基于BIM技術(shù)的地鐵站深基坑開挖三維可視化應(yīng)用

王 亮， 蕭 雨， 杜玉鵬， 王檔良， 高 岳

(1. 中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州 221116)

1 引言

目前，基坑監(jiān)測信息化管理需求日益增多。將BIM技術(shù)引入基坑工程監(jiān)測工作，可以解決以往在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測過程中不能直觀表現(xiàn)其變形情況和變形趨勢的缺點(diǎn)。已有文獻(xiàn)將基坑的幾何尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境等數(shù)據(jù)建立BIM模型，利用服務(wù)器進(jìn)行多賬號登陸以方便業(yè)主管理人員、設(shè)計(jì)人員、施工人員等查看基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況。隨著BIM管理信息化的逐步擴(kuò)展，參建人員不用再翻閱紙質(zhì)資料，依靠智能手機(jī)就可以在現(xiàn)場查看到所有監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)并實(shí)時了解整個基坑情況。信息技術(shù)為常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)提升了效率。

本文嘗試將各類監(jiān)測點(diǎn)與BIM模型相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，將結(jié)果用4D技術(shù)(三維模型+時間軸)+變形色譜云圖的表現(xiàn)方式呈現(xiàn)出來。

2 工程概況

九里山站位于中山北路與荊馬河南路交叉路口西北角，荊馬河以北江蘇恩華藥業(yè)股份有限公司拆遷地塊內(nèi)，車站臨中山北路南北向敷設(shè)。九里山站為11 m站臺地下二層島式車站，車站長度206 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.7 m，站臺中心里程處底板埋深約16.27 m，屬于深基坑。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料、現(xiàn)場調(diào)查及引用資料分析，場地水文地質(zhì)條件一般。地下水類型分為填土中的潛水、第四系土層中的孔隙水及基巖裂隙水，第四系地下水混合水位埋深約1.10～3.60 m，水位標(biāo)高30.88～32.93 m，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，潛水水位變化幅度約為1.5 m。場地范圍內(nèi)主要揭露第四系、寒武系地層，研究區(qū)從上到下的地層見表1。

表1 研究區(qū)綜合地層特征

本基坑采用圍護(hù)樁+鋼支撐支護(hù)形式，圍護(hù)樁采用Φ1000@800套管咬合樁。車站標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)置三道支撐、北端頭井設(shè)置四道支撐、南端頭井設(shè)置四道支撐+一道換撐，首道支撐采用砼支撐，支撐間距約8.75 m，其余各道支撐采用直徑為Φ800 mm、壁厚16 mm鋼支撐，水平間距約3.5 m，鋼支撐豎向間距5.5～6.1 m。

3 深基坑施工的BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 九里山站基坑模型的建立

據(jù)文獻(xiàn)顯示，BIM概念在2002年提出，此后開發(fā)出多種三維建模軟件。其中，Revit系列軟件具有良好的通用性成為行業(yè)共識BIM軟件。該軟件中包含建筑、結(jié)構(gòu)、電氣三個專業(yè)系列，可以直觀地表現(xiàn)設(shè)計(jì)師意圖并三維顯示。本文使用Revit軟件完成九里山站基坑支護(hù)，如圖1所示。基坑周邊環(huán)境模型效果圖如圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)三維視圖

圖2 基坑及周邊環(huán)境的三維視圖

3.2 地層模型的建立

本文中地層模型是采用3DMAX軟件建立的。該軟件具有良好的通用性，目前在電影電視后期特效制作、游戲引擎、建筑設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。3DMAX同時可以與同公司其他產(chǎn)品進(jìn)行無縫鏈接、數(shù)據(jù)整合。該深基坑地層模型效果圖如圖3所示。

圖3 地層的三維視圖

3.3 地層模型與基坑模型的融合

BIM技術(shù)的主要特點(diǎn)是可以把不同的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過計(jì)算機(jī)可視化使得數(shù)據(jù)顯示更加貼近實(shí)際。BIM模型的主要優(yōu)勢是進(jìn)行碰撞模擬，及時發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的不足。通過建模軟件的布爾運(yùn)算，得到基坑與地層模型融合模型，如圖4所示。

圖4 基坑模型與地層模型的融合效果圖

4 基于BIM技術(shù)的基坑工程信息化施工管理

4.1 BIM全生命周期管理

工程項(xiàng)目的全生命周期是指規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)、拆除，其管理需要數(shù)據(jù)歸一。實(shí)際上，工程項(xiàng)目涉及建設(shè)、施工等眾多單位，具有施工周期長、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。因而，采用BIM技術(shù)進(jìn)行全生命周期管理具有優(yōu)勢，建筑信息全生命周期管理概念如圖5所示。

圖5 建筑信息全生命周期管理概念圖

4.2 基坑工程信息化施工管理

以九里山站基坑工程為依托工程，根據(jù)地質(zhì)資料、周邊環(huán)境以及設(shè)計(jì)方案，完成了BIM模型的創(chuàng)建。建立BIM模型是可視化管理的第一步，然后基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用BIM管理平臺對基坑施工進(jìn)行信息化管理，平臺的功能見圖6。

圖6 基坑工程施工信息化管理模式圖

4.2.1 基于“全球眼”的安全監(jiān)控

“全球眼”網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)的主要目的是進(jìn)行安全監(jiān)測。目前，該技術(shù)已在建設(shè)工程行業(yè)逐漸推廣，能夠確保對工地現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，統(tǒng)一管理。

將全球眼應(yīng)用到BIM平臺是一項(xiàng)嶄新的應(yīng)用，將“全球眼”遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與BIM系統(tǒng)進(jìn)行對接。該方案的優(yōu)勢是監(jiān)控視頻不需要單獨(dú)查看，管理者在使用平臺進(jìn)行管理時可以隨時調(diào)用視頻。傳統(tǒng)工程項(xiàng)目中，面對場地大、人員進(jìn)出情況復(fù)雜、工程周期較長等情況，項(xiàng)目管理人員不可能實(shí)時入場進(jìn)行檢查，因而不能有效掌握工程現(xiàn)場的情況。然而，通過“全球眼”網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，管理人員可以實(shí)時觀察現(xiàn)場安全情況。

九里山站基坑工程施工過程中，主要對出入口、東區(qū)、西區(qū)和中區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，將“全球眼”網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控與BIM管理系統(tǒng)進(jìn)行融合，圖7為2018年5月21日下午兩點(diǎn)51分對西區(qū)的監(jiān)控視頻直播畫面。

圖7 “全球眼”監(jiān)控視頻畫面

4.2.2 基于BIM進(jìn)度管理

BIM系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是進(jìn)行項(xiàng)目的進(jìn)度管理。從人機(jī)料等角度綜合分析，擺脫了傳統(tǒng)進(jìn)度管理的束縛。本項(xiàng)目的進(jìn)度管理系統(tǒng)如圖8所示，圖中左側(cè)是任務(wù)名稱以及開始和結(jié)束時間，每個任務(wù)都鏈接了BIM模型，可以實(shí)時顯示施工進(jìn)度，查看完成情況。在狀態(tài)一欄，也可以對施工進(jìn)度做出及時的評價，以便及時做出調(diào)整。右側(cè)是導(dǎo)入project的橫道圖，可以更直觀地表達(dá)進(jìn)度編制情況，對整條線路關(guān)鍵控制點(diǎn)計(jì)劃制定、執(zhí)行、變更等情況做到全過程把控。通過云平臺，項(xiàng)目所有管理人員依照權(quán)限可以查看三維模型、結(jié)合進(jìn)度說明及橫道圖，可以實(shí)時了解現(xiàn)場已經(jīng)完成的工作和后續(xù)工作，因此提高了整個建筑生命周期的效率。

圖8 九里山站進(jìn)度管理圖

4.2.3 基于BIM成本管理

BIM系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是成本管理。本深基坑BIM建模過程中將常用構(gòu)件的材料、型號、尺寸、進(jìn)場價格錄入數(shù)據(jù)庫。程序可通過查詢數(shù)據(jù)庫信息獲得這些常用構(gòu)件的屬性，并自動統(tǒng)計(jì)工程量和價格。

實(shí)際上，施工過程中會出現(xiàn)多種意外情況，如設(shè)計(jì)錯誤導(dǎo)致的使用量變化、或者市場價格劇烈波動導(dǎo)致的項(xiàng)目成本發(fā)生改變。上述情況時有發(fā)生，導(dǎo)致項(xiàng)目成本不能及時和準(zhǔn)確更新，常常造成成本失控。

BIM系統(tǒng)可以快速地計(jì)算出變更的工程量和變更之后的價格。如樁基施工中進(jìn)行的變更，包括材質(zhì)、尺寸、數(shù)量發(fā)生變化時，權(quán)限所有者只需要修改BIM模型，樁基的明細(xì)表進(jìn)行相應(yīng)的重新計(jì)算，得到更新數(shù)據(jù)，從而達(dá)到成本實(shí)時可控。

4.2.4 基于BIM安全管理

監(jiān)理指令的落實(shí)完成是保證項(xiàng)目質(zhì)量的重中之重。傳統(tǒng)的項(xiàng)目施工過程是依靠施工作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)或習(xí)慣，通常施工技術(shù)交底采用二維平面布置圖。通過BIM技術(shù)，可以進(jìn)行虛擬施工，對施工方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。還可以通過可視化演示，對將會發(fā)生的事故的危險(xiǎn)指數(shù)、人員疏散的安全、應(yīng)急通道的開放、消防設(shè)施的齊全、應(yīng)急處理方式進(jìn)行判斷，從而使施工布置更為合理。圖9為本BIM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全管理模塊。

圖9 九里山站安全管理圖

圖9中顯示安全事件名稱、發(fā)起人、經(jīng)辦人、事件狀態(tài)，監(jiān)理提出安全問題后，只有現(xiàn)場負(fù)責(zé)人解決問題并且上傳照片證實(shí)后，此條安全事件才能消除，避免了很多安全問題的遺忘。

4.2.5 基于BIM監(jiān)測管理

監(jiān)測管理包括7個內(nèi)容：監(jiān)測預(yù)警、預(yù)警時間、監(jiān)測項(xiàng)目、預(yù)警設(shè)置、巡檢信息、風(fēng)險(xiǎn)管理、監(jiān)測報(bào)表等。采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)采集。本項(xiàng)目信息化監(jiān)測管理如圖10所示。

圖10 九里山站監(jiān)測管理圖

圖中BIM模型中顯示不同顏色的測點(diǎn)代表不一樣的監(jiān)測項(xiàng)目，監(jiān)測人員在模型中導(dǎo)入每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果點(diǎn)擊其中一個測點(diǎn)，在右側(cè)會顯示具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及累計(jì)變化量的曲線。除了可以對測點(diǎn)的監(jiān)測情況進(jìn)行直觀查看，有問題的測點(diǎn)都會以圖中感嘆號的標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)注，方便定位危險(xiǎn)位置。另外，在擁有前期數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以利用擬合公式對基坑變形的歷史進(jìn)行模擬，以此來預(yù)測未來一段時間內(nèi)的基坑變形趨勢。同時，還可以根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)確定是否立即啟動應(yīng)急預(yù)案。實(shí)際工程中，還可以依靠其他監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)據(jù)輔助專業(yè)人員找出影響基坑變形的主要原因，例如地下水位的變化，周邊建筑物及道路的沉降，管線的變形情況等，以避免基坑工程事故的發(fā)生。

5 BIM技術(shù)在九里山站基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

5.1 BIM技術(shù)在基坑監(jiān)測應(yīng)用中的思路

根據(jù)上述技術(shù)方法，在本地鐵站深基坑工程中利用BIM技術(shù)的參數(shù)化建模優(yōu)勢，可以建立三維可視化模型。同時，以規(guī)范要求的工程監(jiān)控位置與頻率，建立基坑BIM模型和監(jiān)測點(diǎn)專用族庫。通過在監(jiān)測點(diǎn)族上添加參數(shù)信息將工程變形的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行融合。

已有文獻(xiàn)報(bào)道可以利用4D技術(shù)即在3DBIM模型中添加時間軸來實(shí)現(xiàn)基坑模型的實(shí)時監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)的色彩變化模擬實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測的預(yù)警功能，對基坑工程的智能監(jiān)控以及信息化施工起到推動作用。

5.2 基于BIM管理平臺的監(jiān)測管理

九里山站基坑監(jiān)測BIM模型建立完成后，再導(dǎo)入BIM信息管理平臺中進(jìn)行監(jiān)測管理融合。首先在Revit軟件中對BIM模型進(jìn)行減模處理，需要將rvt格式的模型轉(zhuǎn)換成BIM平臺可以識別的tzpm格式的模型。其次，將不同的測點(diǎn)項(xiàng)目賦值不同的顏色，方便管理人員識別。

監(jiān)測模型導(dǎo)入后，需要根據(jù)預(yù)警算法優(yōu)先設(shè)置預(yù)警值。BIM系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測融合如圖11所示，存在變形過大的測點(diǎn)會以圖中感嘆號的標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)注，而顏色就代表不同的預(yù)警程度，從而可以快速找到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)位置，對變形危險(xiǎn)位置重點(diǎn)觀測。預(yù)警值設(shè)置如圖12所示。

圖11 BIM平臺中顯示的監(jiān)測模型圖

圖12 預(yù)警值設(shè)置圖

在平時的監(jiān)測工作中，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時輸入平臺中，方便在平臺模型中查看?？梢圆榭慈我鉁y點(diǎn)對應(yīng)時間段的本次變化量、累積變化量、變化速率、累積變化曲線以及與預(yù)警值之間的距離。以樁頂部豎向位移測點(diǎn)編號Z0001-01為例，見圖13和圖14。

圖13 監(jiān)測點(diǎn)變化量以及變換速率圖

圖14 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化曲線圖

5.3 基于BIM平臺的危險(xiǎn)監(jiān)測點(diǎn)分析

對于監(jiān)測數(shù)據(jù)量測的主要目的還包括變化趨勢分析及預(yù)警。由于系統(tǒng)中對于存在變形過大等問題的測點(diǎn)會以感嘆號的標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)注，而顏色就代表不同的預(yù)警程度，從而可以快速找到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)位置，對變形危險(xiǎn)位置重點(diǎn)觀測。在九里山站基坑工程監(jiān)測工作中，以樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)T0001-01為例。樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)T0001-01的數(shù)據(jù)變化曲線如圖15所示，監(jiān)測點(diǎn)顯示黃色，表示達(dá)到黃色預(yù)警值20 mm，對此監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，并利用數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行預(yù)測，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

圖15 樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)T0001-01的數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖16 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖16表示樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)T0001-01的模擬預(yù)測圖。可以認(rèn)為隨著基坑不斷開挖，樁頂水平位移逐漸增加到18 mm，然后減少到12 mm，經(jīng)過穩(wěn)定狀態(tài)后，又增加到16 mm進(jìn)而呈穩(wěn)定趨勢。在本BIM平臺顯示該監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)是在黃色預(yù)警值20 mm左右浮動。從數(shù)值模型計(jì)算的模擬曲線來看，該監(jiān)測點(diǎn)不會達(dá)到紅色預(yù)警值。

6 結(jié)論

以徐州地鐵2號線03標(biāo)九里山站基坑和奔騰大道站基坑工程項(xiàng)目為背景，基于Revit軟件的二次開發(fā)平臺，3DMAX技術(shù)、融合基坑監(jiān)測技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了九里山站基坑工程開挖的三維可視化顯示及BIM信息化管理系統(tǒng)，對BIM在基坑工程領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了探索。同時本文在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了數(shù)值模擬技術(shù)，完成了九里山站基坑的三維數(shù)值計(jì)算模型，對基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時計(jì)算與評估，為基坑工程的安全開挖提供了技術(shù)保障。同時介紹了奔騰大道車站基坑在BIM平臺監(jiān)測管理中的應(yīng)用，主要成果如下：

(1)基于BIM技術(shù)的基坑開挖三維可視化應(yīng)用。主要根據(jù)地質(zhì)資料和周邊環(huán)境，使用Revit和3DMAX軟件完成三維地質(zhì)和基坑支護(hù)的模型創(chuàng)建和整合。

(2)基于BIM技術(shù)的基坑信息化施工管理系統(tǒng)。將BIM模型導(dǎo)入BIM系統(tǒng)平臺中，進(jìn)行可視化管理，包括進(jìn)度管理、安全管理、成本管理和監(jiān)測管理等。

(3)基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測數(shù)值模擬。在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了數(shù)值計(jì)算，可以根據(jù)模擬結(jié)果評估基坑的穩(wěn)定性，預(yù)測基坑變形發(fā)展趨勢。

(4)在BIM平臺監(jiān)測管理中對危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)觀測和模擬預(yù)測相結(jié)合的方式，使監(jiān)測工作更加安全嚴(yán)謹(jǐn)。