基于BIM的拱蓋法地鐵車站多元信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

胡茗泉1 姜諳男1 于 海 王 鋒

(1.大連海事大學交通運輸工程學院，大連 116026； 2.中鐵上海工程局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，沈陽 110000)

引言

近年來我國地鐵建設(shè)日益繁榮，工程建設(shè)所面臨的地質(zhì)條件越來越復雜。尤其是在近年來在大連、青島等沿海城市面臨的上軟下硬地層環(huán)境給暗挖車站的安全順利施工提出了考驗。

拱蓋法施工技術(shù)的出現(xiàn)，解決了地鐵建設(shè)面臨的上軟下硬的地層問題，它改變了傳統(tǒng)PBA法的邊樁結(jié)構(gòu)，顯著節(jié)省了施工時間和成本，適用于土巖二元的上軟下硬地層條件下地鐵車站暗挖建設(shè)。但是該工法也面臨復雜的地質(zhì)環(huán)境和轉(zhuǎn)換工序，超出了以往的既有經(jīng)驗，如何確保施工安全成為令人關(guān)注的重要問題。

工程監(jiān)測信息能夠反映工程安全狀態(tài)，是建設(shè)過程中安全預警的主要參考。目前我國巖土工程監(jiān)控量測逐漸從單一信息到多元信息、從人工監(jiān)測到自動化監(jiān)測發(fā)展過渡。例如張成平[1]等、徐玉健[2]等在隧道建設(shè)過程中建立的自動化采集監(jiān)測系統(tǒng)等。與人工監(jiān)測相比，自動化監(jiān)測的觀測數(shù)據(jù)吻合良好且數(shù)據(jù)更為精確可靠。但二者同時面臨著監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、監(jiān)測結(jié)果信息繁雜、難以管理的問題。

Building Information Model(BIM)技術(shù)是當前土木建筑領(lǐng)域前沿的研究熱點，以三維可視化的方式實現(xiàn)工程全生命周期的管理和分析，近年來逐漸推廣應用于巖土工程領(lǐng)域。Hegemannf[3]等創(chuàng)建了基于IFC標準的隧道TBM施工模型； 郭坤睿[4]實現(xiàn)了將BIM應用在既有結(jié)構(gòu)的維護上。李錦華[5]將BIM技術(shù)應用于橋梁健康監(jiān)測，實現(xiàn)了建立橋梁監(jiān)測信息模型?？梢?，當前的BIM研究已取得了豐碩的成果，但是涉及地鐵暗挖車站的研究還很少見。

與傳統(tǒng)地下工程相比，拱蓋法暗挖車站面臨的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)條件更加復雜，安全問題更加突出。如何結(jié)合拱蓋法暗挖車站的特點，將BIM技術(shù)與地鐵車站施工的實時監(jiān)測相結(jié)合，具有重要的工程意義。

本文針對大連地鐵5號線石葵路車站的應用背景，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，確定了拱蓋法暗挖車站多元信息監(jiān)測方案。然后研究了拱蓋法車站結(jié)構(gòu)及傳感器的參數(shù)化建模技術(shù)，以二次開發(fā)的形式將數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測信息與相關(guān)BIM模型關(guān)聯(lián)，開發(fā)了基于BIM的多元信息監(jiān)測系統(tǒng)，為信息的表達與管理提供了一種新方法。

1 拱蓋法車站工程多元信息監(jiān)測

1.1 拱蓋法車站特點

地鐵車站拱蓋法是在PBA法的基礎(chǔ)上，以大拱腳來取代邊樁，使主要承載力依附于巖石地基上，并在先期扣拱的保護下，采用逆作法或順作法完成主體結(jié)構(gòu)的施工方法。該工法能夠很好地解決地鐵工程施工時所面臨的地層上軟下硬的問題。

拱蓋法施工步序如圖1所示，施工過程主要包含以下幾個重要步驟：

1)開挖小導洞，施做拱腳冠梁；

2)開挖主體導洞，回填小導洞空余部分，并進行主體襯砌施工；

3)拆除小導洞支護部分與中隔壁，開挖下層巖體，同時側(cè)墻打入砂漿錨桿，并施工側(cè)墻初支結(jié)構(gòu)及內(nèi)部鋼支撐；

4)施作底板和側(cè)墻防水層及二襯。

(a)開挖主體導洞

(b)拆除小導洞空余部分

(c)拆除中隔墻并開挖下層巖體圖1 拱蓋法施工步序

在開挖主體導洞到拆除中隔墻的過程中圍巖壓力主要集中在拱頂與拱腳周圍，如圖2所示。當拆除中隔墻時，拱頂壓力與拱腳壓力明顯增加，對整體施工安全造成影響，因此車站拱蓋處應進行重點監(jiān)測。

圖2 拱蓋內(nèi)力分布

1.2 拱蓋法車站物聯(lián)網(wǎng)多元信息監(jiān)測方案

由于拱蓋法暗挖車站主體結(jié)構(gòu)復雜，包含邊導洞、冠梁、中隔板等，且施工過程中工序轉(zhuǎn)換頻繁，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無法通過單一的圍巖壓力或拉力監(jiān)測進行判斷。因此，需要采用結(jié)構(gòu)壓力、拉力、應力應變以及結(jié)構(gòu)位移等指標進行多元信息聯(lián)合監(jiān)測。考慮到工程實際的可行性，針對結(jié)構(gòu)特征確定了車站多元信息監(jiān)測方案。針對所受圍巖壓力利用土壓力盒、鋼筋計以及應變計進行物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，土壓力盒位于圍巖與初支之間，鋼筋計位于拱架上下鋼筋兩側(cè)，應變計位于中隔墻處，具體布設(shè)位置如圖3所示。通過監(jiān)測獲取拱蓋處在施工過程中的監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，了解地鐵車站施工對隧道圍巖的影響情況，保證施工環(huán)境的安全。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)多元信息布設(shè)

2 拱蓋法車站BIM及信息集成技術(shù)

2.1 拱蓋法車站BIM模型建立

由于Revit是以建筑建模為主的平臺，雖然結(jié)構(gòu)樣板中提供墻、柱、樓板以及涉及建筑的基礎(chǔ)設(shè)施等族庫，但這些構(gòu)件顯然無法在拱蓋法車站建模中使用，且拱蓋法地鐵車站結(jié)構(gòu)外形特征及內(nèi)部構(gòu)造復雜，因此，本文基于該平臺的建模方式，自主創(chuàng)建了拱蓋法車站構(gòu)件族庫，并通過在項目樣板內(nèi)組裝的方式，實現(xiàn)了地鐵車站的三維可視化表達。本節(jié)以公制常規(guī)模型為樣板，通過立面選取、拉伸、放樣等操作，繪制三維模型，并編輯尺寸參數(shù)與專業(yè)屬性參數(shù)，建立地鐵車站參數(shù)化構(gòu)件Revit模型。

在項目中導入族庫內(nèi)的參數(shù)化車站構(gòu)件后，定義標高，配合工具欄中的命令，如旋轉(zhuǎn)、移動、陣列等，調(diào)整裝配位置，同時更改族構(gòu)件的尺寸參數(shù)及實例地鐵車站專業(yè)屬性參數(shù)，依次實現(xiàn)地鐵車站襯砌、仰拱填充、錨桿等各構(gòu)件的拼裝，最終完成車站整體模型的構(gòu)建(如圖4所示)。

圖4 拱蓋法車站模型

2.2 傳感器參數(shù)化建模

多元信息監(jiān)測涉及多種類的傳感器布設(shè)，因此需要建立監(jiān)測傳感器模型對車站整體模型進行豐富。但是，建立傳感器模型時存在數(shù)量巨大、種類較多、位置以及角度不同、重復性工作較多等問題。對此，本文通過Revit二次開發(fā)的方式，進行自動建模程序編寫，將半徑和角度等位置參數(shù)輸入二次開發(fā)窗體內(nèi)指定位置，傳感器模型便可以自動生成，無需手動建模，便可以高效精準地完成建模工作。

程序編寫流程如下，以VisualStudio2019為平臺，運用C#語言搭建Windows窗體應用程序，在編譯器中引用revitAPI.dll和revitAPIUI.dll動態(tài)鏈接庫。通過IExternalCommand建立外部接口，IExternalCommand是實現(xiàn)外部擴展的命令，含有Excute函數(shù)。外部命令調(diào)用Excute函數(shù)來實現(xiàn)外部接口連接，并利用IExternalEventHandler來添加外部事件，利用revitAPI內(nèi)Transaction事務(wù)調(diào)用創(chuàng)建好的傳感器構(gòu)件，并在指定位置通過偏移、旋轉(zhuǎn)等方式裝配。

在Revit平臺運行通過二次開發(fā)的編寫的參數(shù)化建模窗體，輸入對應的位置參數(shù)，安置傳感器三維族模型，如圖5，將位置半徑與角度輸入鋼筋計參數(shù)輸入框內(nèi)，即會自動出現(xiàn)模型。類似輸入應變計傳感器與土壓力盒傳感器的參數(shù)，可得到相應的傳感器族模型(如圖6所示)。

圖5 參數(shù)輸入框

圖6 拱蓋法施工拱蓋模型

2.3 傳感器監(jiān)測屬性定義

由于Revit主要是適用于建筑信息模型建模的軟件，傳感器的相關(guān)屬性并不存在于Revit軟件內(nèi)。因此，為了實現(xiàn)監(jiān)測信息與Revit實體模型之間的映射，需要對傳感器屬性進行拓展。對于需要拓展的傳感器實體，基于SQL數(shù)據(jù)庫建立了傳感器信息屬性定義，見表1。表中的屬性數(shù)據(jù)的字段通過ID進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)傳感器信息與模型之間的映射。

將儲存在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行屬性拓展，進而在屬性擴展的測點監(jiān)測值文字框中顯示。明確傳感器實體鏈接的監(jiān)測數(shù)據(jù)屬性，編寫對應與待擴展信息的關(guān)聯(lián)語句，完成監(jiān)測信息表達與集成。通過SQL操作語句對數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)傳感器信息映射至Revit中。

表1 傳感器屬性定義

3 基于BIM的多元信息監(jiān)測平臺

3.1 系統(tǒng)功能框圖

基于BIM的多元信息監(jiān)測平臺通過與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實現(xiàn)拱蓋法多元信息監(jiān)測的直觀展現(xiàn)，其功能規(guī)劃主要分為三部分，如圖7所示。首先確立拱蓋法暗挖車站多元信息監(jiān)測方案，并進行傳感器的布設(shè)，實現(xiàn)土壓力盒等監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的獲取。接著通過參數(shù)化建模的方式，完成車站主體結(jié)構(gòu)模型與物聯(lián)網(wǎng)傳感器模型的建立。最后，基于Revit平臺，通過二次開發(fā)的形式將SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)與相關(guān)傳感器模型鏈接，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的點選數(shù)據(jù)查詢、點選時程曲線查詢與預警。

3.2 Revit二次開發(fā)方法與實現(xiàn)

通過Revit二次開發(fā)的形式建立基于BIM的多元信息監(jiān)測平臺。采用Microsoft.NET Framework4.6結(jié)構(gòu)框架，通過C#語言進行程序編譯，并運用RevitSDK2018使程序在Revit中運行。Revit模型的點擊交互功能實現(xiàn)的具體流程如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)功能規(guī)劃

圖8 Revit二次開發(fā)流程

首先新建一個類庫或窗體，添加IExternalCommand外部接口，調(diào)用Execute方法，編寫函數(shù)命令對各個構(gòu)件的ID屬性進行遍歷讀取，并將其關(guān)聯(lián)至數(shù)據(jù)庫。生成后綴為.dll文件，通過Add-InManager接口載入到Revit中運行，完成Revit二次開發(fā)過程。

函數(shù)命令的具體流程如下：首先，載入Excute代碼獲取模型所有屬性，通過構(gòu)件的拓撲關(guān)系，以Revit.UI.Selection獲取構(gòu)件唯一ID； 然后，對SQL數(shù)據(jù)連接參數(shù)進行定義并創(chuàng)建連接實例。當數(shù)據(jù)庫連接后，定義數(shù)據(jù)庫適配器與數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建DBOoperate數(shù)據(jù)庫操作對象，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作指令，實現(xiàn)篩選傳感器屬性表內(nèi)數(shù)據(jù)字段，并運用foreach語句逐行識別主鍵字段。主鍵字段識別后，調(diào)出數(shù)據(jù)表內(nèi)對應主鍵ID的其他字段，輸出至dataGridView內(nèi)，實現(xiàn)點選監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢功能。在這基礎(chǔ)上，借助于添加DundasChart控件，建立完整的圖表基本架構(gòu)，并通過設(shè)置Series相關(guān)屬性，將數(shù)據(jù)庫中進行對應測點編號的監(jiān)測數(shù)據(jù)篩查，使數(shù)據(jù)以曲線圖的形式生成，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

3.3 BIM數(shù)據(jù)庫設(shè)計

BIM技術(shù)的核心在于全生命周期過程中信息模型的轉(zhuǎn)換與共享，目前的BIM軟件自帶的數(shù)據(jù)庫僅適用于建筑信息模型，且導出時存在丟失或者冗余的問題。為了解決這些問題，本文通過SQL Sever構(gòu)建一個基于BIM傳感器模型的數(shù)據(jù)庫。這樣的構(gòu)建方式，降低了數(shù)據(jù)存儲的難度。無需改動數(shù)據(jù)庫本身，便可以任意添加數(shù)據(jù)，準確、完整的存儲數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)上述分析，本文在設(shè)計BIM數(shù)據(jù)庫時主要包含2張數(shù)據(jù)表，分別為：①傳感器信息表，保存了物聯(lián)網(wǎng)BIM的屬性以及所對應的元素ID； ②監(jiān)測數(shù)據(jù)表，存儲各個傳感器實時監(jiān)測采集所得的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

為了使每條監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄都可以與其他表內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)進行映射，對BIM的元素ID進行主鍵定義，使得數(shù)據(jù)庫中每條記錄可以通過元素ID作為主鍵，在各個表之間建立主鍵和外鍵的關(guān)系，進行智能識別。本文將傳感器元素ID設(shè)置成主鍵，通過主鍵識別其他字段包括傳感器類型、測點編號、傳感器系數(shù)、初始值、實測值、監(jiān)測值、單位以及監(jiān)測時間等，清晰的反映了實時監(jiān)測時具有的屬性，為后續(xù)的查詢工作打下良好的基礎(chǔ)。

3.4 功能模塊實現(xiàn)

在上述設(shè)計數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，編制了多元信息監(jiān)測功能模塊。該功能模塊通過Ribbon插件形成了功能界面菜單，菜單中共設(shè)計了三個功能：“斷面數(shù)據(jù)查詢”、“斷面歷史曲線查詢”以及“預警”。以“斷面數(shù)據(jù)查詢”與“斷面歷史曲線查詢”功能界面為例，如圖9所示。通過點選傳感器模型即可實現(xiàn)對該傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線的查詢。此外，“預警”功能能夠通過輸出超限監(jiān)測數(shù)據(jù)，并使對應編號傳感器模型變色顯示，從而實現(xiàn)對超限監(jiān)測數(shù)據(jù)的預警。

(a)“斷面數(shù)據(jù)查詢”功能界面

(b)“斷面歷史曲線查詢”功能界面圖9 功能界面示意圖

4 工程應用

4.1 工程概況

石葵路站位于解放路與石葵路交叉口北側(cè)，沿解放路南北向布置。場地內(nèi)地形起伏較大，車站范圍內(nèi)地面絕對標高32.8～40.0m，地勢南低北高。場地周邊為密集住宅及商業(yè)區(qū)，道路車流量大，下鋪設(shè)管線及空中架設(shè)管線較多，是人流、車流密集區(qū)域。

石葵路站采用拱蓋法進行施工，即先開挖上部拱蓋，通過初期支護和臨時支撐進行加固。拆除臨時支撐后，拱部二襯結(jié)構(gòu)模筑成型。由于施工工序較為復雜，工序轉(zhuǎn)換次數(shù)與接頭數(shù)量較多，致使二襯結(jié)構(gòu)交替施工，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性問題。導洞施工按照先下后上、先邊后中的順序進行開挖支護。待上部施工完成后，利用鉆爆法，按順序分段開挖下半斷面并及時施工初期支護，待完成邊墻后模筑仰拱。由于現(xiàn)場施工結(jié)構(gòu)與工序的復雜性，須在施工過程中充分考慮地鐵車站開挖施工可能引起拱頂圍巖相關(guān)壓力軸力等變化的問題，施工過程中應根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果及時反饋信息指導設(shè)計施工，及時調(diào)整支護參數(shù)和施工方法，因此地鐵車站物聯(lián)網(wǎng)多元信息實時采集十分重要。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測信息獲取

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況及要求，依工程需求調(diào)試準備監(jiān)測終端傳感器并安裝于拱蓋處。

傳感器包括土壓力盒、鋼筋計、應變計和沉降計，擬于拱蓋處埋設(shè)，壓力盒位于圍巖與初支之間。鋼筋計位于拱架上下鋼筋兩側(cè)，應變計位于中隔墻處。每一斷面設(shè)置7個監(jiān)測點位，分別埋設(shè)于隧道中線及隧道中線左右側(cè)30°、60°和拱腳對稱布設(shè)。通過已安裝的自動化設(shè)備，實現(xiàn)對地鐵車站多元信息數(shù)據(jù)的實時獲取。

4.3 系統(tǒng)應用效果

在Revit平臺打開地鐵車站模型后，如圖10搜索出功能面板中“斷面數(shù)據(jù)查詢”，進而點選傳感器模型，就會自動顯示對應該傳感器模型測點編號的監(jiān)測數(shù)據(jù)表格，并按照時間的順序進行降序或升序排列，如圖11。此外，通過點擊“斷面歷史曲線查詢”，點選傳感器模型所對應的監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史曲線就會自動繪制，如圖12-13。

此外，通過二次開發(fā)的方式，點擊開發(fā)功能面板中“預警”，如圖14，程序?qū)鞲衅髂Ｐ完P(guān)聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行篩選，當某個關(guān)聯(lián)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預設(shè)的安全值時，程序?qū)迶?shù)據(jù)進行輸出，超限數(shù)據(jù)對應元素ID，點選變色顯示按鈕可以將超限數(shù)據(jù)對應模型進行變色處理，在Revit平臺中直觀展現(xiàn)，實現(xiàn)預警功能(如圖15)。

圖10 按鍵“斷面數(shù)據(jù)查詢”

圖11 監(jiān)測數(shù)據(jù)列表

圖12 按鍵“斷面歷史曲線查詢”

圖13 歷史曲線圖

圖14 按鍵“預警”

圖15 超限數(shù)據(jù)輸出 圖16 變色顯示功能

5 結(jié)論

通過本文研究，得到相關(guān)結(jié)論如下：

(1)通過Revit軟件建立的拱蓋法地鐵車站三維模型，直觀地表現(xiàn)了車站主體結(jié)構(gòu)與傳感器所在位置，實現(xiàn)了工程施工結(jié)構(gòu)的直觀表達。通過對二次開發(fā)的研究進行參數(shù)化建模，提高了建模效率，并通過對傳感器屬性拓展，實現(xiàn)了基于IFC的監(jiān)測信息集成與表達。

(2)基于Revit二次開發(fā)和BIM數(shù)據(jù)庫設(shè)計開發(fā)了基于BIM的拱蓋法地鐵車站多元信息監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)各個傳感器模型對應的監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化查詢和預警，并可繪制監(jiān)測數(shù)據(jù)時程曲線。

(3)將開發(fā)的系統(tǒng)初步應用于大連地鐵5號線石葵路車站，獲得預期可視化表達的效果。本文方法為拱蓋法地鐵車站信息化施工管理提供了先進的技術(shù)手段。