吳 冬，安 彬，南宏峰，李立軍，李穎杰

(1. 太原軌道交通集團(tuán)有限公司，太原 030032； 2. 太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

城市隧道周邊建(構(gòu))筑物及地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，地下施工空間有限，地質(zhì)條件多樣，如西安、太原等地的黃土地層遇水塌陷、地裂縫等問題仍有待解決[1]。在此背景下，隧道施工監(jiān)測是規(guī)避相關(guān)危險(xiǎn)的重要手段，借助信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效共享與可視化展示是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息化發(fā)展的一個(gè)重要研究方向[2]。建筑信息模型作為一種多元的信息載體，具有三維可視性、全局性、動(dòng)態(tài)性等諸多特點(diǎn)，在三維展示、信息共享和施工指導(dǎo)等方面具有優(yōu)勢[3]。隨著BIM技術(shù)的日趨成熟，將BIM信息集成化的優(yōu)勢利用到監(jiān)測領(lǐng)域中，能夠提升監(jiān)測信息管理水平，基于Revit軟件的監(jiān)測信息三維可視化技術(shù)可降低數(shù)據(jù)理解難度，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的科學(xué)化組織和管理[4]。

隧道盾構(gòu)施工的監(jiān)測工作逐漸自動(dòng)化，自動(dòng)化監(jiān)測與人工監(jiān)測相比，具有監(jiān)測頻率高、各測點(diǎn)同時(shí)采集和數(shù)據(jù)即時(shí)共享等優(yōu)點(diǎn)[5]。對(duì)所產(chǎn)生的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理是預(yù)警可視化技術(shù)的基礎(chǔ)，目前預(yù)警可視化研究中缺少監(jiān)測信息與三維模型的幾何、時(shí)空和狀態(tài)等屬性信息的關(guān)聯(lián)，存在集成度不高、集成范圍不廣等問題。作為最小級(jí)別的監(jiān)測單元，單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與高一級(jí)別的建(構(gòu))筑物和監(jiān)測斷面等監(jiān)測對(duì)象，以及隧道及周邊環(huán)境等更高級(jí)別的監(jiān)測單元共同構(gòu)成三級(jí)監(jiān)測單元網(wǎng)絡(luò)，這一分級(jí)思想在可視化預(yù)警中的實(shí)現(xiàn)會(huì)給信息交互者帶來更大便利。

以太原地鐵2-1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目為例，基于Revit系統(tǒng)平臺(tái)，運(yùn)用Dynamo可視化編程建立隧道、周邊建(構(gòu))筑物及各種傳感器模型，構(gòu)建隧道及周邊環(huán)境BIM監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，以隧道分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，對(duì)于觸發(fā)報(bào)警的傳感器和監(jiān)測對(duì)象等各個(gè)監(jiān)測單元進(jìn)行不同顏色標(biāo)記，并進(jìn)行報(bào)警信息反饋，提高信息化施工的效率，有效保障隧道及周邊環(huán)境的安全。

1 工程概況

太原地鐵2-1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線區(qū)間由2號(hào)線大南門站南端引出后，以半徑200 m的平面圓曲線下穿迎澤公園后接入1號(hào)線大南門站東端，所建隧道屬于大曲率隧道。聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)范圍內(nèi)盾構(gòu)段長度為148.29 m，隧道采用圓形斷面，管片外徑為6 200 mm，深度為13.5～17.7 m。

聯(lián)絡(luò)線位于太原市迎澤公園內(nèi)，周邊主要為仿古建筑群，其中風(fēng)吟亭、六角亭和鐘樓處于隧道開挖主要影響區(qū)，施工時(shí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。沿線地表多為第四系人工填土，其下多為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土，地下水為第四系松散層孔隙潛水，埋深為2.2～5.7 m。施工易造成地面沉降或隆起、隧道管片破損或滲水等，施工時(shí)若建筑物不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生承重墻體、承重柱或承重梁開裂、剝落等風(fēng)險(xiǎn)，工程平面概況如圖1所示。

2 建筑信息模型

2.1 軟件準(zhǔn)備

Revit軟件對(duì)于一些復(fù)雜異性構(gòu)件的編輯與創(chuàng)建存在局限，Dynamo是一種視覺腳本程序，可協(xié)助用戶自定義算法來處理數(shù)據(jù)和產(chǎn)生幾何圖形。該程序既可單獨(dú)使用，也可對(duì)Revit軟件的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行抽取、統(tǒng)合、修改和運(yùn)算等關(guān)鍵程序代碼編列。Dynamo還可作為開源可視化編程平臺(tái)，其中提供了Python代碼的接口，能高效方便地實(shí)現(xiàn)判斷、循環(huán)和嵌套等常用功能甚至更復(fù)雜的功能。在本次預(yù)警研究中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用Python腳本進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理。

2.2 監(jiān)測與可視化預(yù)警流程

根據(jù)工程監(jiān)測等級(jí)、工程影響分區(qū)和監(jiān)測對(duì)象的特點(diǎn)，并在滿足結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境安全的條件下，最終確定監(jiān)測項(xiàng)目包含管片結(jié)構(gòu)凈空收斂、地表和建(構(gòu))筑物等[6]。

本研究采用自動(dòng)化傳感技術(shù)，監(jiān)測預(yù)警流程主要指在隧道中設(shè)置監(jiān)測斷面，再在現(xiàn)場設(shè)置測點(diǎn)、布置傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)集中采集，并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器保存，完成保存后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出與對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，輸出觸發(fā)報(bào)警的傳感器信息以指導(dǎo)施工。監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包含項(xiàng)目名稱、監(jiān)測對(duì)象、測點(diǎn)名稱、監(jiān)測日期、變形監(jiān)測的絕對(duì)值和監(jiān)測速率等。基于BIM的可視化預(yù)警流程如圖2所示。

2.3 三維模型構(gòu)建

2.3.1 建(構(gòu))筑物和隧道等族的建立

在Revit族中，根據(jù)圖紙中的數(shù)據(jù)，通過拉伸和放樣融合等命令進(jìn)行族的創(chuàng)建。對(duì)于隧道模型的創(chuàng)建，須先明確首尾標(biāo)高偏移與平面曲線，再進(jìn)行放樣融合。

2.3.2 隧道管片族的建立

將布置有激光測距儀的管片先劃分出來，因隧道形狀比較復(fù)雜，須把隧道模型導(dǎo)入Dynamo程序中，通過一系列節(jié)點(diǎn)完成獲取曲面、創(chuàng)建垂直面、分割模型等操作，將隧道劃分為15個(gè)部分，再使用自定義節(jié)點(diǎn)包中的“Springs.FamilyInstance.ByGeo-metry”節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出到Revit軟件中并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的族。

2.3.3 創(chuàng)建項(xiàng)目

項(xiàng)目文件必須使用與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的樣板文件，即在樣板文件中創(chuàng)建與要錄入的數(shù)據(jù)條目一致的參數(shù)，包含文字參數(shù)和數(shù)值參數(shù)等，后續(xù)基于Dynamo程序的相關(guān)操作應(yīng)全部使用該項(xiàng)目文件完成。

2.3.4 載入激光測距儀

在創(chuàng)建的項(xiàng)目中，由于激光測距儀的位置、角度和標(biāo)高偏移等參數(shù)具有三維特點(diǎn)，使用Revit常規(guī)編輯方法難以確定，因此同樣需要導(dǎo)入Dynamo程序中進(jìn)行批量放置。載入激光測距儀的隧道模型如圖3所示。

2.3.5 載入靜力水準(zhǔn)儀

在創(chuàng)建的項(xiàng)目中，風(fēng)吟亭、六角亭和鐘樓等每個(gè)建筑物有4個(gè)靜力水準(zhǔn)儀布置在建筑物周圍，根據(jù)相關(guān)施工圖紙中的位置和標(biāo)高等信息進(jìn)行靜力水準(zhǔn)儀布置。載入靜力水準(zhǔn)儀的風(fēng)吟亭模型如圖4所示。整體項(xiàng)目模型如圖5所示。

3 預(yù)警與可視化

BIM的可視化預(yù)警是通過信息關(guān)聯(lián)、分級(jí)預(yù)警和信息導(dǎo)出3個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)的。首先通過模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息關(guān)聯(lián)給模型賦予對(duì)應(yīng)的屬性，為使模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，應(yīng)使項(xiàng)目構(gòu)件ID(身份標(biāo)識(shí)碼)的大小順序與數(shù)據(jù)列表的順序一一對(duì)應(yīng)；其次在對(duì)比篩選時(shí)，應(yīng)配合具體的分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和閾值設(shè)定進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，從而判斷是否觸發(fā)報(bào)警，如果觸發(fā)報(bào)警應(yīng)判斷出預(yù)警所屬級(jí)別，篩選出觸發(fā)報(bào)警的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的模型并進(jìn)行對(duì)應(yīng)顏色標(biāo)記；最后提取、輸出已標(biāo)記模型的相關(guān)信息并保存，以供后期調(diào)用和查看。分級(jí)預(yù)警可視化流程如圖6所示。部分可視化腳本模塊如圖7所示。

3.1 信息關(guān)聯(lián)

模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)是通過自動(dòng)讀取電子表格后給構(gòu)件設(shè)置參數(shù)值的方式實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)在以電子表格形式導(dǎo)入后可直接設(shè)置以“Data.ImportExcel”為核心的節(jié)點(diǎn)組讀取表格數(shù)據(jù)，然后用以“Element.SetParameterByName”為核心的節(jié)點(diǎn)組設(shè)置參數(shù)值。這種方法高效快速且出錯(cuò)率低。關(guān)聯(lián)后的激光測距儀屬性如圖8所示。

3.2 安全狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警可視化

監(jiān)測項(xiàng)目控制值應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目盾構(gòu)施工方法和特點(diǎn)、周圍巖土體特征、周邊環(huán)境保護(hù)要求、國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)以及工程經(jīng)驗(yàn)等綜合確定，預(yù)警等級(jí)和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)、監(jiān)測項(xiàng)目控制值和施工經(jīng)驗(yàn)等確定[7]。預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)示例如表1所示。

表1 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)示例

3.2.1 Python腳本核心節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證

監(jiān)測項(xiàng)目控制值和變化速率值并非單一不變，以標(biāo)準(zhǔn)斷面盾構(gòu)法隧道地表沉降監(jiān)測項(xiàng)目控制值為例，工程監(jiān)測等級(jí)為一級(jí)時(shí)，中軟～軟弱土層中地表沉降和地表隆起的控制值明顯存在差異[7]，如果沉降記為負(fù)值，隆起記為正值，再與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合可以得出三級(jí)預(yù)警相應(yīng)的雙控指標(biāo)分布范圍。

由于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)值未觸發(fā)預(yù)警，研究時(shí)采用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。經(jīng)過分析，雙控指標(biāo)組合至少為64種情況才可涵蓋全部預(yù)警，為驗(yàn)證Python腳本核心節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力，測試數(shù)據(jù)依此設(shè)置出64組控制值與變化速率值，輸入Dynamo程序中的節(jié)點(diǎn)組并運(yùn)行，運(yùn)行后得出64組值中發(fā)出黃色、橙色和紅色預(yù)警的索引號(hào)，與人工分析得出的結(jié)果完全一致，從而驗(yàn)證核心節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性與可靠性，為之后模型數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。核心節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證模塊如圖9所示。

3.2.2 在Revit軟件中標(biāo)記模型

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理、分析和與預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算對(duì)比，在Revit軟件的模型中依照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相應(yīng)的顏色標(biāo)記，標(biāo)記后的模型整體可直觀展示各測點(diǎn)和監(jiān)測對(duì)象的相對(duì)位置以及預(yù)警等級(jí)信息。

本研究中測點(diǎn)傳感器為第一級(jí)監(jiān)測單元，具體監(jiān)測對(duì)象為第二級(jí)監(jiān)測單元，總監(jiān)測對(duì)象為第三級(jí)監(jiān)測單元。三級(jí)監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)如圖10所示。

為達(dá)到醒目的提示效果，研究人員會(huì)對(duì)觸發(fā)報(bào)警的傳感器進(jìn)行標(biāo)記。由于傳感器本身體積較小，在視圖中不易查看，因此會(huì)設(shè)定程序使傳感器所在的建(構(gòu))筑物和隧道斷面等具體監(jiān)測對(duì)象滿足如下標(biāo)記條件：自身觸發(fā)報(bào)警的等級(jí)與其上所有傳感器觸發(fā)報(bào)警的最高等級(jí)保持一致，即如果安裝在某監(jiān)測對(duì)象上的某一傳感器出現(xiàn)黃色預(yù)警，即便其余傳感器均未預(yù)警，監(jiān)測對(duì)象也顯示為黃色預(yù)警；如果某一傳感器出現(xiàn)橙色預(yù)警，而其余傳感器為黃色預(yù)警，則該監(jiān)測對(duì)象也顯示為橙色預(yù)警，以此類推，在數(shù)據(jù)輸入以后模型第一時(shí)間能夠?qū)ξｋU(xiǎn)點(diǎn)的位置和信息進(jìn)行直觀展現(xiàn)。兩級(jí)監(jiān)測單元與預(yù)警等級(jí)顏色的關(guān)系如表2所示。

表2 兩級(jí)監(jiān)測單元與預(yù)警等級(jí)顏色的關(guān)系

隨機(jī)設(shè)置40組測試數(shù)據(jù)，與太原地鐵2-1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目監(jiān)測現(xiàn)場的11個(gè)監(jiān)測對(duì)象上的40個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、編組、運(yùn)算和篩選。

經(jīng)過比對(duì)，項(xiàng)目所有監(jiān)測對(duì)象和測點(diǎn)預(yù)期標(biāo)記結(jié)果與運(yùn)行后結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠。部分預(yù)警結(jié)果如表3所示。

表3 部分預(yù)警結(jié)果

3.3 預(yù)警信息反饋

對(duì)觸發(fā)報(bào)警的傳感器利用以“Element.GetParameterValueByName”為核心的節(jié)點(diǎn)組進(jìn)行信息提取，利用以“Data.ExportExcel”為核心的節(jié)點(diǎn)組進(jìn)行信息反饋輸出，做到觸發(fā)報(bào)警信息整理與統(tǒng)計(jì)的全面性。

4 結(jié)語

針對(duì)隧道施工自動(dòng)化監(jiān)測過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化預(yù)警研究，基于Revit軟件平臺(tái)和Dynamo編程工具分析了可視化預(yù)警的可行性和便捷性，以一種預(yù)警分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為例利用測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了可視化預(yù)警程序的正確性，結(jié)果表明基于Revit軟件平臺(tái)和Dynamo編程工具可較好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型信息的集成，降低信息分析與處理的難度。利用Dynamo編程工具可高效實(shí)現(xiàn)Revit軟件中難以實(shí)現(xiàn)的曲線和曲面等編輯功能，通過Python腳本提高了程序編制效率，達(dá)到預(yù)期的可視化預(yù)警效果。

該研究成果應(yīng)用于太原地鐵2-1號(hào)線聯(lián)絡(luò)線項(xiàng)目，有效保障了隧道及周邊環(huán)境的安全，為反映并處理工程施工問題提供了更好的可視化平臺(tái)。