模塊。

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

本課題首先解決了基于物聯(lián)網(wǎng)的施工過程數(shù)據(jù)實(shí)時采集、面向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的BIM模型輕量化、基于WebGL的高真實(shí)感模型渲染以及監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動的4D模擬等難點(diǎn)問題。

圖1 建筑移位智能監(jiān)控平臺系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的施工過程數(shù)據(jù)實(shí)時采集技術(shù)

為掌握平移頂升過程中大雄寶殿主體木結(jié)構(gòu)的實(shí)時變形情況以及佛像等文物的傾斜情況，本項(xiàng)目采用最先進(jìn)的智能傳感器對主要結(jié)構(gòu)和文物進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，傳感器布置如下：

1）在平移頂升設(shè)備上布置行程傳感器，監(jiān)測平移頂升實(shí)際位移。

2）在托換承臺上布置激光測距傳感器，測量建筑平移、頂升的完成距離。

3）在平移、頂升千斤頂油泵部位布置壓力傳感器，監(jiān)測千斤頂實(shí)時壓力。

4）在托換梁上布置加速度傳感器，監(jiān)測建筑平移、頂升的實(shí)時速度。

5）在佛像佛臺、部分木結(jié)構(gòu)柱處布置傾斜傳感器，監(jiān)測相應(yīng)構(gòu)件的傾斜程度。

6）在佛像和支撐部件之間布置激光測距儀器，測量佛像傾斜距離。

多組傳感器在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，最重要的是數(shù)據(jù)格式、傳輸延遲、精度和頻率等方面的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[4]。因此，在實(shí)際使用傳感器數(shù)據(jù)前需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的優(yōu)化。優(yōu)化的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、插值計算、降噪濾波、統(tǒng)一頻率、編程自動化。采用的數(shù)據(jù)格式包括絕對時間、實(shí)際檢測值、數(shù)據(jù)通道ID等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 面向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的BIM模型輕量化技術(shù)

為快速建立玉佛寺大雄寶殿及內(nèi)部佛像的精確三維模型，本研究采用三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、BIM建模等多種方式建立三維模型。由于古建筑外形奇特，裝飾物復(fù)雜，佛像精致，建立的三維模型體量大、構(gòu)件多，面向網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用存在傳輸量大、渲染時間長、體驗(yàn)差等問題，需要進(jìn)行簡化處理[5]。

本研究綜合應(yīng)用點(diǎn)云降噪、逆向建模、構(gòu)件合并和復(fù)雜構(gòu)件減面等方法處理碎片化點(diǎn)云模型，減少構(gòu)件個數(shù)和面數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本研究還研發(fā)了使用組合物理貼圖替代復(fù)雜曲面模型的技術(shù)，在保證模型視覺效果的同時減少了模型細(xì)節(jié)，從而減輕模型體量，可實(shí)現(xiàn)在個人電腦和移動端的網(wǎng)絡(luò)平臺中順暢瀏覽三維模型的目標(biāo)，滿足施工管理需求。

3.3 基于WebGL的高真實(shí)感模型渲染技術(shù)

建筑移位智能監(jiān)控平臺采用Autodesk Forge進(jìn)行BIM模型渲染，并基于WebGL自主研發(fā)了基于紋理貼圖的高真實(shí)感模型渲染技術(shù)。為確保數(shù)據(jù)驅(qū)動模型更新、變化等功能的實(shí)現(xiàn)，在建模階段需要賦予每個獨(dú)立構(gòu)件一個唯一的識別編碼（ID編碼），用以快速定位、查詢相應(yīng)構(gòu)件。采用ID編碼匹配模型中的構(gòu)件與BIM數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)，支持模型與數(shù)據(jù)的交互。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動的四維施工模擬技術(shù)

在實(shí)時進(jìn)度顯示模式下，打開網(wǎng)頁時向服務(wù)器請求最新平移位移值或頂升高度值，對大雄寶殿模型進(jìn)行平移變換，平移的向量值即為實(shí)時獲取的平移位移值或頂升高度值。每2 min自動刷新一次進(jìn)度情況，修正相應(yīng)模型位置。

在歷史進(jìn)度顯示模式下，用戶可手動滑動進(jìn)度條，查看任意時刻的進(jìn)度。在此模式下，客戶端會從服務(wù)端數(shù)據(jù)庫下載進(jìn)度距離和時間的關(guān)系表，根據(jù)用戶所點(diǎn)選的進(jìn)度顯示當(dāng)時的進(jìn)度情況，并根據(jù)所選時間顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 平臺功能簡介

在以上關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，本研究采用Python語言開發(fā)后臺服務(wù)端，采用HTML5和JavaScript撰寫前端網(wǎng)頁，采用阿里云服務(wù)器部署系統(tǒng)，采用阿里云上分布式MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，完成了基于物聯(lián)網(wǎng)和WebGL技術(shù)的移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺，具體功能如下。

4.1 高真實(shí)感BIM模型查看

用戶通過瀏覽器、微信等客戶端可查看帶紋理貼圖和光照等具有真實(shí)感效果的三維模型，體驗(yàn)實(shí)際施工場景，支持通過視角變換、漫游等方式從不同角度查看大雄寶殿（圖2），用戶可以查看外部結(jié)構(gòu)或內(nèi)部佛像的測點(diǎn)位置和數(shù)據(jù)，更直觀地了解工程情況。

圖2 不同視角查看高真實(shí)感BIM模型

4.2 實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)查看

可通過網(wǎng)頁端或微信端選擇查看各個測點(diǎn)的當(dāng)前數(shù)據(jù)，通過曲線圖展現(xiàn)數(shù)據(jù)變化趨勢。通過絕對時間的同步，方便查看同一施工狀態(tài)下，進(jìn)度、油缸壓力、各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，方便綜合分析施工現(xiàn)場的安全狀況（圖3）。

圖3 平移位移進(jìn)度與頂推油缸壓力變化趨勢

4.3 4D施工進(jìn)度模擬

根據(jù)實(shí)時獲取的施工進(jìn)度信息，驅(qū)動模型坐標(biāo)變換，展示四維的施工進(jìn)度情況，與項(xiàng)目現(xiàn)場平移、頂升進(jìn)度保持一致。用戶可在平臺隨意選擇某個歷史時間點(diǎn)，結(jié)合模型查詢歷史數(shù)據(jù)和施工進(jìn)度（圖4）。利用存儲在云端數(shù)據(jù)庫的工程進(jìn)度、監(jiān)測數(shù)據(jù)，為事中監(jiān)控和事后分析提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 4D施工進(jìn)度展現(xiàn)

4.4 綜合分析與預(yù)警

平臺會自動根據(jù)各個監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值與預(yù)先設(shè)置的預(yù)警值進(jìn)行對比分析，實(shí)測值超出正常范圍時將生成報警消息，根據(jù)預(yù)警等級推送給相關(guān)負(fù)責(zé)人。平臺則在BIM模型中測點(diǎn)所處位置通過閃爍等方式進(jìn)行預(yù)警。在測點(diǎn)數(shù)據(jù)查看頁面，通過綠色、黃色和紅色標(biāo)出各測點(diǎn)的不同等級預(yù)警范圍（圖5），清晰展示預(yù)警情況。另外，當(dāng)數(shù)據(jù)接收失敗或數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時，平臺會向系統(tǒng)管理員報警，提醒其進(jìn)行系統(tǒng)檢查。譬如當(dāng)平移進(jìn)度出現(xiàn)回退，或油缸壓力出現(xiàn)負(fù)值時，會自動提醒管理員。

根據(jù)活動的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可進(jìn)行有效工作時間分析、工效分析、油缸壓力變化分析、平移加速度與變形關(guān)系分析等離線分析工作。其中，有效工作時間可根據(jù)油缸壓力為正值的時間或者平移或頂升速度不為零的時間統(tǒng)計得出，根據(jù)有效工作時間和總工作時間對比可分析工作效率。將平移加速度時間曲線與佛像傾斜變形時間曲線重疊，分析后發(fā)現(xiàn)隨著加速度變大，佛像傾斜角度變大，但總體在控制范圍內(nèi)。

圖5 綜合分析與預(yù)警

5 工程應(yīng)用驗(yàn)證

本研究開發(fā)的移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺在玉佛寺大雄寶殿平移、頂升施工全過程中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，取得了較好的效果。在平移頂升施工的22 d，使用該平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的用戶人數(shù)超過5 000人次，達(dá)到了對重點(diǎn)工序?qū)嵤┍O(jiān)管的目的，展現(xiàn)了承建單位的數(shù)字化、精益化建造水平，保障了施工安全。

6 結(jié)語

本文介紹了針對上海玉佛禪寺大雄寶殿平移、頂升過程開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，通過關(guān)鍵技術(shù)研究、平臺開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

1）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對平移、頂升過程的施工進(jìn)度、重要設(shè)備狀態(tài)以及安全監(jiān)測信息的實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)集成。

2）基于WebGL技術(shù)，通過BIM模型輕量化處理，可以在網(wǎng)頁端、微信端等方便地查看復(fù)雜古建筑的高真實(shí)感三維模型。

3）移位遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺可實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動BIM模型，展現(xiàn)4D施工狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)和佛像變形情況，方便管理人員直觀形象地了解施工狀況，保障施工安全。