基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結構智能監(jiān)測方法

劉占省， 袁 超， 王宇波， 張安山， 史國梁

(1.北京工業(yè)大學城市建設學部， 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

近些年，隨著經(jīng)濟的發(fā)展以及土木工程領域理論與施工技術的完善，建筑結構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構.大多數(shù)超高層建筑結構的相關研究僅涉及結構響應的短期現(xiàn)場測量.然而，復雜超高層建筑結構的施工階段可能比使用階段更為關鍵，因為施工階段的結構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致使用階段的額外應力和永久變形[1-2].因此需要在施工階段中進行結構監(jiān)測，分析結構關鍵位置的受力以及變形，實時了解超高層建筑結構施工過程的結構特征，對施工過程中結構狀態(tài)進行安全評估[3].工程師通常手動評估這些結構，但傳感器網(wǎng)絡可以自動評估結構的完整性并定位損壞，這可以顯著降低成本，同時提高公共安全[4].然而，在評估結構的過程中，所有原始的和預處理的數(shù)據(jù)可能會累積大量信息[5]，這可能會導致評估結果不一致.

隨著建筑信息模型(building information modelling，BIM)技術的火熱發(fā)展，它已經(jīng)被應用在建筑施工[6]、安全疏散[7]、建筑抗震評估[8]、建筑標識系統(tǒng)優(yōu)化[9]、結構安全評估[10-11]等領域中.現(xiàn)如今，在結構監(jiān)測中如何應用BIM技術已是研究趨勢[12]，BIM是結構物理和功能特征的數(shù)字表示，它不僅是一種計算機輔助設計工具，也是一種面向?qū)ο蟮娜S建模和信息管理平臺，使各類工程人員能夠遠程無縫地在同一個項目上工作.Zhang等[13]提出了一個BIM集成服務平臺框架，可用于多個用戶的數(shù)據(jù)集成和模型信息提取.而Wang等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，在結構監(jiān)測中應用BIM可以提高監(jiān)測過程和決策的有效性.Del等[15]研究了BIM模型中數(shù)據(jù)與傳感器的表示，并得出結論，BIM模型和結構監(jiān)測數(shù)據(jù)的鏈接過程高度依賴于平臺，且需要定制界面.雖然BIM被期望作為管理與建筑項目相關的所有數(shù)據(jù)的動態(tài)工作臺，但是BIM和結構監(jiān)測過程之間缺乏鏈接，結構安全狀態(tài)的評估缺乏直觀性[16].現(xiàn)階段結構監(jiān)測過程中多源信息的融合方法、如何應用BIM技術指導結構監(jiān)測方案、施工模擬指導安裝傳感器以及結構監(jiān)測數(shù)據(jù)和診斷分析結果的3D可視化，在以前的研究中并沒有得到充分解決.

針對上述問題，本研究提出了一種基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結構智能監(jiān)測方法.該方法將結構監(jiān)測識別組件與BIM集成，對超高層建筑結構施工過程數(shù)據(jù)進行實時采集，并將結構監(jiān)測的多源數(shù)據(jù)信息進行融合，從而更好地對關鍵結構構件進行安全評估.本文利用結構有限元分析結果和施工模擬結果進行監(jiān)測方案的設計與優(yōu)化，搭建了一個基于BIM的超高層建筑結構智能監(jiān)測平臺框架，可以顯示完整的傳感器信息以及結構監(jiān)測的系統(tǒng)診斷結果.最后，通過對案例研究，驗證了所提出方法的可行性.

1 多源監(jiān)測信息分類

超高層建筑結構監(jiān)測涉及多個渠道信息，包括結構化信息和非結構化信息，主要信息如圖1所示，呈現(xiàn)出信息量大、管理難度較大等特點.其中結構化信息指結構在設計模型下，通過有限元分析得到的結構安全信息，可為結構監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提供理論依據(jù).非結構化信息指結構的安全響應信息，是通過多種類型結構傳感器實際監(jiān)測獲取到的結構實時狀態(tài)響應信息.結構BIM模型可以提供時間維度信息和幾何位置關系信息，為結構監(jiān)測過程中提供三維可視化的指導.多源信息各自獨立工作，會造成信息的丟失和溝通不暢.而將結構化和非結構化信息進行融合，同時發(fā)揮BIM平臺的信息共享、實時可視化等特性，實現(xiàn)基于BIM的對超高層建筑結構監(jiān)測信息的實時獲取、大數(shù)據(jù)分析、實時評估和智能預警決策，提升超高層建筑結構監(jiān)測信息化和智能化水平.

圖1 超高層建筑監(jiān)測信息分類Fig.1 Super tall building monitoring information classification

2 多源信息融合方法

2.1 BIM模型信息集成

2.1.1 構件的類型屬性和實例屬性

BIM模型中，項目是由各個圖元組成的，每個圖元相當于一個構件，構件的屬性分為類型屬性和實例屬性，類型屬性是具有相同類型元素的所有構件的公共屬性.構件的類型屬性用于確定相同類型的公共屬性構件，尤其包括構件截面定義、幾何參數(shù)和有關信息的識別.實例屬性決定每個構件的特定特性，包括約束、幾何圖形、構造、材質(zhì)、高度和尺寸信息.類型屬性和實例屬性提供了結構構件安全監(jiān)測的基本屬性，而添加類型屬性和實例屬性的方法是：運用Revit建立三維模型，在結構構件生成的過程中，調(diào)用類型屬性編輯器，打開編輯器，輸入類型屬性，為相同類型的構件添加公共信息，相同類型的構件可以共享和調(diào)用信息，以提高信息的使用效率.然后打開實例屬性編輯框并將實例屬性插入到相應的條目中，以匹配不同構件的特定信息.

2.1.2 構件的命名與編碼方法

為解決施工階段結構監(jiān)測中關鍵結構構件在BIM三維模型中的快速定位和識別問題，在結構安全預警時，快速確定結構異常構件的準確位置，本研究提出結構模型構件的命名和編碼方法：構件名稱- 定位編碼，即B- A.其中，構件名稱B即當前的模型構件所組成的實際工程實體構件的名稱；定位編碼A是用模型構件的軸網(wǎng)和標高信息構成，或者根據(jù)具體工程的特點，進行構件定位標識，確定構件的詳細位置.

2.2 傳感器拓展信息集成

傳感器的拓展信息集成是指在創(chuàng)建好的傳感器族模型的基礎上，增加相關的參數(shù)信息.可以用K1、K2，…Kn，這n個參數(shù)及其對應的參數(shù)值表示傳感器拓展信息.其中，K1、K2、K3是必不可缺少的3個參數(shù)，是由傳感器模型ID、族類型名稱和傳感器編號構成，如表1所示；K4、K5，…Kn是由具體項目確定的參數(shù)，如傳感器的量程、分辨率、精度和使用年限等參數(shù)，如表2所示.這些參數(shù)可用作參數(shù)指標，以檢查監(jiān)測過程中傳感器的正常運行.傳感器模型ID是為傳感器模型與實際結構監(jiān)測構件創(chuàng)建映射關系，可用于識別構件測點、確定傳感器位置及其安裝，并顯示安裝在構件監(jiān)測點的傳感器的結構響應信息.如結構在施工過程中可能出現(xiàn)的構件水平和豎向偏移即(ΔX，ΔY，ΔZ)，表示為

F外框柱(ID，x，y，z，t，σ，ε)→F外框柱(ID，x，y，z，t，σ，ε)

(1)

F鋼板墻(ID，x，y，z，t，σ，ε)→F鋼板墻(ID，x，y，z，t，σ，ε)

(2)

表1 傳感器拓展信息示例A

表2 傳感器拓展信息示例B

2.3 結構安全信息集成

結構有限元信息是指通過有限元分析軟件分析得到的可以反映超高層建筑在施工階段和運營階段下結構的受力和變形信息.而結構安全信息的文件類型包括施工過程中有限元模型的分析報告、實際傳感器安裝位置和線路排布圖等信息，反映結構在施工階段和使用階段的安全性態(tài).結構安全信息是包含文本、圖片和視頻等多類型格式的文件，所以結構安全信息的集成就是基于有限元信息中的結構ID編號與結構監(jiān)測構件ID編號和結構BIM幾何信息相對應，將文本、圖片、視頻等類型格式的信息集成到平臺中.監(jiān)測平臺通過結構構件信息中的ID編號，實現(xiàn)安全信息關聯(lián)到結構構件，從而使結構施工過程中產(chǎn)生的多類型結構安全信息都能夠與平臺中結構模型構件相關聯(lián).

超高層建筑施工過程中監(jiān)測信息源復雜多樣，主要包含結構BIM模型信息、傳感器拓展信息和結構安全信息.本研究通過運用基于ID對應關系的方法，實現(xiàn)三者在同一平臺的相互融合和映射.

3 基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結構智能監(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構智能監(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模型導入到平臺中，從而在平臺上實現(xiàn)建筑物模型和傳感器模型的3D可視化.此外，傳感器采集的結構信息被傳輸?shù)狡脚_上，實現(xiàn)結構監(jiān)測信息的可視化.然后平臺的處理模塊對收集到的結構信息進行處理，得出結構診斷結果并在平臺中顯示，用于維護和決策.其中監(jiān)測具體過程如圖2所示.

圖2 結構監(jiān)測流程Fig.2 Structural monitoring process

首先，施工過程中的結構信息，由傳感器收集，并發(fā)送至監(jiān)測平臺.其次，平臺對收集的結構信息進行處理和結構分析.然后，如果沒有發(fā)現(xiàn)潛在的危險，技術人員通過安裝在結構上的傳感器持續(xù)收集結構信息.但是，如果平臺根據(jù)分析確定了結構故障的可能性，則有問題的部件將在平臺BIM模型中突出顯示，以供進一步調(diào)查或調(diào)整.同時，結構性能的警告和詳細信息將通過平臺向管理人員預警.最后，在與結構性能相關信息的幫助下，管理人員能夠采取適當?shù)拇胧﹣斫鉀Q問題，從而防止出現(xiàn)危險事故.通過這種方式，可實現(xiàn)對結構實際性能的實時監(jiān)控.

4 案例分析

4.1 工程概況

海口塔項目總建筑面積390 057.70 m2，其中地上277 806.70 m2，地下112 251.00 m2.地上塔樓264 213.40 m2，西配樓7 168.50 m2，東配樓6 424.80 m2.塔樓94層，建筑高度428.00 m，結構屋面高度402.80 m，結構立面圖如圖3所示，建成后，將是海南省地標建筑、?？谑形磥淼某鞘行蜗竺?

圖3 結構立面Fig.3 Structural elevation

4.2 智能監(jiān)測平臺框架

根據(jù)超高層建筑結構智能監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求以及設計原則，基于Revit模型和B/S架構，利用WebGL技術，進行了超高層建筑結構智能監(jiān)測平臺整體架構設計，從邏輯上將系統(tǒng)框架分為采集層、數(shù)據(jù)層、平臺層及應用層，如圖4所示.

圖4 平臺總體架構Fig.4 System architecture

1) 采集層是指對結構監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)進行采集，主要有結構反應監(jiān)測數(shù)據(jù)、結構荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)、結構沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和材料性能監(jiān)測數(shù)據(jù)等.數(shù)據(jù)主要通過傳感器自動收集，也可通過人工進行錄入.

2) 數(shù)據(jù)層則是在基礎數(shù)據(jù)的基礎上，對各類數(shù)據(jù)進行分類管理.主要有BIM模型數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)等.

3) 平臺層主要包括BIM模型子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及有限元模型子系統(tǒng).數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)可對傳感器收集得的結構信息進行處理，得出結構診斷結果.

4) 應用層主要包括系統(tǒng)管理、信息錄入、可視化展示和數(shù)據(jù)管理四大模塊.系統(tǒng)管理模塊是對用戶和系統(tǒng)進行管理；信息錄入模塊是對系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)進行采集；可視化展示模塊是展示系統(tǒng)各類信息，并利用傳感器收集的信息實時更新界面，界面呈現(xiàn)如圖5所示；數(shù)據(jù)管理模塊是對采集到的各類信息和分析結果進行查看和管理.

圖5 監(jiān)測平臺Fig.5 Monitoring platform

4.3 基于BIM的信息可視化展示

在數(shù)據(jù)傳輸方面，本研究運用LoRa技術，利用LoRa技術大容量的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)將大量的傳感器與LoRa網(wǎng)關相連接.傳感器把結構監(jiān)測信息利用LoRa技術通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到平臺，在平臺中實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的記錄和統(tǒng)計,如圖6所示.

圖6 平臺數(shù)據(jù)采集及信息可視化Fig.6 Platform data acquisition and information visualization

圖7 基于BIM的超高層建筑結構監(jiān)測方案流程Fig.7 BIM-based process of structural health monitoring for super tall building

另外，本研究將BIM模型生成為IFC格式的文件，將其在JavaScript環(huán)境下解析讀取，實現(xiàn)輕量化，再利用WebGL技術把BIM模型搭載在平臺上,并把結構安全信息通過ID映射的關系搭載在BIM模型中.工程師運用BIM技術制定超高層建筑結構監(jiān)測方案，如圖7所示.

4.4 有限元模型建立

項目直接在Revit平臺上建立模型，在MIDAS軟件插件的輔助下，完成結構有限元模型的搭建，實現(xiàn)兩種模型的轉(zhuǎn)換，如圖8所示.

圖8 模型導入Fig.8 Model import

4.5 施工模擬

4.5.1 BIM4D施工計劃

根據(jù)超高層BIM施工模型，用Microsoft Project 編制施工進度計劃，運用Navisworks 軟件將BIM 3D施工模型和施工進度信息關聯(lián)，最終形成BIM 4D施工模型，如圖9所示，可直觀、準確地在平臺顯示超高層建筑結構施工計劃.

圖9 BIM4D施工計劃Fig.9 BIM4D construction plan

4.5.2 施工模擬分析

超高層建筑在施工階段中經(jīng)受荷載、風載、偶然荷載等因素的影響容易發(fā)生位移形變，而位移變形是超高層建筑施工過程監(jiān)測的關鍵.在考慮可行性的前提下，其測點布設原則為：測點應盡量選擇變形較大、反應敏感的部位布設，所以在依據(jù)BIM模型完成結構監(jiān)測點初步選取后，用MIDAS軟件進行有限元分析，得出在溫度、臺風等荷載作用下的結構變形情況，如圖10～12所示，根據(jù)分析結果，完成傳感器位置優(yōu)化，如圖13所示.

圖10 溫度作用下結構水平位移Fig.10 Horizontal displacement of structure under the action of temperature

圖11 臺風作用下結構水平位移(mm)Fig.11 Horizontal displacement of structure under the action of typhoon

圖12 腰桁架變形分析圖Fig.12 Deformation analysis diagram of bell truss

圖13 優(yōu)化后監(jiān)測方案Fig.13 Optimized monitoring scheme

框架柱施工模擬與一次加載的計算結果如圖14所示.通過對結構進行施工模擬，發(fā)現(xiàn)框架柱的變形沿結構高度顯示出魚腹狀變化趨勢，豎向位移的最大值出現(xiàn)在結構的中部樓層，豎向變形峰值為21.36 mm左右，而按一次加載分析時，框架柱的豎向位移沿結構高度(或樓層)不斷增大，最大變形發(fā)生在結構的頂層，豎向位移峰值為15.49 mm左右.主要原因是由于施工模擬計算時考慮了施工過程對樓層標高的補償即施工找平，因此框架柱的豎向變形呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的規(guī)律，而一次加載模式未能考慮實際施工中荷載分層施加的影響，不能準確反映結構實際的豎向變形情況，無法對施工過程提供指導.

圖14 框架柱一次加載和施工模擬豎向變形Fig.14 Vertical cumulative deformation of frame column under once loading and construction simulation of deformation

4.6 監(jiān)測線路可視化預排布

二維圖紙中排布監(jiān)測線路不立體、不直觀，如圖15所示，很容易在施工中對線路造成破壞.運用BIM技術可對監(jiān)測儀器以及監(jiān)測線路進行提前布設，通過相關三維建模軟件建立監(jiān)測儀器以及監(jiān)測線路的實體模型，并且嵌入到上述BIM模型中，重點是對監(jiān)測線路的布設進行提前安排，如圖16所示.施工時依據(jù)BIM模型進行監(jiān)測線路的排布.

圖15 二維圖紙監(jiān)測線路排布Fig.15 Drawings monitoring line arrangement

圖16 BIM模型中監(jiān)測線路預排布Fig.16 Pre-arrangement of monitoring lines in BIM model

5 結論

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、建筑信息化的發(fā)展，越來越多的新興技術被運用到建筑行業(yè)中，BIM技術和監(jiān)測傳感器相融合，可解決現(xiàn)階段超高層建筑結構監(jiān)測過程中遇到的諸多問題.本研究基于這個大前提，將BIM技術與超高層建筑結構監(jiān)測相結合，研究結構監(jiān)測過程中多源信息的融合方法，搭建基于BIM的考慮多源信息的超高層建筑結構智能監(jiān)測平臺框架，最后結合具體案例，為超高層監(jiān)測建筑結構提供新思路.主要得到以下結論：

1) 超高層建筑監(jiān)測過程中常見的信息源主要包含結構BIM模型信息、傳感器拓展信息和結構安全信息，運用基于ID對應關系的方法，實現(xiàn)三者在同一平臺的相互融合和映射.

2) 直接利用Revit模型完成結構有限元模型的搭建，研究了BIM模型和有限元模型轉(zhuǎn)換的機制，并運用MIDAS軟件進行了結構有限元分析.

3) 通過實際案例分析，提出在超高層建筑監(jiān)測過程中運用BIM技術的方法，可以減少因人為因素導致的監(jiān)測線路和傳感器損壞等情況的發(fā)生.而基于BIM的結構監(jiān)測平臺可將監(jiān)測數(shù)據(jù)和處理結果可視化.