基于BIM模型的鐵路雨棚鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)模型研究

賀海建,李重輝,樊 瀟,黃深深,李存榮

(1.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司,廣州 510088； 2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,武漢 430070)

引言

高鐵車站客流量巨大，其鋼結(jié)構(gòu)站房、站臺(tái)雨棚的主體結(jié)構(gòu)和使用期間不可更換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，均按較長年限進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)材料在經(jīng)歷如此長的使用周期難免會(huì)產(chǎn)生一定損傷，存在部分影響行車和旅客乘降安全的問題及隱患。為了保障高鐵客站建筑鋼結(jié)構(gòu)的安全和管理維護(hù)需要，對(duì)鐵路站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行監(jiān)測是十分必要的[1-2]。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與挖掘越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3]。目前，對(duì)于大跨度、大體量鋼結(jié)構(gòu)的高鐵站臺(tái)，只有通過健康監(jiān)測系統(tǒng)的手段才能完成如此大量的鋼結(jié)構(gòu)檢測與監(jiān)測[4-6]，但如何管理集成其龐大的建筑信息數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)仍是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

工程建設(shè)行業(yè)自2002年引入BIM技術(shù)，就在美國、歐洲、日、韓、新加坡等國家得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，在我國基于BIM的工程項(xiàng)目管理研究與應(yīng)用受到了十分廣泛的關(guān)注[7]。BIM技術(shù)使得三維模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維圖紙，三維模型的構(gòu)件中包含有該構(gòu)件所有的屬性信息，若想查看其屬性只需要選擇某構(gòu)件即可。目前，越來越多的企業(yè)開始反思BIM應(yīng)用的技術(shù)路線，不應(yīng)該僅僅滿足三維模型的可視化，而是期望在同一項(xiàng)目中集成多方數(shù)據(jù)，以滿足不同參與方的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用的需求[8-9]?；镜腂IM模型只包含其基礎(chǔ)屬性信息，因此，主要以站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測問題為切入點(diǎn)，以數(shù)據(jù)集成，模型擴(kuò)展為研究主線，探索BIM模型的數(shù)據(jù)擴(kuò)展方法，為在BIM模型中集成多方數(shù)據(jù)提供了基本思路。

1 鐵路站臺(tái)雨棚的BIM模型總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 面向鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的BIM模型

BIM具有雙重含義，即建筑信息模型與建筑信息建模過程。BIM是以三維數(shù)字為基礎(chǔ)，通過制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10]，將不同專業(yè)的三維設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，形成完整的信息管理平臺(tái)，在各類建筑工程項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。

結(jié)構(gòu)健康信息監(jiān)測是建筑持續(xù)運(yùn)行的重要支撐條件之一，引入BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息系統(tǒng)的可視化、信息化、協(xié)同化。但基本的BIM模型只包含模型的幾何圖形、材質(zhì)、TimeLiner、變換等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以文件的形式存儲(chǔ)，基于研究需求，需將模型與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息相互聯(lián)系，對(duì)BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)展。以SQL Sever為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，從健康監(jiān)測信息的需求、概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)等角度對(duì)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過傳感器數(shù)據(jù)信息庫的信息為依據(jù)，采用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問體系實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中健康信息與BIM模型之間的數(shù)據(jù)交互，在基本的BIM模型上附加了基于數(shù)據(jù)庫的健康監(jiān)測信息，則擴(kuò)展后的BIM模型即為面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的BIM模型，如圖1所示。

圖1 面向鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息的BIM模型

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

依托于BIM平臺(tái)，通過對(duì)高鐵站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)變形及損傷敏感特征值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析、處理，評(píng)估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)[12-13]，構(gòu)建了基于BIM模型的及時(shí)、準(zhǔn)確的站臺(tái)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)層、功能層和應(yīng)用層3個(gè)層面，如圖2所示。

圖2 鐵路站臺(tái)雨棚健康監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層包含BIM模型數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，其中，BIM模型數(shù)據(jù)即站臺(tái)建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)為通過安放至站臺(tái)預(yù)設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的傳感器所反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括構(gòu)件應(yīng)變、變形、加速度、溫度、風(fēng)載荷、速度、振動(dòng)、支座反力及裂縫數(shù)據(jù)等。BIM模型數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)共同構(gòu)成面向健康監(jiān)測信息的BIM模型，與基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)形成交互，實(shí)現(xiàn)了站臺(tái)、人員等信息與模型數(shù)據(jù)相互聯(lián)系。

功能層為系統(tǒng)的功能模塊，分為數(shù)據(jù)分析與處理功能和健康評(píng)估功能。系統(tǒng)通過調(diào)取數(shù)據(jù)層中的模型健康監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的濾波去噪處理，減小因監(jiān)測過程中溫度、噪聲及電磁干擾等環(huán)境因素引起的測量誤差，并對(duì)固定結(jié)構(gòu)位置點(diǎn)降噪后的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(下文中出現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)均為降噪后的監(jiān)測數(shù)據(jù))，判斷固定結(jié)構(gòu)位置點(diǎn)不同類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該點(diǎn)健康狀況進(jìn)行評(píng)估。

應(yīng)用層為各類重要信息的一種集中體現(xiàn)，包含BIM模型瀏覽和預(yù)警顯示。BIM模型瀏覽通過Navisworks進(jìn)行模型輕量化，調(diào)用API封裝的類和函數(shù)，開發(fā)健康信息的可視化模塊。預(yù)警顯示通過功能層中健康評(píng)估后的反饋信息將預(yù)警信息進(jìn)行置頂，根據(jù)分級(jí)后預(yù)警信息以不同顏色標(biāo)注監(jiān)測位置點(diǎn)，并對(duì)預(yù)警的不同等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如：對(duì)預(yù)警位置的巡查、維護(hù)、加固等。同時(shí)將超限的位置點(diǎn)反饋到BIM模型中，標(biāo)紅該位置點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警的可視化。

2 一種擴(kuò)展的BIM模型

本文在研究過程中提出一種擴(kuò)展的BIM模型，旨在現(xiàn)有的BIM模型信息中以數(shù)據(jù)信息的唯一標(biāo)識(shí)作為依據(jù)，擴(kuò)展所需的數(shù)據(jù)信息。在具體項(xiàng)目中由于需要對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn)位的傳感器數(shù)據(jù)、監(jiān)測信息等進(jìn)行存儲(chǔ)和判斷，運(yùn)用擴(kuò)展的BIM模型，來存儲(chǔ)固定位置的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康信息的監(jiān)測。

擴(kuò)展的BIM模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過傳感器傳遞的數(shù)據(jù)信息，通過BIM模型的唯一標(biāo)識(shí)屬性GLOBALID和BIM模型的位置信息相互關(guān)聯(lián)，存儲(chǔ)在BIM模型相應(yīng)位置下，以GLOBALID為唯一標(biāo)識(shí)把監(jiān)測信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。用戶通過操作系統(tǒng)由BIM模型地址調(diào)用模型，并訪問數(shù)據(jù)庫獲得相應(yīng)的監(jiān)測信息。

圖3 基于BIM模型的擴(kuò)展模型結(jié)構(gòu)

擴(kuò)展的BIM模型包含各種集合，通過集合自身元素之間，集合與集合之間的相互映射關(guān)系達(dá)到所要求的目的。這種關(guān)系用如下的數(shù)學(xué)集合表達(dá)。

信息集：{{位置信息}，{傳感器信息}，{監(jiān)測信息}，{站臺(tái)信息}}。

BIM信息集：{{構(gòu)件}，{構(gòu)件屬性}，{構(gòu)件信息}}。

擴(kuò)展BIM模型信息集：{BIM信息集}∪{信息集}。

其中，{傳感器信息}→{位置信息}→{站臺(tái)信息}； {構(gòu)件屬性}∪{構(gòu)件信息}→{構(gòu)件}；{構(gòu)件} ?{傳感器信息}→{位置信息}。

因?yàn)?，{唯一標(biāo)識(shí)屬性}∈{構(gòu)件屬性}；{唯一標(biāo)識(shí)屬性}?{監(jiān)測信息}。

所以，最終得到，{構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)屬性}?{監(jiān)測信息}→{構(gòu)件}→{位置信息}。

2.1 BIM模型數(shù)據(jù)

對(duì)鐵路站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型進(jìn)行存儲(chǔ)處理，在這一階段BIM模型的建立包含有較多冗余信息，比如在設(shè)計(jì)階段一定會(huì)包含的全部鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型，大部分建筑的鋼結(jié)構(gòu)BIM模型在我們的數(shù)據(jù)處理方面和管理方面的意義不大[14]。而直接使用設(shè)計(jì)階段的完整的BIM模型成果反而會(huì)造成較大的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，影響使用效率，使得系統(tǒng)的使用效率低下。因此需要對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化的處理后存儲(chǔ)。

同時(shí)也需要考慮目前市場上的多款使用較為廣泛的主流BIM模型輕量化軟件。本文以Navisworks為主來對(duì)模型進(jìn)行輕量化后存儲(chǔ)。

(1)應(yīng)用Navisworks對(duì)完整的BIM模型進(jìn)行輕量化處理。

(2)所需的模型構(gòu)件需要確保具有唯一標(biāo)識(shí)，如圖4所示。

圖4 基于鐵路站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

輕量化后的模型采用文件存儲(chǔ)的形式，把模型文件存儲(chǔ)在服務(wù)器上，模型路徑存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過調(diào)用相對(duì)路徑來加載模型數(shù)據(jù)。

2.2 擴(kuò)展的BIM模型數(shù)據(jù)

應(yīng)用擴(kuò)展的BIM模型，通過BIM模型構(gòu)件的唯一標(biāo)識(shí)標(biāo)記和記錄當(dāng)前位置信息，并對(duì)該位置的傳感器類型和編號(hào)、監(jiān)測類型、監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)。不同的位置具有相應(yīng)的傳感器類型和監(jiān)測類型，通過擴(kuò)展BIM模型存儲(chǔ)固定位置的監(jiān)測信息。為了便于設(shè)備的運(yùn)維管理，對(duì)于鐵路站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)固定位置的監(jiān)測所用傳感器信息，通過上述的方法同樣應(yīng)用擴(kuò)展的BIM模型存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息于數(shù)據(jù)庫中，可直觀地查看到固定位置的傳感器信息[15-16]，如圖5所示。

圖5 擴(kuò)展的BIM模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用擴(kuò)展的BIM模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為項(xiàng)目所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、處理、預(yù)警、記錄等進(jìn)行一個(gè)整體整合，具體的實(shí)現(xiàn)通過相互之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)[17-19]。

3.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)，分為幾個(gè)主要功能模塊(圖6)。

(1)信息顯示模塊：該模塊為系統(tǒng)的主界面，顯示各類重要信息、待處理信息，包含有站臺(tái)信息、BIM模型信息、相應(yīng)的擴(kuò)展BIM模型下儲(chǔ)存的各類參數(shù)信息和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息等。

(2)系統(tǒng)設(shè)置模塊：包含權(quán)限設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置在內(nèi)的系統(tǒng)基礎(chǔ)功能等。

(3)數(shù)據(jù)分析模塊：主要對(duì)模型數(shù)據(jù)下所存儲(chǔ)的固定位置信息和監(jiān)測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和處理、直觀的以圖表形式體現(xiàn)。

(4)預(yù)警模塊：基于模型界面，通過數(shù)據(jù)處理對(duì)固定位置的監(jiān)測信息進(jìn)行超限預(yù)警，即超出安全界限的警示，并在模型中的相應(yīng)位置標(biāo)記顯示。

圖6 應(yīng)用擴(kuò)展的BIM模型系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

為達(dá)到監(jiān)測目的，通過相應(yīng)的鐵路站臺(tái)位置信息，查詢相關(guān)聯(lián)的BIM模型構(gòu)件的唯一標(biāo)識(shí)，得到該標(biāo)識(shí)下的監(jiān)測信息，接收監(jiān)測數(shù)據(jù)并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。判斷是否超限，對(duì)判斷后的信息進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示在系統(tǒng)界面，對(duì)超限信息報(bào)警并標(biāo)注在模型上(對(duì)超限數(shù)據(jù)在BIM模型中標(biāo)注顯示)。

流程如下。

Application start：

private void treeView1_AfterSelect(object sender， TreeViewEventArgs e)

{

string Address_Id=GetAddress ("Station_name");//獲得位置信息

string Id=GetID(Address_Id);//獲得擴(kuò)展BIM信息

foreach (int id in Model_Id)

{

if(id==Id)//匹配位置信息

{

GetMonitorData(Id);

if(JudgeOverRun(GetMonitorData(Id)))//判斷超限

{

DisplayAlarmData(Id);

SaveData(Id);

string Address=Output(InquireIdIsModelId(Id));

Color("BIM"，"Address"，red);

}

else{SaveData(Id);}

}

}

}

具體流程如圖7所示。

圖7 擴(kuò)展BIM模型健康監(jiān)測系統(tǒng)流程

4 基于BIM模型的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

作為針對(duì)鐵路站臺(tái)的健康檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型研究，系統(tǒng)軟件開發(fā)是本研究的重要部分。軟件系統(tǒng)主要包括上文提到的幾個(gè)緊密聯(lián)系的子模塊，針對(duì)鐵路站臺(tái)的特點(diǎn)，研究開發(fā)了本檢測系統(tǒng)。

以中國鐵路廣州局集團(tuán)三亞高鐵站為例，該站現(xiàn)為客運(yùn)二等站，站房雨棚面積東西長160 m，南北寬48 m，高27.2 m。采用Revit對(duì)三亞站雨棚進(jìn)行3D建筑模型建模，通過Navisworks分析該模型，得到輕量化后的站臺(tái)雨棚模型，通過調(diào)用Navisworks中的API，將模型加載到監(jiān)測軟件中[20]。根據(jù)三亞站臺(tái)位置節(jié)點(diǎn)信息，建筑模型輕量化之后加載成功的界面如圖8所示。

由于每個(gè)站臺(tái)雨棚監(jiān)測位置點(diǎn)數(shù)量眾多，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)也有不同類型的數(shù)據(jù)，如需達(dá)到對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行健康監(jiān)測的目的，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和顯示。根據(jù)模型上的監(jiān)測位置點(diǎn)，查詢位于數(shù)據(jù)庫的Address表中對(duì)應(yīng)的AddressID，通過AddressID查詢GlobalID表中對(duì)應(yīng)的NumID，即固定位置構(gòu)件的唯一標(biāo)識(shí)，通過NumID讀取AddressData表中相應(yīng)的監(jiān)測類型和監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在軟件界面右上角的傳感器數(shù)據(jù)表中。例如根據(jù)樹形節(jié)點(diǎn)上三亞站的固定位置A，查詢數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表中的各類數(shù)據(jù)，讀取和顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測到的有效數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖8 三亞站臺(tái)模型輕量化加載界面

圖9 讀取指定位置監(jiān)測信息界面

5 結(jié)論

BIM應(yīng)用于鐵路站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測是這一領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。從鐵路站臺(tái)雨棚的健康管理實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，基于.NET平臺(tái)，展開了對(duì)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)模型的擴(kuò)展研究，并在此模型研究的基礎(chǔ)之上自主開發(fā)了基于BIM模型的健康監(jiān)測系統(tǒng)。本研究的成果已在部分鐵路站臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用，在鐵路站臺(tái)雨棚的運(yùn)營和維護(hù)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，同時(shí)為BIM技術(shù)在鐵路站臺(tái)雨棚的建筑健康運(yùn)營維護(hù)管理中的進(jìn)一步應(yīng)用提供新的思路。