BIM技術(shù)在地鐵站基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用

劉 星 顧國明

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114

1 工程概況

上海軌道交通13號線東明路站位于成山路與東明路交叉口東側(cè)，軌交6號線東明路站旁，主體結(jié)構(gòu)沿成山路東西向布置，建成后6號線、13號線可形成T形換乘。其中，軌交13號線東明路站全長203.2 m，寬21.6 m，地下3層島式車站，有效站臺范圍按地下3層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 工程難點

本站基坑采用明挖順作法施工，難點較多。

1）合流污水管距車站東側(cè)端頭井基坑最近處1.7 m，距車站西側(cè)端頭井基坑最近處0.8 m。建設(shè)地址位于軌交6號線東明路站旁，建成后6號線、13號線可形成T型換乘。

2）基坑深、支撐數(shù)量多、信息量大?；幼畲笊疃?2.35 m，沿基坑深度方向設(shè)置6道支撐，有逾200根鋼支撐。施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息多，出現(xiàn)的情況較為復(fù)雜，面對突發(fā)事件，現(xiàn)場響應(yīng)時間需要更加及時、快速。

3）基坑變形控制要求難度極大，支撐設(shè)置與安裝容許偏差小。

因此，為滿足業(yè)主和設(shè)計單位提出的基坑變形控制要求，保證工程順利進(jìn)行，采用了上海建工集團(tuán)最新研制的基于BIM技術(shù)的深基坑微變形監(jiān)控系統(tǒng)，借助BIM技術(shù)[1-5]，對鋼管支撐進(jìn)行軸力補(bǔ)償和實時監(jiān)控，確保鋼支撐受力均勻。同時，展示鋼支撐的實時軸力信息和空間位置，以便現(xiàn)場管理人員及時、迅速地判別鋼支撐位置，監(jiān)控鋼支撐的安全信息，查找和解決問題，確保施工安全和順利。

3 基于BIM技術(shù)的基坑鋼支撐軸力實時監(jiān)控方案

3.1 系統(tǒng)簡介

課題組開發(fā)出了基于BIM技術(shù)的基坑鋼支撐軸力實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有的鋼支撐補(bǔ)償系統(tǒng)無縫連接，通過傳感器，采集現(xiàn)場非標(biāo)增壓油缸的實時壓力數(shù)據(jù)，匯入現(xiàn)場監(jiān)控中心，再依靠數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，上傳多達(dá)144組油缸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)項目數(shù)據(jù)錄入云平臺。同時，將輕量化后的BIM工程模型導(dǎo)入云服務(wù)器。通過網(wǎng)頁端，將油缸數(shù)據(jù)編號與BIM模型中的鋼支撐位置編號配對，實時監(jiān)控現(xiàn)場鋼支撐軸力數(shù)據(jù)，接收和處理預(yù)警信息，最終形成一套基于網(wǎng)絡(luò)的、實時的深基坑微變形智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入了BIM技術(shù)，對目前的支撐平臺進(jìn)行三維展示，滿足不同用戶的使用需求。BIM平臺現(xiàn)階段的主要作用則是便于快速查看在三維狀態(tài)下鋼支撐平臺的空間位置關(guān)系、運行狀態(tài)及監(jiān)測信息，支撐系統(tǒng)的控制不在本需求范圍內(nèi)（圖1）。

數(shù)據(jù)總線采用的是HTTP/MQTT結(jié)合的方式，有利于總線管理的高效性及數(shù)據(jù)的高可靠性。數(shù)據(jù)處理分為服務(wù)端和客戶端。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計

服務(wù)端的架構(gòu)包括終端接入層、系統(tǒng)服務(wù)層、集群服務(wù)層、物理層。終端接入層的主要作用是提供數(shù)據(jù)接入的入口，同時提供數(shù)據(jù)展示端的數(shù)據(jù)獲取服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)層主要為系統(tǒng)提供所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如設(shè)備管理、認(rèn)證服務(wù)、存儲、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通知、日志服務(wù)等，該層級后期可根據(jù)實際的業(yè)務(wù)進(jìn)行模塊擴(kuò)展。集群服務(wù)層主要提供系統(tǒng)微服務(wù)實例及大數(shù)據(jù)引擎，保證系統(tǒng)的高可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性。目前物理層采用的是阿里云提供的云虛機(jī)，在這之上構(gòu)件所有的系統(tǒng)組件及服務(wù)，所有虛機(jī)實例均需部署Mesos所需服務(wù)組件進(jìn)行統(tǒng)一部署維護(hù)。

客服端由實時數(shù)據(jù)上報、歷史數(shù)據(jù)上報、傳感器狀態(tài)上報、其他流程模塊這4個模塊組成。

實時數(shù)據(jù)上報是在現(xiàn)場PC部署服務(wù)程序，把整個現(xiàn)場PC作為一個多通道的傳感器看待，用于實時采集各個傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行上報（圖2）。

圖2 實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)上報流程

數(shù)據(jù)上報流程包括：

1）采集隊列：在線的傳感器進(jìn)入待采集隊列，不在線的傳感器移出隊列。

2）采集任務(wù)觸發(fā)器：采集任務(wù)觸發(fā)器會每隔T時間觸發(fā)一次采集任務(wù)。

3）實時數(shù)據(jù)采集：采用“基于多線程的并行任務(wù)”進(jìn)行實時采集，把采集隊列中不同傳感器的采集任務(wù)分配給多個采集TASK去處理。

4）采集數(shù)據(jù)：在指定時間間隔T下直接采用SQL語句，查詢指定傳感器在指定時間點的數(shù)據(jù)信息。

5）數(shù)據(jù)隊列：采用Redis這種于基于內(nèi)存的Key-Value存儲系統(tǒng)。

6）實時數(shù)據(jù)上報：采用MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，用于輕量級的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，保障上報信息可靠性。

7）傳感器上報記錄：當(dāng)傳感器指定時間點的數(shù)據(jù)上報成功時，需更新MySQL數(shù)據(jù)庫中傳感器上報記錄的時間點，該時間點表示在此時之前的傳感器數(shù)據(jù)已成功上報。

在實施過程中，還需要處理上報傳感器的歷史數(shù)據(jù)，其來源包括：

1）由于云平臺需升級或異常退出，導(dǎo)致退出期間無法接收傳感器數(shù)據(jù)，此時發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)就為歷史數(shù)據(jù)。

2）由于現(xiàn)場PC服務(wù)程序可能由于升級或者出現(xiàn)異常退出，導(dǎo)致退出期間的傳感器數(shù)據(jù)沒有上報到云平臺，此時退出期間的數(shù)據(jù)就為歷史數(shù)據(jù)。

3）其他異常導(dǎo)致的傳感器數(shù)據(jù)傳輸失敗，也作為歷史數(shù)據(jù)。

因此，歷史數(shù)據(jù)處理步驟包括：

1）未上報歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建：服務(wù)程序啟動時，時間比較，如果上報記錄時間小于當(dāng)前時間，則插入傳感器上報記錄信息到歷史數(shù)據(jù)記錄MySQL數(shù)據(jù)庫。

2）實時數(shù)據(jù)上報失?。寒?dāng)服務(wù)程序由于各種原因無法上報實時數(shù)據(jù)到云平臺時，則把相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)插入歷史數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)庫中，作為歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行上報。

3）歷史數(shù)據(jù)獲?。簭臍v史數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)庫中獲取待上報的歷史數(shù)據(jù)，并插入歷史數(shù)據(jù)隊列。

4）歷史數(shù)據(jù)隊列：同樣，為了提高效率并且方便各個服務(wù)訪問歷史數(shù)據(jù)緩存隊列，采用Redis這種基于內(nèi)存的Key-Value存儲系統(tǒng)。

5）歷史數(shù)據(jù)上報：采用“基于多線程的并行任務(wù)”進(jìn)行上報，把歷史數(shù)據(jù)隊列中不同的歷史數(shù)據(jù)上報任務(wù)分配給多個上報TASK去處理，并采用HTTP協(xié)議。

6）歷史數(shù)據(jù)記錄移除：如果歷史數(shù)據(jù)上報成功，則從歷史數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)庫中移除該歷史數(shù)據(jù)。

在項目實施過程中，傳感器本身的狀態(tài)也是待采集和管理數(shù)據(jù)的一部分。步驟包括：

1）傳感器數(shù)據(jù)文件掃描服務(wù)：如果傳感器設(shè)備存在對應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)文件，則傳感器當(dāng)前可能在線，并更新信息到傳感器狀態(tài)信息中；如果傳感器設(shè)備不存在傳感器數(shù)據(jù)文件，則傳感器當(dāng)前不在線，并更新狀態(tài)信息到傳感器狀態(tài)信息中。

2）實時數(shù)據(jù)采集失敗：在傳感器數(shù)據(jù)實時采集TASK中，如果指定傳感器超過采集間隔T，仍然采集數(shù)據(jù)失敗，則更新傳感器狀態(tài)為“下線”。

3）傳感器狀態(tài)管理：當(dāng)檢測到傳感器狀態(tài)變更時，插入最新傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)到狀態(tài)隊列中。

4）傳感器狀態(tài)隊列：本項目采用Redis這種基于內(nèi)存的Key-Value存儲系統(tǒng)。

5）實時狀態(tài)上報：采用“基于多線程的并行任務(wù)”進(jìn)行實時上報，把傳感器狀態(tài)隊列中不同傳感器的狀態(tài)上報任務(wù)分配給多個上報TASK去處理；上報協(xié)議采用MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。

其他流程：現(xiàn)場PC設(shè)備注冊與心跳。在項目實施過程中，除了要管理傳感器外，我們還需要管理現(xiàn)場PC。

1）注冊：把現(xiàn)場PC注冊到云平臺，方便狀態(tài)查看及后續(xù)管理。

2）心跳：注冊到云平臺成功后，則在現(xiàn)場PC和云平臺之間建立心跳連接，如果心跳失敗，則停止和云平臺相關(guān)的業(yè)務(wù)，等待重新注冊云平臺成功。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備的平面布置

上海市軌交13號線東明路站項目沿基坑深度方向設(shè)置6道支撐：包括鋼筋混凝土支撐和鋼支撐，鋼筋混凝土支撐的支撐截面800 mm×800 mm，頂圈梁截面1 200 mm×1 000 mm；鋼支撐型號包括φ609 mm（t＝16 mm）和φ800 mm（t＝20 mm），對鋼管支撐進(jìn)行軸力補(bǔ)償和實時監(jiān)控（圖3）。

圖3 系統(tǒng)設(shè)備布置

3.3 系統(tǒng)網(wǎng)頁端監(jiān)控平臺及其功能

BIM主頁面主要通過BIM模型展示了項目的整體運行情況（圖4），更直觀地展現(xiàn)項目在空間中的位置及周邊情況，用戶則可更容易地了解項目運行的緣由及系統(tǒng)的價值，具體的功能有：項目基本信息展示、項目總體三維展示、項目數(shù)據(jù)對接硬件系統(tǒng)的布局、硬件系統(tǒng)的鏈接方式、周邊配套設(shè)施的部署安裝情況、泵站所掛載的油缸位置及狀態(tài)、項目第一視角漫游功能、泵站區(qū)域展示功能、當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖4 BIM模型展示

系統(tǒng)提供了剖切圖展示功能（圖5），用戶可點擊左側(cè)相應(yīng)的項目樹去選擇指定的油缸，更有針對地展示油缸數(shù)據(jù)及相應(yīng)的位置狀態(tài)等。剖切區(qū)域圖（圖6）主要展示的是選取的泵站所控制的油缸所在的空間位置及所控制的承壓區(qū)域，項目管理人員可迅速地了解該區(qū)域的安全情況，出現(xiàn)問題時，也可有目的性地去解決問題，輔助項目管理人員管控項目。區(qū)域選擇功能主要輔助管理人員了解項目總體在空間中的劃分情況，輔助項目管理及安全規(guī)劃。系統(tǒng)配置功能主要輔助管理人員配置當(dāng)前系統(tǒng)的基本信息：項目名稱、項目地址、壓力單位等。用戶可以根據(jù)項目的實際情況進(jìn)行修正。

圖6 剖切區(qū)域圖

4 結(jié)語

系統(tǒng)在地鐵站基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用順利，效果較為理想，建筑信息化模型為相關(guān)人員提供了一個快捷的、直觀的施工現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備空間位置關(guān)系，同時也提供了相關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，便于多方共管，多方共建，推進(jìn)工程進(jìn)度，確保施工安全。系統(tǒng)應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)了下一步系統(tǒng)改進(jìn)之處，比如能否通過技術(shù)手段減少數(shù)目眾多的鋼支撐和油缸參數(shù)匹配對接工作量等。