吳賢國， 王 雷， 陳虹宇， 張立茂， 張凱南

(1. 華中科技大學土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074； 2. 新加坡南洋理工大學土木工程與環(huán)境學院， 新加坡 639798)

0 引言

地鐵結(jié)構(gòu)龐大，體系復雜，風險因素多，在運營階段對地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究中，受到技術(shù)條件的限制，對地鐵隧道關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)進行較長時間實時監(jiān)測的研究并不多見。在20世紀，有研究者提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于監(jiān)測、收集和分析數(shù)據(jù)[1-2]。2000年，國外一些國家將此種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法大量應(yīng)用在了隧道工程中[3-4]。2001年，韓國等國家在地鐵隧道施工階段安裝了多種基于靜力和動力分析的傳感系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測系統(tǒng)[5]。

目前，國內(nèi)也逐漸將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)用于地鐵安全監(jiān)測之中。2004年，我國有研究者提出了在城市地鐵建設(shè)過程中建立安全監(jiān)測系統(tǒng)的必要性[6]。同年，南京地鐵1號線下穿公路隧道區(qū)域安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)。劉濤等[7]基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究得出了一些成果，自主研究設(shè)計了針對地鐵建設(shè)的遠程安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用到實踐中。吳智深等[8]在監(jiān)測技術(shù)中應(yīng)用了光纖傳感技術(shù)，并將其成功應(yīng)用在隧道工程中。另外，龔文等[9]研究了隧道下穿既有運營隧道自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)；李秋明等[10]研究了基于GIS的運營隧道監(jiān)測預警系統(tǒng)；鄧顯威[11]研究了自動監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵運營隧道中的應(yīng)用；其他學者也進行了相關(guān)研究和探討[12-15]。BIM技術(shù)通過定義隧道模型參數(shù)可視化評估結(jié)果，提高了運營隧道風險預警決策的準確性。高建新等[16]等基于IFC標準和參數(shù)化的隧道監(jiān)測信息構(gòu)建模型；胡珉等[17]研究了基于BIM的隧道環(huán)境監(jiān)測信息的可視化與智能決策；劉訓房[18]研究了基于BIM和WEB的隧道動態(tài)施工監(jiān)測信息系統(tǒng)；李福健[19]研究了基于BIM和GIS的隧道圍巖量測自動化監(jiān)測系統(tǒng)。現(xiàn)有地鐵結(jié)構(gòu)運營的日常檢測和安全預警，很大程度上依賴人工通過排摸不良區(qū)段來完成，雖然也采用了一些先進的傳感設(shè)備，但是還需要由人工定期操作儀器設(shè)備完成檢測，存在費用高、周期長、誤差大等問題。在傳統(tǒng)長周期靜態(tài)的測量數(shù)據(jù)中，結(jié)構(gòu)變形、裂縫、滲漏水等病害的細微變化規(guī)律很難被發(fā)現(xiàn)，導致許多反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化規(guī)律的動態(tài)信息丟失，從而影響地鐵結(jié)構(gòu)安全分析預警的時效性和準確性。

本文以武漢市軌道交通3號線的跨江段隧道作為監(jiān)測對象，對運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案進行設(shè)計；通過布置在運營隧道的傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和傳輸，分析傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理與功能演示；將地鐵隧道模型數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道環(huán)境數(shù)據(jù)整合到BIM模型中，搭建三維監(jiān)測可視化界面，實時監(jiān)測運營隧道的健康狀態(tài)，幫助地鐵運營管理人員進行運營健康狀態(tài)評估以及安全風險預警決策。

1 運營地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案設(shè)計

1.1 項目概況

武漢市軌道交通3號線工程在2012年3月31日開始建設(shè)，該地鐵線全程為地下線，共擁有24座常規(guī)車站，采用明挖施工和蓋挖法施工。該區(qū)段存在一定程度的滲漏水風險和襯砌背后空洞現(xiàn)象。本文對里程DK0+000～DK28+000進行監(jiān)測，全線長28.0 km，其中DK9+600～+920穿越漢江。本監(jiān)測項目搭建了軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與管養(yǎng)系統(tǒng)，將地鐵隧道BIM模型數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道環(huán)境數(shù)據(jù)整合到BIM模型中，并搭建基于BIM技術(shù)的三維監(jiān)測可視化界面。通過BIM技術(shù)，可將運營隧道健康監(jiān)測模式網(wǎng)絡(luò)化、隧道模型參數(shù)化、隧道健康評估結(jié)果可視化、地鐵隧道設(shè)備管理信息化、應(yīng)急處理措施規(guī)范化、危險病害管控即時化，實時監(jiān)測運營隧道的健康狀態(tài)。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)運營地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測總體架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集與傳輸層、數(shù)據(jù)處理與分析層、數(shù)據(jù)儲存層和用戶交互層為核心層次，依據(jù)無線傳輸和物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學和巖土力學等力學方法、信號處理分析算法和BIM模型搭建技術(shù)手段，形成最終運營隧道的健康評估體系，其可保證系統(tǒng)實時持續(xù)、全自動，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、評估結(jié)果與隧道BIM模型協(xié)同可視化。

數(shù)據(jù)采集層監(jiān)測數(shù)據(jù)主要為傳感器網(wǎng)絡(luò)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)以及人工巡檢的檢測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸層通過局域網(wǎng)與小型數(shù)據(jù)庫將傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)的處理與分析層對采集層中不同類型、體量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)挖掘的需求。數(shù)據(jù)分析的目的是實現(xiàn)運營地鐵結(jié)構(gòu)健康的全自動、實時監(jiān)測評估，具體通過不同的算法實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的儲存層為運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，由采集與傳輸層數(shù)據(jù)整合重構(gòu)而來，是面向數(shù)據(jù)處理與分析層分析評估的監(jiān)測數(shù)據(jù)集合。用戶交互層用于處理獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過BIM輸出界面可以實現(xiàn)評估結(jié)果與隧道BIM模型協(xié)同可視化。運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)在運營地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用成功取代了傳統(tǒng)的一般人工監(jiān)測方法。此系統(tǒng)使監(jiān)測過程更加現(xiàn)代化、自動化、監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精確、結(jié)果反饋更加準確。本項目采用的監(jiān)測儀器有： 遠程自動全站儀、加速度傳感器、傾角傳感器、三維激光掃描儀、滲漏水紅外線監(jiān)測儀。全站儀棱鏡對稱分布在拱頂、拱腰和拱腳處，監(jiān)測里程為300 m；傾角傳感器安裝在隧道內(nèi)襯砌圓環(huán)的管片上，每個斷面設(shè)置4個測點；加速度傳感器放置于隧道側(cè)壁上的中線位置；三維激光掃描儀和滲漏水紅外線監(jiān)測儀均需要1臺，置于隧道導軌中間，隨監(jiān)測區(qū)間的移動而移動。其中，傾角傳感器和自動全站儀可以直接導出監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于表征地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)；而三維激光掃描儀、滲漏水紅外線監(jiān)測儀、加速度傳感器監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)不能直觀地表達地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，需要結(jié)合該段地鐵結(jié)構(gòu)的自振響應(yīng)規(guī)律，通過模態(tài)識別判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了損傷。本文方案所應(yīng)用的監(jiān)測頻率如表1所示，并視變形穩(wěn)定情況作動態(tài)調(diào)整。

圖1 運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

表1 監(jiān)測頻率

1.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

1)全站儀沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。全站儀根據(jù)監(jiān)測基準點建立相對坐標系，儀器自身采用極坐標系實時采集各棱鏡測點的相對坐標變化，分析斷面沉降收斂，故在沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中需考慮坐標變換。在全站儀到中心服務(wù)器之間設(shè)置1臺小型服務(wù)器，里面預裝GeoCOM軟件，對采集的棱鏡相對坐標監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析變換，之后將統(tǒng)一格式的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心服務(wù)器，形成整套的傳輸過程。

2)傾角傳感器。相較于全站儀，傾角傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)形式簡單，但傳輸監(jiān)測量比全站儀大，故選取具備相當存儲量的自動化采集器采集傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通訊電纜傳輸?shù)紻TU無線模塊，最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心服務(wù)器。

3)加速度傳感器。相較于全站儀與傾角傳感器來說，加速度傳感器監(jiān)測頻率與數(shù)據(jù)量龐大，但每個加速度傳感器具有有限的計算能力與較小的存儲空間，故采用壓縮感知的方式，利用自動化采集器對加速度監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)接芯€連接的預處理服務(wù)器中編碼測量，將加速度測量數(shù)據(jù)通過通訊電纜傳輸?shù)紻TU無線模塊，最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器。

4)三維激光掃描儀。使用徠卡SiTrack: One激光掃描儀進行地鐵三維全景監(jiān)測，步驟為： 掃描起止點及基準點的靶球安置—起止點及基準點靶球點位坐標的測量—掃描監(jiān)測—點云數(shù)據(jù)配準。

5)滲漏水自動監(jiān)測紅外熱成像儀。為實現(xiàn)滲漏水的自動檢測，并確定滲漏水的實際滲漏面積，采用紅外熱像法實時在線監(jiān)測實現(xiàn)滲漏水的及時預警。滲漏水的數(shù)字圖像處理算法是本項目的核心問題，基于對比度的數(shù)字圖像處理流程為： 原始圖像—圖像切割—灰度變換—閾值分割—圖像濾波降噪—邊緣檢測—形狀上下文算法。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析層演示

1.2.3.1 全站儀沉降監(jiān)測及分析

全站儀監(jiān)測量包括按里程分段的單傳感器監(jiān)測量和總時段監(jiān)測累計量。通過將隧道里程與BIM管片模型協(xié)同，利用管片BIM模型可視化畫面反映后續(xù)監(jiān)測量，繪制出全站儀監(jiān)測沉降量曲線，結(jié)果如圖2和圖3所示。

對圖2中監(jiān)測區(qū)間15個斷面的累積沉降進行分析，發(fā)現(xiàn)累積沉降均在規(guī)范允許范圍(30 mm)內(nèi)，累積沉降指標正常。對沉降監(jiān)測量為負值的特殊區(qū)段(里程K11+272～+372)進行分析可知，沉降監(jiān)測量為負值是受到地下水浮力影響造成的，最大上浮值達1.439 mm，產(chǎn)生不均勻沉降，沉降差為2.4 mm，滿足規(guī)范中不均勻沉降量小于8 mm的要求。對圖3中折線圖間斷部分進行分析可知，間斷部分為全站儀斷電故障引起的。里程K11+192斷面和里程K11+432斷面的沉降變形為監(jiān)測區(qū)間最為明顯的斷面，其余斷面沉降變形曲線類似，僅數(shù)值大小略有差異。里程K11+432之后的監(jiān)測斷面因其處于臨近漢江河床位置，沉降相對較大。總體來說，本監(jiān)測項目在目前服役時間段內(nèi)沉降變形均處于規(guī)范允許范圍內(nèi)，沉降變形發(fā)展速率也在規(guī)范允許范圍(10 mm/年)內(nèi)。

圖2 軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與管養(yǎng)系統(tǒng)中某監(jiān)測斷面沉降數(shù)據(jù)

圖3 軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與管養(yǎng)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)不同時間的沉降數(shù)據(jù)

1.2.3.2 傾角傳感器監(jiān)測及分析

傾角傳感器通過對每個基準點測量相對坐標得到測點的傾角變化。本監(jiān)測項目1個斷面中共設(shè)置4個測點，監(jiān)測起始點里程為K11+157，起點向后100 m設(shè)置第1個斷面，后續(xù)測點斷面以管片厚度為軸向間距，監(jiān)測區(qū)段共16個測點斷面。傾角傳感器對運營隧道監(jiān)測的坐標系測量原則為： 隧道中心軸線方向為y方向，豎直向下方向為z方向，水平徑向為x方向，傾角量為管片沿x軸和y軸轉(zhuǎn)動的監(jiān)測值。隧道管片的傾角量和沉降監(jiān)測量在變化趨勢上有相關(guān)性，繞x軸轉(zhuǎn)動的傾角值與隧道的不均勻沉降有關(guān)，繞y軸轉(zhuǎn)動的傾角值與隧道管片的收斂變形有關(guān)。截至2019年4月10日，各斷面沿x軸和y軸轉(zhuǎn)動的傾角變化情況如圖4所示。

由圖4可知，監(jiān)測區(qū)段各里程斷面繞x軸的累積傾角監(jiān)測值較大，對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)影響大；繞y軸的累積傾角監(jiān)測值較小，對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)影響小，故沉降變形值為主要控制因素。監(jiān)測區(qū)段各里程斷面繞x軸的累積傾角最大值為0.012°，位于斷面9處；繞y軸累積傾角最大值為0.013°，位于斷面5處?；趦A角極值可以判斷不均勻沉降或襯砌管片收斂變形較大的斷面。通過上述沉降變形監(jiān)測量分析可知，不均勻沉降差、沉降發(fā)展速率滿足規(guī)范要求的控制值。

傾角監(jiān)測量演示中展示了最后時段每個里程累積的傾角變化，同時展示了每個監(jiān)測斷面在整個監(jiān)測時段中的傾角變化趨勢，如圖5所示。

圖4 監(jiān)測區(qū)段各斷面繞x和y軸轉(zhuǎn)動的傾角變化情況

Fig. 4 Variation of inclination angle of each cross-section rotating aroundxandyaxis

1.2.3.3 加速度傳感器監(jiān)測及分析

相對于沉降與傾角監(jiān)測量，加速度傳感器監(jiān)測響應(yīng)數(shù)據(jù)不具備損傷識別的直觀性，需通過小波包能量譜的健康預警方法來進行損傷分析。對能量譜進行重新排列，忽略頻譜較小的分量，將頻譜較大的分量作為健康預警參數(shù)。本文定義2個預警參數(shù)： 能量譜變化偏差ED和能量譜方差EV。依據(jù)得到的能量譜變化偏差ED和能量譜方差EV，選取98%置信概率的預警參數(shù)UL，以此作為最終運營隧道健康監(jiān)測預警閾值：

式中：m為損傷特征頻帶數(shù)；μED和σED分別為預警參數(shù)ED的均值和方差；μEV和σEV分別為預警參數(shù)EV的均值和方差。

依據(jù)小波包能量譜得到的預警參數(shù)的均值和方差，當結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)改變，預警參數(shù)顯著提高，通過計算98%置信概率的預警參數(shù)UL可以得到結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測值。由于能量公式特性，將2個指標的UL與健康狀況下求得的預警閾值對比，可以評估運營隧道的健康狀態(tài)。預警指標ULED與ULEV的預警閾值分別為10.7和16.6，如圖6所示。由圖6可知，隧道處于健康狀態(tài)。

圖5 軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與管養(yǎng)系統(tǒng)中不同時間監(jiān)測斷面的傾角變化

Fig. 5 Inclination angle of each cross-section at different times in underground structure safety monitoring and maintenance system of rail transit

1.2.3.4 三維激光掃描儀監(jiān)測及分析

通過外業(yè)掃描得到地鐵隧道點云數(shù)據(jù)，在進行分析前需要對其進行配準與歸并，即將之前使用全站儀測得的布置在起點、終點以及CP-III控制點的靶球坐標分別附著在掃描得到的靶球點云上，進行坐標的配準與歸并，使測得的所有點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的監(jiān)測基準坐標系中。配準歸并后的點云數(shù)據(jù)及軌道交通地下結(jié)構(gòu)變形計算如圖7所示。

圖8示出監(jiān)測區(qū)間內(nèi)各斷面的最大變形值。由圖8可以看出，監(jiān)測里程內(nèi)各環(huán)管片的直徑變化值基本為20～50 mm，其中，里程1 095 m處的管片直徑變化值最大，達到71.89 mm。

1.2.3.5 滲漏水自動監(jiān)測紅外熱成像儀監(jiān)測及分析

滲漏水自動監(jiān)測紅外熱成像儀監(jiān)測界面如圖9所示。選擇監(jiān)測時間和監(jiān)測斷面，可查看對應(yīng)時間、地點的滲漏水圖像處理，包括滲漏水實景影像、滲漏水紅外影像、滲漏水分割區(qū)域和滲漏水輪廓，直觀地了解實際滲水面積。對隧道進行紅外熱像探測，依據(jù)紅外熱像的視圖分析，判斷出隧道的滲漏水嚴重程度。在王宗區(qū)間跨江段內(nèi)，受到江水的影響，出現(xiàn)了多處滲漏水，每處滲漏水皆為大面積滲漏，滲漏比較嚴重，為滲漏水多發(fā)區(qū)域。

圖6預警指標ULED與ULEV的監(jiān)測值和預警值

Fig. 6 Monitoring and warning values of warning indicators ULEDand ULEV

圖7 配準歸并后的點云數(shù)據(jù)及軌道交通地下結(jié)構(gòu)變形計算

圖8 監(jiān)測區(qū)間內(nèi)各斷面的最大變形值

圖9 滲漏水自動監(jiān)測紅外熱成像儀監(jiān)測界面

2 基于BIM技術(shù)的健康監(jiān)測可視化

本監(jiān)測項目搭建的軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與管養(yǎng)系統(tǒng)，可將地鐵隧道BIM模型數(shù)據(jù)、信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和隧道環(huán)境數(shù)據(jù)整合到BIM模型中，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建基于BIM 技術(shù)的三維監(jiān)測可視化界面。

2.1 BIM核心數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

監(jiān)測數(shù)據(jù)用于BIM數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，BIM數(shù)據(jù)庫主要包含數(shù)據(jù)采集與傳輸層、數(shù)據(jù)處理與分析層和數(shù)據(jù)儲存層。在實時監(jiān)測功能演示中，需將監(jiān)測數(shù)據(jù)與評估結(jié)果反映到BIM三維模型中進行可視化預警展示，通過用戶交互層實現(xiàn)。目前，基于BIM技術(shù)的運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要有4大功能： 1)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計展示； 2)設(shè)備運維自診斷模塊； 3)監(jiān)測數(shù)據(jù)評估結(jié)構(gòu)可視化； 4)多事故聯(lián)動下評估分析預警。

監(jiān)測可視化的基礎(chǔ)即隧道的建筑模型，包含隧道結(jié)構(gòu)軸線定位、細部構(gòu)造以及傳感器的定位。除此之外，設(shè)備運維與管線安裝管理的模型與參數(shù)信息也應(yīng)用于BIM模塊中，具體參數(shù)信息如表2所示。

表2 BIM模塊參數(shù)信息

Table 2 Parameter classification and parameter information of BIM module

BIM參數(shù)核心內(nèi)容隧道參數(shù) 隧道的建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、尺寸、內(nèi)部細節(jié)、監(jiān)測傳感器的具體位置、安全進出口、周圍環(huán)境等位置參數(shù) 隧道監(jiān)測傳感器、各類電氣管線、大型設(shè)備的起止點、接入口、監(jiān)測控制范圍與設(shè)備運行范圍等產(chǎn)品參數(shù) 隧道監(jiān)測設(shè)備、運行設(shè)備與使用管線的型材編號、尺寸、構(gòu)造、廠家、維修年限等功能參數(shù) 隧道功能監(jiān)測設(shè)備儀器、運行設(shè)備、使用管線正常運行狀態(tài)的安全系數(shù);監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備的功能和安全性能等管理參數(shù) 隧道功能監(jiān)測設(shè)備儀器、運行設(shè)備、使用管線的單位、維修人員、維修日期;安全預警模擬方案

2.2 基于BIM技術(shù)的三維模型集成與監(jiān)測預警

基于BIM技術(shù)的三維模型集成與監(jiān)測預警包含前面數(shù)據(jù)的采集傳輸與處理分析，通過BIM數(shù)據(jù)庫中模型反映。

2.2.1 三維可視化監(jiān)測的功能展示

基于WEB的javascript語言對軌道交通地下結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測與管養(yǎng)系統(tǒng)進行編寫，設(shè)定導入接口，將數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM三維模型整合，技術(shù)實現(xiàn)如圖10所示。

圖10 BIM技術(shù)三維模型可視化技術(shù)實現(xiàn)

采用BIM建模軟件導出具有IFC標準的*.FBX格式模型，將程序進行封裝得到*.obj格式的對象，通過實例化Three,js類庫建立渲染三維模型必需的場景、視圖以及渲染器，通過Three,js中的OBJLoader方法將封裝好的obj格式的模型體導入已創(chuàng)建的渲染器對象中。為了實現(xiàn)自由更換視圖進行三維漫游顯示，將OrbitControls方法體(其具有漫游控制功能)添加到視圖對象中，最后利用瀏覽器三維渲染場景，完成BIM模型在JavaScript中的導入。三維可視化監(jiān)測技術(shù)路線為：

1)對運營地鐵隧道的空間結(jié)構(gòu)與特征進行分析，從二維平面與三維空間結(jié)構(gòu)可視化分解隧道結(jié)構(gòu)的組成要素，建立隧道結(jié)構(gòu)二維、三維模型。

2)模型建立過程中，考慮到不同傳感器采用不同的基準點與坐標系，從中提取到隧道結(jié)構(gòu)模型的坐標、里程參數(shù)，方便于設(shè)備信息、結(jié)構(gòu)信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)化以及軸線定位。

3)依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、監(jiān)測儀器、運行設(shè)備、管線軸線定位形成整體，依據(jù)步驟2)將病害反映到結(jié)構(gòu)與運行設(shè)備中，采用預警系統(tǒng)實現(xiàn)可視化監(jiān)測?；贐IM的三維可視化如圖11所示。

(a) 三維整體模型

(b) 三維建模圖

在BIM可視化展示模塊中，用戶選擇相應(yīng)斷面里程后，系統(tǒng)將自動識別并將相應(yīng)的斷面與傳感器位置展示在系統(tǒng)面板上，用戶只需在BIM模型中點擊相應(yīng)的傳感器即可得到相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)處理與分析模塊中，用戶可以實時看到隧道在沉降變形、傾角與加速度3個評價指標下的健康狀態(tài)，并可通過繪制曲線與報表將結(jié)果導出。

2.2.2 基于DYNAMO運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預警可視化

基于BIM技術(shù)的運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可視化不僅包含監(jiān)控量測與評估結(jié)構(gòu)、模型協(xié)同下報表、圖形的展示，也包含監(jiān)測量與預警閾值的關(guān)系在BIM模型上的直接映射。預警閾值由1.2節(jié)計算得到的預警參數(shù)UL確定，通過不同預警可視化顏色在單管片上的映射實時了解隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。為更直觀地反映隧道實時預警可視化界面，將預警等級分為5級，并按相應(yīng)預警閾值設(shè)置，RGB為顏色標準值，如表3所示。針對實際應(yīng)用中存在的多指標問題，分別基于各單項指標劃分預警區(qū)間，采用加權(quán)的方式將各項指標進行融合，得到總體預警區(qū)間，權(quán)重視具體實際問題而定。

根據(jù)監(jiān)測量賦予相應(yīng)管片材質(zhì)參數(shù)，材質(zhì)參數(shù)對應(yīng)為預警等級，預警可視化顏色與RGB值對應(yīng)，通過以上映射關(guān)系可得到預警可視化界面的BIM隧道模型。

2.2.3 讀取基于BIM三維可視化的5級預警文件數(shù)據(jù)集

基于DYNAMO參數(shù)化預警可視化，首先需讀取如表3所示的數(shù)據(jù)集，基于預警等級與材料參數(shù)映射，讀取各列預警可視化參數(shù)。預警等級數(shù)據(jù)集讀取流程如圖12所示。

2.2.4 將讀取的隧道ID類型與風險更新

將讀取的隧道ID類型與相應(yīng)的風險等級更新，利用Revit中的系統(tǒng)類型分組，如圖13所示。

2.2.5 系統(tǒng)類型賦予材質(zhì)，設(shè)置相應(yīng)顏色

復制隧道原始族類型，賦予相應(yīng)材質(zhì)顏色，如圖14所示。

表3 基于BIM三維可視化的5級預警

圖12預警等級數(shù)據(jù)集讀取流程

Fig. 12 Reading process of early warning level data set

圖13 系統(tǒng)類型分組流程

圖14 賦予管片顏色流程

2.2.6 隧道5級風險預警可視化

參照上述風險預警可視化流程，為實際運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可視化做出實時監(jiān)測預警示范，對監(jiān)測量與預警閾值的相互關(guān)系建立多級預警制度，依據(jù)管片顏色改變，基于DYNAMO參數(shù)化實現(xiàn)對管片健康狀態(tài)的實時映射。以圖11中BIM三維模型為例，得到運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中各類監(jiān)測量的多級預警可視化效果圖，見圖15。

圖15 隧道5級風險預警可視化效果圖

2.2.7 應(yīng)用效果

通過構(gòu)建基于BIM技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)運營地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對地鐵隧道的監(jiān)控，針對存在風險的監(jiān)控因素提出防治措施。在對武漢市軌道交通3號線地鐵隧道監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)，王宗區(qū)間跨江段內(nèi)，因受到江水的影響滲漏比較嚴重。注漿治理法適用于漏水較嚴重的區(qū)域，可以迅速止水。因此，根據(jù)項目情況最終確定采用注漿治理法，在滲漏水點直接鉆孔，結(jié)合注漿針頭進行注漿，利用漿液遇水膨脹的特性進行堵漏止水。采取防控措施后，隧道的滲漏水狀況有了明顯改善，滲漏面積減小，僅在表面存在少量潤濕。

3 結(jié)論與討論

1)本文以系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集和傳輸層傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、傳輸方案選取、數(shù)據(jù)處理和分析層監(jiān)測量演示與評估結(jié)果、隧道BIM模型搭建為研究思路，闡述了基于BIM技術(shù)運營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的搭建方法，并將其應(yīng)用于武漢地鐵3號線王宗區(qū)間項目中，針對隧道沉降量、傾角量、加速度、斷面最大變形和滲水面積5個監(jiān)測指標進行了風險預警分析，對隧道風險狀態(tài)進行了判別。

2)監(jiān)測系統(tǒng)分為4個功能層，第1個為數(shù)據(jù)采集與傳輸層；第2個為數(shù)據(jù)處理與分析層；第3個為數(shù)據(jù)儲存層，第4個為用戶交互層。通過采集布置在運營隧道的傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)，闡述數(shù)據(jù)采集與傳輸層中傳感器布設(shè)與監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方案；通過分析傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)，闡述數(shù)據(jù)處理與分析層的算法與功能演示。

3)基于BIM技術(shù)，提出BIM核心數(shù)據(jù)庫以及基于DYNAMO參數(shù)化的隧道建模和預警可視化方法，將運營隧道健康監(jiān)測模式網(wǎng)絡(luò)化、隧道模型參數(shù)化、健康評估結(jié)果可視化、地鐵隧道設(shè)備管理信息化、應(yīng)急處理措施規(guī)范化、危險病害管控即時化，實時監(jiān)測運營隧道的健康狀態(tài)。建模結(jié)果與工程實例相符，預警可視化與相應(yīng)等級劃分適用于實際工程。

本文提出的基于DYNAMO參數(shù)化隧道建模和預警可視化僅用于盾構(gòu)隧道主體建模和監(jiān)測預警可視化，后續(xù)還可以進一步研究以將其應(yīng)用于全流程的監(jiān)測量展示和涵蓋其他附屬構(gòu)造的全隧道建模中，以更好地進行安全預警。

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