基于BIM技術(shù)的框架橋下穿既有鐵路智慧監(jiān)測平臺研究

鄭明新，杜子真，康 蒙，徐朋威

(1. 華東交通大學 土木與建筑學院，江西 南昌 330013； 2. 江西省智能交通基礎(chǔ)設(shè)施工程研究中心，江西 南昌330013； 3. 華東交通大學 土木工程國家實驗教學示范中心，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著社會進步與經(jīng)濟發(fā)展，鐵路建設(shè)規(guī)模不斷擴大，鐵路建設(shè)與城市發(fā)展過程中的交通交叉影響也越來越嚴重。頂進框架橋是一項廣泛使用的下穿鐵路施工技術(shù)，其不但減小了土地占用，保證既有線行車條件，同時也能相應(yīng)降低工程成本和減少對周圍環(huán)境影響[1-2]。既有鐵路的列車行車密度較大，列車對線路平順性要求高，頂進過程中易引起上部路床不均勻沉降變形，影響鐵路軌道的平順性。為避免以上嚴重后果，必須加強路基變形的監(jiān)控測量，將頂進施工對鐵路路基本體穩(wěn)定與變形影響的動態(tài)變化信息及時反饋到施工單位，及時調(diào)整施工參數(shù)，實現(xiàn)施工過程信息化[3-5]。

建筑信息模型(building information modeling, BIM)技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得建筑行業(yè)重新思考一種全新的建筑施工方式[6-7]。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、可預(yù)測性和可控制性等特點。橋梁結(jié)構(gòu)施工中普遍將BIM技術(shù)與監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，為橋梁管理養(yǎng)護部門提供一條可視化、信息化的橋梁健康信息監(jiān)測方案[8-11]。李小玲等[12]提出基于BIM的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)管理效率及監(jiān)測信息與模型的交互性。

對于框架橋下穿既有鐵路施工而言，利用BIM技術(shù)構(gòu)建包含監(jiān)測系統(tǒng)、視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)、云端數(shù)據(jù)存儲和綜合預(yù)警系統(tǒng)的智能監(jiān)測平臺，不但可使監(jiān)測數(shù)據(jù)及時有效的傳達給參建各個單位，同時也使得監(jiān)測數(shù)據(jù)能可視化、圖表化顯示。通過建立綜合預(yù)警系統(tǒng)，能對天氣因素、列車臨近信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時反饋，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則能利用云端全方位的傳遞報警信息。通過利用BIM技術(shù)的可視性和模擬性，能幫助決策者快速確定發(fā)生異常的部位并進行合理決策，保證框架橋下穿既有鐵路順利施工，也有利于既有線路運營安全。

筆者基于框架橋工程及BIM技術(shù)，以福建龍巖市永定區(qū)鳳城街道下坑一路框架橋下穿漳龍線鐵路工程為例，研發(fā)了基于BIM技術(shù)的框架橋下穿既有鐵路智慧監(jiān)測平臺。該平臺融合監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、處理的自動化技術(shù)和預(yù)警系統(tǒng)，發(fā)揮BIM技術(shù)的實時可視化、信息共享等優(yōu)勢，實現(xiàn)監(jiān)測信息與模型的交互性。

1 BIM技術(shù)在施工中的優(yōu)勢

對框架橋下穿既有線路工程而言，對既有線有著破壞性影響，存在諸多方面的風險源?？蚣軜蛳麓╉斶M工程失敗主要的原因有：① 路基邊坡坍塌；② 框架橋偏移：框架橋扎頭、框架橋抬頭和框架橋水平偏移；③ 鋼軌偏移。

針對這上述風險因素，有必要對框架橋下穿的整個施工過程進行監(jiān)測。然而，目前大部分施工單位仍采用紙質(zhì)數(shù)據(jù)反饋監(jiān)測結(jié)果，缺乏對現(xiàn)場情況的直觀感受及信息處理的及時性，存在效率低、實時性滯后、準確性差和不夠直觀等問題。BIM監(jiān)測平臺的搭建能實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的及時傳輸，很好地起到預(yù)警作用，為框架橋頂進施工安全保駕護航。鑒于此，有必要深入研究基于BIM技術(shù)的框架橋下穿既有鐵路智慧監(jiān)測平臺。

2 工程概況及智慧監(jiān)測系統(tǒng)平臺

2.1 工程概況

該項目位于福建龍巖市永定區(qū)鳳城街道境內(nèi)。下坑一路為南山鳳凰城小區(qū)的主要進出通道，總體呈西南走向；漳龍線鐵路在下坑片區(qū)呈東南走向，該道路與漳龍線鐵路呈立體交叉。為解決小區(qū)出入通道問題，下坑一路至南山鳳凰城小區(qū)道路擬在漳龍線鐵路K127+080處采用框架橋頂進方式下穿。

該段鐵路路基土以第四系全新統(tǒng)人工填土及沖積層、第四系上更新統(tǒng)殘坡積層為主，下為風化全風化花崗巖，遇水易于軟化、地基承載力低，框架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計采用1-10.0×4.0 m，凈寬10 m，框架橋長11 m，采用頂進法施工，最大設(shè)計頂力為1 103.8 T。擬建框架橋與漳龍鐵路平面交叉關(guān)系具體見圖1。

圖1 擬建框架橋與漳龍鐵路平面交叉關(guān)系Fig. 1 Plane crossing relationship between the proposed frame bridge and Zhanglong railway

2.2 智慧監(jiān)測系統(tǒng)平臺

框架橋下穿智慧監(jiān)測系統(tǒng)平臺是基于BIM技術(shù)下的管理平臺，該平臺能存儲框架橋施工期內(nèi)的所有信息。通過構(gòu)建BIM模型，實現(xiàn)了覆蓋工程全建設(shè)周期的信息共享和管理的一體化監(jiān)測。

基于BIM技術(shù)框架橋下穿智慧監(jiān)測系統(tǒng)平臺應(yīng)用3D模型技術(shù)(BIM模型)、采用先進的ASP.NET MVC4架構(gòu)，利用全天候自動化監(jiān)測設(shè)備，通過遠程數(shù)據(jù)傳輸和云端大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，使用人工智能數(shù)據(jù)處理和分析評估技術(shù)等，同時配套大屏幕、視頻監(jiān)控等硬件設(shè)施和相關(guān)配套的多平臺(手機APP、網(wǎng)頁端、PC端)軟件設(shè)施，構(gòu)建了在BIM技術(shù)上的實時動態(tài)監(jiān)測信息共享解決方案，該平臺的基本架構(gòu)如圖2、 3。

圖2 框架橋下穿智慧監(jiān)測平臺架構(gòu)Fig. 2 Framework of intelligent monitoring platform under frame bridge

圖3 框架橋下穿智慧監(jiān)測平臺硬件組織架構(gòu)Fig. 3 Hardware organization chart of intelligent monitoring platform under frame bridge

3 智慧監(jiān)測平臺的構(gòu)建

3.1 智慧監(jiān)測平臺實施方案

框架橋下穿智慧監(jiān)測系統(tǒng)BIM技術(shù)能融合框架橋下穿施工期的眾多信息。其中最關(guān)鍵、最主要的方面是：對框架橋下穿既有線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、處理、分析評估和預(yù)警決策。

3.1.1 BIM模型建立

利用Revit等建模軟件構(gòu)建出包括既有線路結(jié)構(gòu)、框架橋和監(jiān)測系統(tǒng)的BIM模型，如圖4。既有線路結(jié)構(gòu)和框架橋結(jié)構(gòu)的BIM模型必須是按照設(shè)計信息、施工信息所建造的BIM模型，反映真實的鐵路基結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)。

圖4 BIM模型Fig. 4 BIM model

3.1.2 視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)建立

框架橋頂進施工對既有線路具有破壞性，不僅現(xiàn)場施工管理人員需要了解現(xiàn)場實時的施工情況，鐵路管理單位也需要對現(xiàn)場施工情況進行監(jiān)督、監(jiān)管；故現(xiàn)場視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。同時，在頂進時對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的觀測也可通過視頻安全采集系統(tǒng)進行觀測，能有效確保施工安全。

視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)對應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備需在BIM模型中一一對應(yīng)，用戶點擊相應(yīng)監(jiān)控部位能直接查看對應(yīng)探頭所拍攝畫面。遠程視頻安全采集監(jiān)控系統(tǒng)通過攝像頭對工地、施工情況進行實時監(jiān)督，是監(jiān)測工作重要補充。

3.1.3 自動監(jiān)測系統(tǒng)建立

針對框架橋頂進的特殊風險源分析，確定所監(jiān)測內(nèi)容。監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測儀器見表1。

表1 框架橋頂進施工監(jiān)測內(nèi)容及所需儀器Table 1 Monitoring contents and instruments required for jacking construction of frame bridge

監(jiān)測系統(tǒng)模型主要包括：監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)、傳感器位置、采購信息、維護信息等；傳感器主要包括：雙軸傾斜儀、位移計、靜力水準儀、激光水準測點、溫度計、GPS+BDS和攝像機等。這些監(jiān)測設(shè)備和所構(gòu)建的BIM模型一一對應(yīng)綁定，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)可正確、真實的在對應(yīng)模型位置顯示。監(jiān)測信息通過智能采集基站實現(xiàn)自動化采集數(shù)據(jù)并實時傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺中去，通過綜合預(yù)警系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，生成表格和折線圖，實現(xiàn)全天候、全時間段自動化監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理。用戶可在BIM模型中實時查看對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了監(jiān)測可視化顯示。

3.1.4 綜合預(yù)警系統(tǒng)建立

綜合預(yù)警系統(tǒng)包括統(tǒng)計分析模塊和綜合預(yù)警模塊。

1)統(tǒng)計分析模塊

統(tǒng)計分析模塊的功能是對監(jiān)測儀器工作狀態(tài)進行分析處理及對采集傳輸回的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。主要作用是自動生成監(jiān)測數(shù)據(jù)表格和折線圖。同時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)在BIM模型上依靠參數(shù)化控制，以不同圖形、顏色實現(xiàn)動態(tài)化、可視化表達。管理人員通過各顯示模式就可知道當前構(gòu)件所處的工作狀態(tài)。統(tǒng)計分析模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線某段時間內(nèi)的波動若出現(xiàn)異常，則會被放入綜合預(yù)警模塊中。

2)綜合預(yù)警模塊

綜合預(yù)警模塊的功能是將異常數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的預(yù)警值進行比較，并在BIM模型中通過不同模型圖形或顏色進行顯示。若監(jiān)測數(shù)據(jù)介于最小閥值與預(yù)警值之間，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，則在監(jiān)測儀器的BIM模型顯示為綠色；若監(jiān)測BIM模型儀器模型顯示為黃色，表明此刻此處達到預(yù)警值，若要保證施工正常運行則要立刻采取措施，避免出現(xiàn)安全事故；若監(jiān)測儀器模型顯示為紅色，表明所采集的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的報警值數(shù)據(jù)，則智慧監(jiān)測平臺會向預(yù)設(shè)手機號碼發(fā)送報警短信，及時通知相應(yīng)的管理人員，此刻管理人員可精準定位故障發(fā)生位置，采取對應(yīng)措施進行搶救性修補，同時查明原因，采取糾偏預(yù)案。其流程見圖5。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)報警流程Fig. 5 Monitoring data alarm process

3.1.5 用戶界面系統(tǒng)建立

用戶界面系統(tǒng)主要包括PC端、手機端和網(wǎng)頁端。同時包括報表生成管理模塊、數(shù)據(jù)顯示與維護模塊和交互式錄入與查詢模塊。用戶界面系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、顯示和管理，自動化生成監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表，根據(jù)上傳模板生成監(jiān)測日報、周報和月報，大大減輕了在此項目上的投入的人力及精力；同時也實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時反饋，實時監(jiān)控，避免傳統(tǒng)監(jiān)測時數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)錯誤等問題，為項目施工安全提供了可靠信息。其軟件界面示意見圖6。

圖6 軟件界面Fig. 6 Software interface

3.2 BIM技術(shù)實時評估預(yù)警及智慧決策

框架橋下穿智慧監(jiān)測平臺最終目的是利用所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析、處理，從而進行智能預(yù)警，幫助人們進行決策，如圖7。

圖7 框架橋下穿智慧監(jiān)測平臺綜合預(yù)警系統(tǒng)Fig. 7 Comprehensive early warning system of intelligent monitoring platform under frame bridge

監(jiān)測平臺可結(jié)合BIM模型和有限元分析模塊進行實時的力學分析，發(fā)揮BIM技術(shù)相對于傳統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所不具備的實時理論分析能力。同時，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生部位并儲存相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，提供合理的應(yīng)急措施。

利用BIM技術(shù)模擬施工的特點，當箱涵頂進時出現(xiàn)路基邊坡坍塌、框架橋偏移、鋼軌偏移等不利因素時，通過BIM能進行模擬管理者采取的措施，可迅速準確判斷該措施治理效果，進一步確保工程順利推進。

3.2.1 風險評估

BIM具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、可預(yù)測性和可控制性等特點[13]。在施工前的準備階段，利用BIM模擬技術(shù)，可使工程參與各方提前對施工過程中的重、難點進行模擬和演練，能掌握施工過程中的各項技術(shù)要點，有利于做好對工程各質(zhì)量控制點的嚴格把控，實現(xiàn)了對施工的安全評估。

3.2.2 智慧預(yù)警

1)通過有限元計算預(yù)測

通過有限元軟件進行前期數(shù)值計算，可在一定范圍內(nèi)對水平位移和沉降值有大致了解。通過監(jiān)測重點部位，同時對計算結(jié)果較大的位置進行重點監(jiān)測，當出現(xiàn)異常時能及時發(fā)出預(yù)警信息。其中：監(jiān)測平臺可結(jié)合BIM模型和有限元分析模塊進行實時有限元計算分析，發(fā)揮BIM技術(shù)下監(jiān)測平臺相對于傳統(tǒng)監(jiān)測所具備的獨特優(yōu)勢。

2)通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)實時預(yù)測

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)測是一個復(fù)雜的非線性回歸問題?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)因現(xiàn)場實際情況、人為觀測等原因會出現(xiàn)數(shù)據(jù)離析，若想要得到準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，則需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學方法處理，這是一種常用的、有效的數(shù)據(jù)處理方法。

采用Origin軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，得到變形值隨時間變化曲線。選用合理的非線性函數(shù)模型，使R平方(相關(guān)系數(shù))與殘差平方和并判定擬合結(jié)果：R平方越接近1代表擬合效果越好；殘差平方和越小代表擬合效果越好，從而確定最優(yōu)回歸函數(shù)。針對路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果見表2，擬合曲線見圖8。通過擬合函數(shù)可對之后的變形趨勢進行預(yù)測，同時該數(shù)據(jù)隨著檢測情況變動也是不斷更新的。當未來變形趨勢有異常時(出現(xiàn)大變形等)，會及時向技術(shù)人員進行預(yù)警。其軟件界面見圖9。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of monitoring data

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合曲線Fig. 8 The monitoring data fitting curve

圖9 監(jiān)測數(shù)據(jù)界面Fig. 9 The monitoring data interface

3.2.3 預(yù)警信息

1)天氣信息通過與氣象網(wǎng)站對接，獲取工程所在地的天氣情況。當出現(xiàn)異常時，如：雷雨，大風等，系統(tǒng)則會通過短信等形式及時通知管理人員。

2)列車臨近預(yù)警。當列車臨近施工地點時，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)袖珍式列車接近預(yù)警器信息，將列車通過信息顯示在工地大屏上，同時提醒施工人員進行防護。

3)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警是監(jiān)測平臺的核心，該平臺將監(jiān)測設(shè)備和BIM模型一對一綁定，當監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時可快速定位異常部位，便于快速應(yīng)急決策。根據(jù)實際工程特點，管理人員設(shè)置好不同監(jiān)測項目的預(yù)警和報警值，系統(tǒng)則可確定風險等級，將不同狀態(tài)對應(yīng)到BIM模型中相應(yīng)部位。3種顏色代表3種情況：綠色為安全；橙色為預(yù)警；紅色為危險。通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警可使項目參建方能一目了然地了解各個部位的工作狀態(tài)及風險情況，做好風險預(yù)警。監(jiān)測儀器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦有異常，則監(jiān)測平臺會向管理人員發(fā)送報警信息。

3.2.4 管理與決策

BIM平臺基于真實模型信息及實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)挖掘和識別分析。一個完整的BIM監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)信息不僅是監(jiān)測數(shù)據(jù)，還包括其他的施工信息。故對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行挖掘、處理、擬合，提取關(guān)鍵有效信息是非常必要的?；陉P(guān)鍵實時監(jiān)測信息可進行動態(tài)安全評估和風險預(yù)測評估，尤其是針對特定風險的識別及響應(yīng)分析。

基于監(jiān)測平臺的開放性，參與工程各方均可使用，這樣避免了監(jiān)測數(shù)據(jù)造假等問題發(fā)生；依靠自動化監(jiān)測設(shè)備為主，人工復(fù)測為輔的監(jiān)測手段可確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確和可靠，便于參建各方對工程的管理。

基于BIM技術(shù)的框架橋下穿既有鐵路智慧監(jiān)測平臺可存儲施工開始時的決策信息，包括：施工方案、日常決策和應(yīng)急預(yù)案等。利用上傳模板自動生成日報、月報，可大大減輕參建各方的內(nèi)業(yè)整理工作。監(jiān)測平臺能自動記錄發(fā)生預(yù)警的風險等級、發(fā)生部位、發(fā)生時間等信息，實現(xiàn)了同平臺實時監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽、計算分析及快速預(yù)警。

4 結(jié) 論

考慮到傳統(tǒng)框架橋頂進施工監(jiān)測管理仍停留在紙質(zhì)文件管理模式下，無法讓參與施工各方人員有效、快速地掌握框架橋下穿既有鐵路工程中各結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)，筆者結(jié)合BIM技術(shù)，建立了基于BIM技術(shù)的監(jiān)測平臺，得出如下結(jié)論：

1)以基于BIM技術(shù)的框架橋下穿監(jiān)測平臺，通過3D模型將監(jiān)測儀器布置信息直觀簡潔信息化，通過BIM模型中各個結(jié)構(gòu)真實屬性設(shè)置和與監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合，能很好地展示路基的變形情況、框架橋的頂進情況及加固結(jié)構(gòu)D型梁的工作情況等結(jié)構(gòu)狀態(tài)；

2)基于BIM技術(shù)的框架橋下穿監(jiān)測平臺多模塊設(shè)立，實現(xiàn)了預(yù)警信息及時傳達，便于管理人員快速確定問題發(fā)生部位，便于管理人員快速確定應(yīng)急決策；

3)監(jiān)測平臺的建立實現(xiàn)了實時動態(tài)監(jiān)測信息共享，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時傳輸，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)化、圖標化顯示；由于其多方實時參與及依靠自動化的監(jiān)測設(shè)備為主、人工復(fù)測為輔的監(jiān)測手段，確保了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性與可靠性，使施工單位依靠監(jiān)測數(shù)據(jù)快速準確調(diào)整施工方案，保證框架橋下穿既有鐵路施工安全；

4)結(jié)合實際工程進行有限元計算，對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析擬合，預(yù)測變形趨勢，保障框架橋下穿施工時既有線路的運營安全。