基于建筑信息模型的地鐵車(chē)站深基坑工程孿生仿真云平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用*

姚湘靜

(上海申通地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,200070,上海∥高級(jí)工程師)

在大型商業(yè)廣場(chǎng)與既有城市軌道交通車(chē)站的接駁項(xiàng)目中,深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)很大。為保證施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物的安全,深基坑開(kāi)挖與支護(hù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析及信息反饋尤為重要。

文獻(xiàn)[1]將BIM(建筑信息模型) 技術(shù)與GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)相集成,研發(fā)了深基坑監(jiān)測(cè)信息共享系統(tǒng);文獻(xiàn)[2]應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)超大型復(fù)雜基坑工程進(jìn)行了施工過(guò)程的全程模擬與分析;文獻(xiàn)[3]引入四維、五維的可視化方法,通過(guò)數(shù)字化BIM模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的交互,實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的精細(xì)化管理;文獻(xiàn)[4]以某深基坑為例,介紹了深基坑三維模型的建立、基坑檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)配筋及施工進(jìn)度模擬等內(nèi)容;文獻(xiàn)[5]將基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與BIM技術(shù)相結(jié)合,詳細(xì)介紹了依托云平臺(tái)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)的整體解決方案;文獻(xiàn)[6]通過(guò)創(chuàng)建基坑工程BIM模型,實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、土方開(kāi)挖及基坑監(jiān)測(cè)等方面的深度應(yīng)用;文獻(xiàn)[7]基于Revit軟件平臺(tái),對(duì)復(fù)雜基坑開(kāi)挖中的地形、地坪、承臺(tái)及基礎(chǔ)梁等進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),并提供了開(kāi)發(fā)計(jì)算的開(kāi)源模塊。

綜上,BIM技術(shù)在深基坑施工模擬、動(dòng)態(tài)管控及監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,但上述研究大多僅聚焦了基坑工程的部分功能。本文將BIM三維模型信息、基坑施工信息及基坑變形監(jiān)測(cè)信息等信息,同預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制、孿生模型與數(shù)值仿真分析模型轉(zhuǎn)化等模型進(jìn)行有機(jī)融合,進(jìn)而構(gòu)建基于BIM技術(shù)的深基坑工程數(shù)字孿生-數(shù)值仿真Web(萬(wàn)維網(wǎng))協(xié)同云平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深基坑孿生仿真云平臺(tái)”)。

1 深基坑孿生仿真云平臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)

1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)

深基坑孿生仿真云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層及應(yīng)用層4層架構(gòu)組成。其中:數(shù)據(jù)層由中心數(shù)據(jù)庫(kù)組成,用于存儲(chǔ)采集得到的用戶數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并將服務(wù)和應(yīng)用層分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行固化;服務(wù)層基于云端服務(wù)器搭建,通過(guò)Web服務(wù)的形式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型的接入、分析及預(yù)警服務(wù),該層是深基坑孿生仿真云平臺(tái)系統(tǒng)的核心功能層;業(yè)務(wù)層將數(shù)據(jù)層的操作進(jìn)行組合,以實(shí)現(xiàn)視圖控制與預(yù)警消息分發(fā);應(yīng)用層提供基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的Web應(yīng)用,用于對(duì)數(shù)據(jù)層信息進(jìn)行處理,對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總,以實(shí)現(xiàn)對(duì)深基坑的預(yù)警計(jì)算與監(jiān)測(cè)報(bào)警,為用戶作出合理、精準(zhǔn)的決策意見(jiàn)。

1.2 系統(tǒng)的主要功能

深基坑孿生仿真云平臺(tái)系統(tǒng)的主要功能包括信息收集、統(tǒng)計(jì)管理、基坑建模、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警管控等,如圖1所示。

圖1 深基坑孿生仿真云平臺(tái)系統(tǒng)的主要功能

1.3 系統(tǒng)與數(shù)值計(jì)算軟件的接口

仿真生成深基坑孿生輕量化模型,并將模型轉(zhuǎn)化為ANSYS數(shù)值計(jì)算軟件可運(yùn)行的結(jié)構(gòu)分析模型,其模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。首先在平臺(tái)模型項(xiàng)目中遍歷框選到的目標(biāo)模型圖元,判斷圖元類(lèi)型是否為實(shí)體族類(lèi)型,并過(guò)濾掉點(diǎn)、線、面等不需要轉(zhuǎn)換的類(lèi)型;然后對(duì)采集到的族類(lèi)型模型進(jìn)行分類(lèi),并讀取每個(gè)族實(shí)例的幾何信息、材質(zhì)信息并進(jìn)行編號(hào);最后將整合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值分析軟件可讀取的腳本文件。

圖2 深基坑模型與ANSYS軟件結(jié)構(gòu)分析模型間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程圖

2 深基坑孿生仿真云平臺(tái)的應(yīng)用

2.1 案例工程背景

上海某發(fā)展項(xiàng)目地塊東西跨度約為225 m,南北跨度約為170 m,總建筑面積約為43萬(wàn)m2。該項(xiàng)目由I區(qū)兩棟辦公塔樓(T1和T2)及II區(qū)商業(yè)裙房?jī)蓚€(gè)部分構(gòu)成,其中:塔樓為33層,高度約170 m,底板底面埋深約20.0 m;裙房為地上7層的商業(yè)樓,高度為55.0 m,底板底面埋深約為18.5 m。

該項(xiàng)目的地下空間與城市軌道交通車(chē)站接駁,其基坑開(kāi)挖深度為19.20～20.85 m,施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高。根據(jù)DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,確定該基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

2.2 深基坑孿生輕量化模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的施工圖紙,利用Revit軟件建立基坑的BIM模型,并采用C#語(yǔ)言構(gòu)建基于Revit API(應(yīng)用程序接口)的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境[8],將.rvt模型文件轉(zhuǎn)為.json格式并導(dǎo)入深基坑孿生仿真云平臺(tái)中,生成的深基坑孿生輕量化模型如圖3所示。

基于圖3的輕量化模型,利用BIM技術(shù)信息關(guān)聯(lián)性、可視化及可協(xié)調(diào)性等優(yōu)勢(shì),根據(jù)工程監(jiān)測(cè)需求在深基坑輕量化模型上創(chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)專(zhuān)用族庫(kù)。再根據(jù)不同監(jiān)測(cè)類(lèi)型,在模型中布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維構(gòu)件,在監(jiān)測(cè)點(diǎn)添加相應(yīng)參數(shù),以滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)需求。采用四維技術(shù)(即在三維模型中添加時(shí)間軸),以實(shí)現(xiàn)BIM模型的日常監(jiān)測(cè)與管控。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型族庫(kù)的建立

基于該工程拆分出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模型族庫(kù),根據(jù)監(jiān)測(cè)方案與測(cè)點(diǎn)布置圖,通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)添加各模型測(cè)點(diǎn)的編碼屬性,并在模型中快速定位和布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維構(gòu)件,從而為后續(xù)在深基坑孿生仿真云平臺(tái)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型的布置與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)提供實(shí)現(xiàn)途徑。本工程的孿生監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型族庫(kù)界面如圖4所示,主要包括基坑外地下潛水水位監(jiān)測(cè)孔模型、圍護(hù)墻體測(cè)斜監(jiān)測(cè)孔模型、地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型、圍護(hù)墻頂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型、支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型、支撐立柱隆沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型及圍護(hù)地墻內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型等。

圖4 孿生監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型族庫(kù)界面截圖

模型測(cè)點(diǎn)編輯界面通過(guò)Web端深基坑輕量化模型與后臺(tái)采集到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互,對(duì)數(shù)據(jù)變化速率、累計(jì)量及預(yù)報(bào)警事件等內(nèi)容進(jìn)行可視化反饋。圖5為深基坑孿生仿真云平臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊模型測(cè)點(diǎn)編輯的界面截圖。如圖5所示,通過(guò)鼠標(biāo)左鍵單擊事件,點(diǎn)擊“添加預(yù)警測(cè)點(diǎn)標(biāo)簽”即可關(guān)聯(lián)輕量化模型中的測(cè)點(diǎn)族,此時(shí)可選取相應(yīng)類(lèi)型數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn),將數(shù)據(jù)結(jié)合至預(yù)警測(cè)點(diǎn)標(biāo)簽中。雙擊鼠標(biāo)左鍵事件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)標(biāo)簽的刪除。

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊模型測(cè)點(diǎn)編輯界面截圖

2.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警方案

深基坑孿生仿真云平臺(tái)可三維展示整個(gè)基坑、周邊環(huán)境、場(chǎng)地布置及測(cè)點(diǎn)的信息。報(bào)警點(diǎn)使用顏色測(cè)點(diǎn)模型進(jìn)行定位和級(jí)別劃分,當(dāng)監(jiān)測(cè)到超出預(yù)警值時(shí),該平臺(tái)系統(tǒng)可用不同的警示聲音來(lái)達(dá)到預(yù)警的目的:①監(jiān)測(cè)值達(dá)到允許限值的60%時(shí),用時(shí)長(zhǎng)3 s的“嗡”提示音警示;②監(jiān)測(cè)值達(dá)到允許限值的80%時(shí),用時(shí)長(zhǎng)5 s的“滴”提示音警示;③監(jiān)測(cè)值達(dá)到允許限值的100%時(shí),用時(shí)長(zhǎng)1 s的連續(xù)“滴”提示音警示。

根據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,若支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化速率連續(xù)3 d超過(guò)該點(diǎn)位規(guī)定限值的70%,觸發(fā)預(yù)警。圖6為深基坑孿生仿真云平臺(tái)中深層墻體測(cè)斜監(jiān)測(cè)預(yù)警界面。單擊測(cè)點(diǎn)模型,模型視角會(huì)自動(dòng)拉近到預(yù)警點(diǎn)位置,同時(shí)右側(cè)會(huì)彈出顯示該報(bào)警點(diǎn)的當(dāng)日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及累計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的圖表信息。

2.5 孿生模型與數(shù)值模型的轉(zhuǎn)化

由于基坑模型體量較大,本文現(xiàn)僅以地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)為例對(duì)孿生模型與數(shù)值模型的轉(zhuǎn)化進(jìn)行說(shuō)明。圖7是該工程地下連續(xù)墻部分構(gòu)件孿生模型與數(shù)值模型的轉(zhuǎn)化界面。

圖7 地下連續(xù)墻部分構(gòu)件孿生模型與數(shù)值模型轉(zhuǎn)化界面截圖

2.6 算例應(yīng)用

仍以地下連續(xù)墻為例說(shuō)明基于深基坑孿生仿真云平臺(tái)的算例應(yīng)用。計(jì)算各地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)主體采用彈性本構(gòu)模型,地基各層巖土體采用彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算?；娱_(kāi)挖深度按20 m計(jì)算,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻深度按40 m計(jì)算,厚度為1.0 m。設(shè)開(kāi)挖深度為h,圖8為該項(xiàng)目在不同開(kāi)挖深度下的地下連續(xù)墻水平位移等值云圖。

圖8 不同開(kāi)挖深度下的地下連續(xù)墻水平位移等值云圖

由圖8可知:基坑開(kāi)挖過(guò)程中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平橫向與縱向兩個(gè)方向的變形均是一個(gè)不斷增加的過(guò)程;不架設(shè)支撐體系時(shí),地下連續(xù)墻的墻體向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生變形;地下連續(xù)墻頂部的位移最大,隨著深度增加逐漸變小,且沿深度方向呈懸臂式分布;在考慮支撐體系的情況下,地下連續(xù)墻墻體發(fā)生最大水平位移的位置逐漸下移,均出現(xiàn)在各開(kāi)挖工況前一個(gè)開(kāi)挖面的附近。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)了基于BIM技術(shù)的深基坑孿生仿真云平臺(tái)。該平臺(tái)系統(tǒng)在深基坑信息管理、監(jiān)測(cè)管控等方面均取得了良好的收效,構(gòu)建了基于實(shí)際工程的數(shù)字孿生模型及各類(lèi)孿生監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隨著數(shù)據(jù)的更新與累積,該平臺(tái)系統(tǒng)能形象、直觀地自動(dòng)生成多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)報(bào)表和分析曲線,能較好地滿足了深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速處理及信息反饋的需要。

此外,本文研發(fā)了孿生平臺(tái)與ANSYS有限元軟件之間的數(shù)據(jù)交互端口,提出了數(shù)字孿生模型與數(shù)值模型數(shù)據(jù)交互的方法,這為深基坑有限元模型的實(shí)時(shí)分析提供了實(shí)現(xiàn)途徑?；谠撈脚_(tái),可得到基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,進(jìn)而為工程施工選擇合理的支護(hù)方案提供依據(jù)。