陳 靜 楊 凱 馬瑞鑫 戈廣雙 楊東遠(yuǎn)

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津 300456）

1 引言

建筑信息模型/管理（Building Information Modeling/Management，BIM）是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下，建立起建筑物實(shí)體的三維物理模型，并通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息［1～2］。

BIM技術(shù)的優(yōu)勢在于便于實(shí)現(xiàn)建筑物信息的展示、存儲和共享等數(shù)據(jù)交互功能，并且可以通過信息加工實(shí)現(xiàn)建筑物模型化和可視化，利于設(shè)計(jì)的合理性校驗(yàn)，以及項(xiàng)目的精細(xì)化管理。目前，我國建筑業(yè)信息化率僅為0.03%［3］，盡管經(jīng)過近幾年的發(fā)展，在BIM方面取得了一些研究和應(yīng)用成果，但基本還處于起步探索階段，尤其在港口水工建筑物方面的應(yīng)用維護(hù)中BIM技術(shù)的應(yīng)用案例更是少之又少。

本文作者以我國北方的某一大型港口的高樁碼頭作為研究對象，探討B(tài)IM技術(shù)在高樁碼頭監(jiān)測應(yīng)用的可行性及應(yīng)用價(jià)值，編寫了該碼頭建模規(guī)則，開發(fā)了BIM模型的接口并實(shí)現(xiàn)了模型與監(jiān)測信息系統(tǒng)的對接，完成了高樁碼頭監(jiān)測的合理性校驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、安全預(yù)警等功能，為BIM技術(shù)在港口碼頭監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域做出有效的探尋［11～12］。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 碼頭現(xiàn)狀

全國港口生產(chǎn)性泊位從建國初期的161個(gè)發(fā)展到2011年的31968個(gè)，增加了近198倍，其中沿海萬噸級及以上泊位從133個(gè)增至1762個(gè)［6］。當(dāng)前，這些碼頭多數(shù)技術(shù)狀況不容樂觀，很多碼頭是帶病工作。特別是改革開放三十年以來，新建泊位數(shù)量急劇增加，吞吐量和相關(guān)配套服務(wù)能力空前提升。但是，在投資大，工期緊、任務(wù)多的情況下遺留了很多問題。許多碼頭技術(shù)狀況不良，部分水工建筑物在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，就出現(xiàn)了耐久性嚴(yán)重退化的現(xiàn)象［4～5］。

2.2 高樁碼頭傳統(tǒng)的檢測技術(shù)

目前，對于碼頭結(jié)構(gòu)的檢測評估，主要采用經(jīng)驗(yàn)法，以傳統(tǒng)的CAD圖紙為依據(jù)，如通過目測巡視檢測混凝土的外觀是否損壞；通過全站儀和靜力水準(zhǔn)儀等測量儀器檢測結(jié)構(gòu)整體的不均勻沉降、水平位移和傾斜；對于高樁碼頭的相對位移、應(yīng)力應(yīng)變、振動和溫度等重要檢測指標(biāo)，則是通過現(xiàn)場傳感器的安裝，收集數(shù)據(jù)，建立管理系統(tǒng)，并結(jié)合相關(guān)的檢測指標(biāo)進(jìn)行對比，以此來判斷碼頭的健康狀況［7］。

現(xiàn)有的監(jiān)測檢測手段往往以數(shù)據(jù)為依據(jù)，不能將整個(gè)碼頭的安全運(yùn)行狀況直觀地展示出來，對于整體的運(yùn)維管理，有一定的制約性。運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)信息，可有效地實(shí)現(xiàn)與建筑物的信息交互，實(shí)時(shí)掌握碼頭結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，精確定位、排查安全隱患，對港口的安全運(yùn)營、科學(xué)發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

3 BIM在碼頭監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用及優(yōu)勢

3.1 高樁碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高樁碼頭的監(jiān)測特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在其對于精確性和容錯(cuò)性的需求，碼頭的振動幅度區(qū)別于橋梁和其他建筑物，結(jié)構(gòu)不易發(fā)生變形，產(chǎn)生的震動振幅小且頻率快，對于精度的需求很高；而當(dāng)碼頭面板上的設(shè)施及車輛發(fā)生運(yùn)動時(shí)，振幅會相對加大，部分傳感器安裝于水下，由于液體傳播頻率的影響，有時(shí)會出現(xiàn)非常規(guī)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要及時(shí)剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，以免形成錯(cuò)誤的報(bào)警信息。通過數(shù)據(jù)采集分析和實(shí)驗(yàn)研究，BIM建模以其高精度和容錯(cuò)性的設(shè)計(jì)需求，在這一點(diǎn)上完全滿足高樁碼頭振幅監(jiān)測的需要［8］。

使用Autodesk Revit建立了參數(shù)化的高樁碼頭原型，根據(jù)測繪、地質(zhì)、線路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員利用參數(shù)化的族庫，建立了高樁碼頭的面板及基樁的BIM模型。族庫包括：面板、橫梁、基樁、插樁、標(biāo)識等（圖1所示）［9］。

3.2 建立高樁碼頭BIM模型

對該高樁碼頭的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，運(yùn)用BIM技術(shù)的參數(shù)化智能構(gòu)建模型，通過直觀的三維系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)信息交互，并數(shù)字化，可視化地呈現(xiàn)整個(gè)高樁碼頭采集終端、線纜的序號以及安放位置，并根據(jù)需求模塊化的劃分功能區(qū)域，以提高管理效率。

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)選用的是SQL Sever系統(tǒng)，通過對其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)利用，建立了多級用戶的數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)了高樁碼頭BIM模型與其之間的數(shù)據(jù)存儲和交互。

1）建模規(guī)則

BIM模型精度描述了一個(gè)模型構(gòu)件單元從最低級的近似概念化的程度發(fā)展到最高級的演示級精度的步驟，需求不盡相同，其相應(yīng)側(cè)重的模型的精細(xì)度要求也就不同。

根據(jù)BIM模型對精細(xì)程度的定義標(biāo)準(zhǔn)LOD技術(shù)的要求（Levels of Detail），我們將該高樁碼頭的現(xiàn)場環(huán)境分為兩個(gè)等級，碼頭整體、設(shè)備終端、線纜等參照LOD 300標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)場周邊環(huán)境參照LOD 200標(biāo)準(zhǔn)。該高樁碼頭BIM模型的詳細(xì)信息如表1所示［10］。

2）編碼規(guī)則

建立BIM模型編碼規(guī)則，對高樁碼頭整體及設(shè)施設(shè)備進(jìn)行編碼，是對其模型進(jìn)行有效管理的基礎(chǔ)。通過對模型編碼，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)與BIM模型系統(tǒng)的結(jié)合，即可通過模型查看設(shè)備信息，也可通過查詢編號，快速定位該設(shè)備在模型中的位置。

高樁碼頭整體監(jiān)測系統(tǒng)由碼頭整體結(jié)構(gòu)以及檢測系統(tǒng)兩部分組成。碼頭整體系統(tǒng)包括：碼頭面板、橫梁、縱梁、基樁和叉樁五部分組成；監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場采集終端，包括：位移傳感器、振動傳感器、應(yīng)變傳感器和加速度傳感器四類傳感器和線纜，包括網(wǎng)線和光纖組成。根據(jù)檢測系統(tǒng)的組成，現(xiàn)將其整體分為兩類（如表2），具體的編碼規(guī)則如表3所示。

表1 高樁碼頭BIM建模規(guī)則

表2 高樁碼頭BIM模型層級劃分

表3 高樁碼頭BIM模型設(shè)備編碼規(guī)則

3.3 合理性沖突檢查

1）碼頭健康監(jiān)測指標(biāo)分析

碼頭的健康狀態(tài)是維持碼頭正常運(yùn)行的首要條件。健康監(jiān)測主要包括變形監(jiān)測和相互作用力監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)采集分析確定位移、應(yīng)力應(yīng)變、振動和溫度四個(gè)主要監(jiān)測指標(biāo)，以及碼頭結(jié)構(gòu)的外觀、設(shè)備設(shè)施等健康狀態(tài)的監(jiān)測，建立高樁碼頭的監(jiān)測規(guī)律曲線，分析高樁碼頭狀態(tài)的相對規(guī)律，為碼頭的維護(hù)與管理提供決策依據(jù)，必要時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，以保證碼頭結(jié)構(gòu)和作業(yè)人員的安全。

碼頭監(jiān)測數(shù)據(jù)分析采用融合算法，對若干個(gè)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，然后將檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分成兩組，對兩組數(shù)據(jù)的平均值采用分批估計(jì)算法。

設(shè)被測數(shù)據(jù)的真值為S0，則測量值可表示為

式中：S為數(shù)據(jù)測量值，N為測量噪聲。

設(shè)第一組一致性測量數(shù)據(jù)為

同時(shí)考慮第一、第二組的測量結(jié)果，測量方程式（1）可變成：

式中，N(1)、N(2)分別為1、的測量噪聲，即剩余誤差。此時(shí)，、為同一批的兩個(gè)測量數(shù)據(jù)，此前無任何有關(guān)數(shù)據(jù)測量的統(tǒng)計(jì)資料，也就是說此前測量數(shù)據(jù)的方差∞ ，則 ()-1=0。

基于算術(shù)平均值與分批估計(jì)相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合算法，導(dǎo)入BIM模型，測算出監(jiān)測的高樁碼頭結(jié)構(gòu)的虛擬數(shù)據(jù)（如圖2），將測試數(shù)據(jù)的上限S0（綠色線段）與S1（黑色線段）通過融合算法得出的模擬檢測數(shù)據(jù)Sa（黃色線段）與實(shí)測數(shù)據(jù)A（藍(lán)色線段）進(jìn)行對比，認(rèn)定其滿足高樁碼頭監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)需求。

2）監(jiān)測終端的合理性校驗(yàn)

傳統(tǒng)的作業(yè)方式中，需由設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場觀測，繪制二維平面圖紙。高樁碼頭現(xiàn)場條件復(fù)雜，平面很難直觀地反映出現(xiàn)場的情況，后期采集終端的位置調(diào)整也會造成巨大的成本追加。選取高樁碼頭橫縱梁與基樁為測試區(qū)域（如圖3），利用BIM技術(shù)可在采集終端點(diǎn)位設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理性校驗(yàn)（如圖4），對比分析數(shù)據(jù)，消除隱患，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少在施工階段可能存在的錯(cuò)誤損失和返工的可能性。

3.4 開放數(shù)據(jù)接口，提高運(yùn)維效率

開發(fā)高樁碼頭BIM模型的數(shù)據(jù)接口文件，使其與高樁碼頭實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺（如圖5），以實(shí)現(xiàn)高樁碼頭結(jié)構(gòu)信息化操作管理、港口碼頭檢測數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控預(yù)警等功能，進(jìn)一步體現(xiàn)了BIM技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

3.5 提高圖紙的精確度

通過BIM技術(shù)建設(shè)三維模型，可導(dǎo)出二維平面圖紙（圖6），并標(biāo)明傳感器安防的位置，其優(yōu)勢在于模型與圖紙的高度一致性，省去了圖紙的位置和校準(zhǔn)所浪費(fèi)的時(shí)間，確保了圖紙的準(zhǔn)確性，為后期的設(shè)備維修和更換提供了保障。

4 結(jié)語

本研究結(jié)合高樁碼頭監(jiān)測的特點(diǎn)及需求，基于BIM技術(shù)對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的研究，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測管理的智能化和信息化水平，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量以及監(jiān)測效率，安全預(yù)警功能的開發(fā)也為碼頭的正常運(yùn)營提供了技術(shù)保障。這一研究將有效提升高樁碼頭監(jiān)測水平，對于現(xiàn)有的水工建筑物監(jiān)測檢測技術(shù)探尋了方向，提供了新的思路。