基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測方法

陶炳戊

摘 要：近些年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及土木工程領(lǐng)域理論與施工技術(shù)的完善，建筑結(jié)構(gòu)逐漸向超高層的方向不斷發(fā)展，我國先后施工完成了上海中心大廈、深圳平安金融中心等一大批超高層建筑結(jié)構(gòu)。大多數(shù)超高層建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究僅涉及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的短期現(xiàn)場測量。然而，復(fù)雜超高層建筑結(jié)構(gòu)的施工階段可能比使用階段更為關(guān)鍵，因?yàn)槭┕るA段的結(jié)構(gòu)配置和邊界條件與使用階段有顯著不同，施工階段的缺陷也會導(dǎo)致使用階段的額外應(yīng)力和永久變形。因此需要在施工階段中進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測，分析結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的受力以及變形，實(shí)時(shí)了解超高層建筑結(jié)構(gòu)施工過程的結(jié)構(gòu)特征，對施工過程中結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行安全評估。工程師通常手動評估這些結(jié)構(gòu)，但傳感器網(wǎng)絡(luò)可以自動評估結(jié)構(gòu)的完整性并定位損壞，這可以顯著降低成本，同時(shí)提高公共安全。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);超高層建筑;智能監(jiān)測

引言

目前基于BIM技術(shù)對建筑能耗監(jiān)測的理論和模型研究較多，針對分布式發(fā)電、天然氣多聯(lián)供、蓄熱鍋爐等多種供能設(shè)備，冷、熱、電等多種能源的系統(tǒng)，支持三維展現(xiàn)，為決策管理者提供參考。提供了更直觀地了解建筑及其周邊環(huán)境風(fēng)貌的條件，在沉浸式三維場景環(huán)境中，能實(shí)現(xiàn)建筑及其周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)互動。將項(xiàng)目的復(fù)雜性整體客觀地展示給管理者，利于及時(shí)掌握情況、客觀分析問題和正確處理決策。結(jié)合建筑基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)在實(shí)現(xiàn)三維展示的同時(shí)，能提供在三維可視化環(huán)境中的屬性信息查詢和空間分析。以已有的二維施工圖紙為參考基礎(chǔ)，利用BIM技術(shù)中門類齊全的專業(yè)應(yīng)用模塊，創(chuàng)建同時(shí)具備幾何圖形屬性和工程專業(yè)信息屬性的三維信息模型;然后以統(tǒng)一的可視化圖形環(huán)境，針對建筑建設(shè)項(xiàng)目的各類需求，形成了智能聯(lián)動的系統(tǒng)性技術(shù)解決方案。這些理論成果有力促進(jìn)了BIM技術(shù)在建筑能耗監(jiān)測方面的發(fā)展，而理論研究成果亟待現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

1多源監(jiān)測信息分類

超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測涉及多個渠道信息，包括結(jié)構(gòu)化信息和非結(jié)構(gòu)化信息，呈現(xiàn)出信息量大、管理難度較大等特點(diǎn)。其中結(jié)構(gòu)化信息指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)模型下，通過有限元分析得到的結(jié)構(gòu)安全信息，可為結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提供理論依據(jù)。非結(jié)構(gòu)化信息指結(jié)構(gòu)的安全響應(yīng)信息，是通過多種類型結(jié)構(gòu)傳感器實(shí)際監(jiān)測獲取到的結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)響應(yīng)信息。結(jié)構(gòu)BIM模型可以提供時(shí)間維度信息和幾何位置關(guān)系信息，為結(jié)構(gòu)監(jiān)測過程中提供三維可視化的指導(dǎo)。多源信息各自獨(dú)立工作，會造成信息的丟失和溝通不暢。而將結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息進(jìn)行融合，同時(shí)發(fā)揮BIM平臺的信息共享、實(shí)時(shí)可視化等特性，實(shí)現(xiàn)基于BIM的對超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)獲取、大數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)評估和智能預(yù)警決策，提升超高層建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息化和智能化水平。

2 BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用的現(xiàn)狀

BIM技術(shù)的核心在于將信息貫穿于建筑全部的生命周期中，通過將建筑物前期建筑施工建造與后期的維護(hù)管理結(jié)合起來，搭載三維模型，可以將建筑施工設(shè)計(jì)中所采集的數(shù)據(jù)上傳到云端數(shù)據(jù)庫，然后再將建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)上傳到BIM平臺上，能夠加快構(gòu)建一套建造期模型共用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.1 BIM技術(shù)在建筑能耗監(jiān)測中直觀可視化

試驗(yàn)研究方面，利用BIM模型和能源監(jiān)測軟件，可以全面監(jiān)測能源應(yīng)用狀況。實(shí)時(shí)顯示能源監(jiān)測設(shè)備狀態(tài);生成按時(shí)間、按線路、按建筑的不同能源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);能源監(jiān)測超閾值報(bào)警。依據(jù)工程項(xiàng)目可視化、可追溯、可預(yù)警并可實(shí)時(shí)聯(lián)動的平臺建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在三維模型下，呈現(xiàn)工程項(xiàng)目建筑物及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括消防等給排水管道、電氣線路、燃?xì)夤芫W(wǎng)、安防設(shè)備和各類生產(chǎn)和輔助設(shè)備設(shè)施，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道、電路、燃?xì)獾冗\(yùn)行數(shù)據(jù)，反映各類設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)和基礎(chǔ)參數(shù)，對全生命周期進(jìn)行跟蹤。值得注意的是，以上BIM技術(shù)的理論研究及能耗監(jiān)測現(xiàn)場試驗(yàn)均未對能耗數(shù)據(jù)聯(lián)動和模型變動提示的功能特征進(jìn)行分析研究，而數(shù)據(jù)模型變動和數(shù)據(jù)聯(lián)動在復(fù)雜大型建筑中的適用性是分析和指導(dǎo)工程實(shí)踐的重要內(nèi)容。本文在使用高清相機(jī)、三維激光掃描儀、CAD圖紙進(jìn)行模型數(shù)據(jù)采集，VTK及3DMAX建模，Unity3D和JAVA進(jìn)行功能開發(fā)，開展了內(nèi)蒙古建設(shè)大廈暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗監(jiān)測可視化現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了BIM技術(shù)在建筑能耗監(jiān)測中的應(yīng)用，總結(jié)分析了多種建筑模型數(shù)據(jù)采集和建模方式下屬性數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)聯(lián)動的特性為實(shí)際工程中能耗監(jiān)測可視化提供一定的參考。

2.2建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息管理

隨著大型建筑結(jié)構(gòu)的增多，城市中的高層建筑也在增加，導(dǎo)致人們之間的緊張關(guān)系。因此，更好地監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)的健康尤為重要。更大的系統(tǒng)監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)可以基于傳感器收集數(shù)據(jù)信號，從而不斷提高數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的效率。當(dāng)今的大型體系結(jié)構(gòu)非常數(shù)據(jù)密集型，數(shù)據(jù)庫已無法滿足大型建筑結(jié)構(gòu)的需求。因此，為了改進(jìn)大型數(shù)據(jù)庫的建立和開發(fā)，應(yīng)建立結(jié)構(gòu)化健康監(jiān)測數(shù)據(jù)管理開發(fā)平臺。通過高效處理建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的收集、存儲、查詢和預(yù)警?；贐IM技術(shù)的智能醫(yī)療保健監(jiān)控通過多核學(xué)習(xí)和遷移，通過收集建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息并對現(xiàn)場監(jiān)控的視頻、圖像等進(jìn)行分類，提高了建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控的效率。建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不僅整合了建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測和例行檢查等信息，而且及時(shí)監(jiān)測了建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、氣候條件、材料性能等特點(diǎn)，構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)壽命的個性化深入學(xué)習(xí)策略。

3基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測方法

本研究提出了一個基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測方法。在此方法下，BIM模型是由工程師在施工過程中開發(fā)，而傳感器包含在BIM模型中。將BIM模型導(dǎo)入到平臺中，從而在平臺上實(shí)現(xiàn)建筑物模型和傳感器模型的3D可視化。此外，傳感器采集的結(jié)構(gòu)信息被傳輸?shù)狡脚_上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息的可視化。然后平臺的處理模塊對收集到的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行處理，得出結(jié)構(gòu)診斷結(jié)果并在平臺中顯示，用于維護(hù)和決策。首先，施工過程中的結(jié)構(gòu)信息，由傳感器收集，并發(fā)送至監(jiān)測平臺。其次，平臺對收集的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行處理和結(jié)構(gòu)分析。然后，如果沒有發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，技術(shù)人員通過安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器持續(xù)收集結(jié)構(gòu)信息。但是，如果平臺根據(jù)分析確定了結(jié)構(gòu)故障的可能性，則有問題的部件將在平臺BIM模型中突出顯示，以供進(jìn)一步調(diào)查或調(diào)整。同時(shí)，結(jié)構(gòu)性能的警告和詳細(xì)信息將通過平臺向管理人員預(yù)警。最后，在與結(jié)構(gòu)性能相關(guān)信息的幫助下，管理人員能夠采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q問題，從而防止出現(xiàn)危險(xiǎn)事故。通過這種方式，可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)實(shí)際性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

結(jié)束語

BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅擴(kuò)展了健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能，而且提高了建筑損傷檢測的效率。尤其是對于大型、大型、多樣的建筑結(jié)構(gòu)，BIM技術(shù)的使用方便了建筑結(jié)構(gòu)信息的整合，實(shí)時(shí)掌握了系統(tǒng)的動態(tài)信息，改進(jìn)了建筑結(jié)構(gòu)的監(jiān)控和管理。同時(shí)，有關(guān)機(jī)構(gòu)必須加快培養(yǎng)高素質(zhì)BIM技術(shù)人員，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)狀況監(jiān)測，有效地將BIM技術(shù)納入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

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