郭昱銘，沙文東，李謀思

(武漢市勘察設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著各城市的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)項目極速增加，鑒于地鐵基坑都是深大基坑的特點，基坑的變形監(jiān)測在施工中已經(jīng)成為不可或缺的安全監(jiān)控手段。傳統(tǒng)的監(jiān)測匯報管理方式明顯不能滿足日益增長的大信息量的作業(yè)模式。因此，需要建立一個綜合性強，功能全面，信息集中的集成化的管理系統(tǒng)，此管理系統(tǒng)需要能及時地進行數(shù)據(jù)處理、信息分類，為決策者及時準確地提供反饋信息。由于BIM的可視化技術(shù)、模型包含大量信息等特點，地鐵基坑多為深大基坑、施工周期長等特點，這也使得其在監(jiān)測中的應(yīng)用是必然趨勢，對于工程安全具有重大意義。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 基坑監(jiān)測技術(shù)

基坑是整個項目的基礎(chǔ)工程，它具有階段性的特征，但在進行基坑實施過程中，其風險系數(shù)高，安全儲備較小，容易發(fā)生安全事故[1]。而地鐵基坑一般都屬于深大基坑，各地層地質(zhì)環(huán)境變化多，開挖深度高，支護要求高，對其安全性提出了更高的要求。

隨著基坑施工出現(xiàn)了科學(xué)的設(shè)計理念和完備的施工作業(yè)方法，基坑監(jiān)測已成為施工中的重要組成部分，基坑監(jiān)測的目的主要是：

(1)驗證支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，指導(dǎo)基坑開挖和配套結(jié)構(gòu)的施工。在進行基坑開挖時，是根據(jù)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行防護的，而設(shè)計方案對于支護結(jié)構(gòu)是否成功具有最重要的作用[2]。

(2)保證基坑支護的安全。按照監(jiān)測方案每日進行監(jiān)測控制，實行信息化施工，當此情況出現(xiàn)時，能夠及時發(fā)現(xiàn)，能有效地避免或減輕破壞的后果。

(3)總結(jié)工程經(jīng)驗，為改進設(shè)計分析提供支撐和依據(jù)。當工程項目完成和監(jiān)測結(jié)束之后，在整個監(jiān)測階段和施工中遇到的情況為下次的施工設(shè)計提供很好的借鑒作用。

一般基坑的監(jiān)測內(nèi)容都是結(jié)合項目的設(shè)計要求與相應(yīng)施工的規(guī)范文件，以及基坑周邊環(huán)境的性質(zhì)和基坑需要的安全等級來確定的。

2.2 BIM技術(shù)

建筑信息模型(BIM)是指在建筑物建設(shè)的全生命周期中，從設(shè)計、施工、運營等相關(guān)的建筑信息數(shù)據(jù)的集合體。運用該模型數(shù)據(jù)數(shù)字化技術(shù)實時動態(tài)地模擬施工、運營的多個環(huán)節(jié)，大大提高生產(chǎn)率和控制成本，有效地反饋施工中的重難點。建筑信息模型(也簡稱BIM)在全周期過程中產(chǎn)生了包括建筑構(gòu)件位置關(guān)系、幾何關(guān)系、空間地理信息及建筑結(jié)構(gòu)件的數(shù)量和性能等信息。

BIM帶來的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)可視化。BIM建立的三維模型，是根據(jù)建筑設(shè)計建立的真三維模型。其模型中包含相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并且在模擬施工過程中進行可視化的操作。該實體的模型在設(shè)計、實施、運用等過程中均可調(diào)整并修改[3]。

(2)協(xié)調(diào)性。由于可視化的特點，對于非本領(lǐng)域的人員更直觀地觀察，也方便了各部門之間進行更好的溝通、討論與決策。

(3)模擬性。BIM在不同的階段可以進行不同的模擬，在施工階段，可以進行施工組織模擬施工[4-5]，還可以進行5D模擬有效控制成本。

(4)優(yōu)化性。事實上整個設(shè)計、施工、運營的過程就是一個不斷優(yōu)化的過程，BIM的軟件及與其配套的各種優(yōu)化工具能對項目進行優(yōu)化處理。

(5)可出圖性[6]。在BIM模型建立之后，在模型內(nèi)進行構(gòu)件間的碰撞檢測，根據(jù)反饋結(jié)果可消除原設(shè)計圖紙中的矛盾點，并最終得到綜合設(shè)計施工圖。

3 工程概況

江城大道站位于武漢市漢陽區(qū)，是武漢軌道交通六號線其中一站，此站規(guī)劃設(shè)計為與軌道交通10號線換乘站。整體來說，施工工區(qū)建筑物較少，多為荒地與空曠廠區(qū)。江城大道站為地下2層島式車站，大里程端帶單渡線，車站外包總長 304.9 m，車站有效站臺中心里程右K3+711.000，車站起點里程右K3+623.360、終點里程右K3+928.260，采用明挖法施工。車站主體基坑標準段寬 22.1 m，端頭盾構(gòu)井處寬 27.2 m，基坑深度約 17.2 m～19.1 m[7]，總開挖面積約 5 981 m2，基坑底位于Q2堅硬狀的老黏土中?；訄龅丶爸苓叞?根φ300雨水管和一個尺寸為 1 400 mm×300 mm電力管溝內(nèi)有1根 10 KV的高壓電纜。

4 基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測管理系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

基坑監(jiān)測管理信息系統(tǒng)是一個綜合性集成的系統(tǒng)，是對各期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學(xué)性系統(tǒng)性管理的系統(tǒng)。伴隨移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、BIM等信息技術(shù)的快速發(fā)展[8]，基坑監(jiān)測可通過融合多種信息化元素來實現(xiàn)流程的升級再造。該系統(tǒng)功能需要滿足數(shù)據(jù)日常管理、往期數(shù)據(jù)查詢、分析與預(yù)測、監(jiān)測報表自動化輸出等功能。從整體需求設(shè)計整個系統(tǒng)流程框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程架構(gòu)

4.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

(1)結(jié)構(gòu)功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)是需要將各個監(jiān)測項目在外業(yè)采集完的數(shù)據(jù)和巡視資料，經(jīng)過簡單的計算平差后導(dǎo)入到系統(tǒng)中，進行存儲管理。數(shù)據(jù)存儲之后，再通過監(jiān)測處理，可以得到不同時間段的每日變形量和累計變形量，及在一段時間內(nèi)的總變形量，再進行報表輸出。監(jiān)測處理之后，變形量的變化可以通過模型來進行數(shù)據(jù)展示和圖形顯示，并進行變形預(yù)測與分析。

根據(jù)項目分析，把系統(tǒng)功能包括“工程管理”“設(shè)置報警值”“工程概況及巡查日志”“常規(guī)監(jiān)測項目管理”“其他監(jiān)測項目管理”“BIM查詢分析”“報表輸出”“實用工具”“幫助”等9個模塊。其框架與功能模塊如圖2所示。

圖2 框架與功能模塊

(2)BIM模型建立

根據(jù)江城大道站施工技術(shù)設(shè)計書，基坑挖掘深度 17.2 m～19.1 m。按照建筑設(shè)計的圖紙，采用Revit來繪制BIM模型。在Revit中，選擇項目樣板，創(chuàng)建項目，確定項目標高、軸網(wǎng)，繪制符合現(xiàn)場情況的基坑信息模型?；驹O(shè)計流程遵循“由整體到局部”的原則，從整體出發(fā)，逐步細化。最終基坑BIM模型如圖3所示。

圖3 BIM模型

(3)BIM查詢分析

①BIM文件的格式

Revit的項目文件格式是.rvt文件，由于Revit的文件格式不能直接讀取，通過其導(dǎo)出的dwg文件格式，然后在3ds Max中導(dǎo)入dwg文件，然后再導(dǎo)出.3ds文件格式。3DS是三維幾何建模軟件3ds Max用來保存模型信息的一種文件結(jié)構(gòu)，可與其他的文件格式進行相互轉(zhuǎn)化，因此選擇它作為與管理信息系統(tǒng)連接的文件格式。

②模型的讀取和顯示

了解整個3ds文件格式之后就是要讀取并解析該文件，從中挑選需要用到的信息。通過這些信息，其中有各個頂點的坐標，通過這些坐標將模型重繪出來，并加上材質(zhì)顏色等，工程中需要的信息。如：頂點列表、面列表和紋理列表等就可以了。3ds文件是二進制的。3ds格式的基本單元叫塊(chunk)。讀取時讀塊信息。目錄樹如下，縮進風格體現(xiàn)了塊的父子關(guān)系?？梢?ds模型文件和XML文件類似，都是只有1個根結(jié)點的樹狀結(jié)構(gòu)。

以類型標識為0x4D4D的MAIN CHUNK為例，整個3ds文件的前兩個byte必須是0x4D4D，否則就說明這個文件不是3ds模型文件。然后從第3到第6個byte是一個Uint32型的數(shù)值，表示整個MAIN CHUNK的長度。由于MAIN CHUNK是整個3ds文件的根結(jié)點，它的長度也是整個3ds文件的長度。

下面給出讀取3ds文件部分代碼：

enum Groups

{

C_PRIMARY=0x4D4D，

C_OBJECTINFO=0x3D3D，

C_VERSION=0x0002，

C_EDITKEYFRAME=0xB000，

C_MATERIAL=0xAFFF，

C_MATNAME=0xA000，

C_MATAMBIENT=0xA010，

C_MATDIFFUSE=0xA020，

C_MATSPECULAR=0xA030，

C_MATSHININESS=0xA040，

C_MATMAP=0xA200，

C_MATMAPFILE=0xA300，

C_OBJECT=0x4000，

C_OBJECT_MESH=0x4100，

C_OBJECT_VERTICES=0x4110，

C_OBJECT_FACES=0x4120，

C_OBJECT_MATERIAL=0x4130，

C_OBJECT_UV=0x4140

}

③數(shù)據(jù)交互

當讀取數(shù)據(jù)后，將會在窗體中顯示整個模型，可以進行模型的放大、縮小及旋轉(zhuǎn)。該模型為武漢地鐵六號線江城大道站的基坑BIM模型，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到3ds模式之后，解析與顯示在該系統(tǒng)中。在拾取監(jiān)測點實體的時候，會彈出窗口，允許輸入點號，可以查詢該監(jiān)測點的所有觀測數(shù)據(jù)，如圖4所示。選取某段時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，直接可以得到該監(jiān)測點的累計變化量的時程曲線。

圖4 監(jiān)測點位查詢

數(shù)據(jù)查詢窗口中提供以時間為軸對累計變化量、日變化量、變化速率進行查詢。用戶依次選擇監(jiān)測項目、測點編號、開始時間、結(jié)束時間即可對數(shù)據(jù)進行查詢，如圖5所示。并可選擇預(yù)測方法，給定預(yù)測期數(shù)即可進行預(yù)測。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢分析

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用

通過武漢地鐵六號線江城大道站的實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行了測試，在使用時，界面友好，功能齊全，實用性強，可以是煩瑣復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)集中管理，計算簡單，報表規(guī)范化，減輕了操作人員的勞動強度，效率也大大提高。而且不同監(jiān)測的情況可以通過集成的管理信息系統(tǒng)平臺了解到實時的施工狀態(tài)，不會出現(xiàn)在人工上的錯漏等失誤，也促進了各專業(yè)之間的交流。

5 結(jié) 語

本文以武漢軌道交通六號線工程案例開展系統(tǒng)設(shè)計和BIM模型建立，整個系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)處理流程以及與模型的交互，通過模型與數(shù)據(jù)的比較，集成施工狀況與巡視報告。系統(tǒng)完全能夠完成整個基坑監(jiān)測的信息管理。加入BIM模型顯示之后，三維幾何形體便于辨識，并且基于BIM模型的可視化、信息化等特點查詢分析操作簡單直觀，使得對工程的結(jié)構(gòu)形式會有更加直觀的了解，同時能夠把握整體的變形趨勢，更能夠直觀且實時地反饋安全狀態(tài)，能夠為現(xiàn)場管理者與監(jiān)理人員還有決策部門提供強有力的參考依據(jù)。