BIM技術在高樁碼頭監測中的應用研究?

陳 靜 楊 凱 馬瑞鑫 戈廣雙 楊東遠

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津 300456）

1 引言

建筑信息模型/管理（Building Information Modeling/Management，BIM）是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，在統一的標準下，建立起建筑物實體的三維物理模型，并通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息［1～2］。

BIM技術的優勢在于便于實現建筑物信息的展示、存儲和共享等數據交互功能，并且可以通過信息加工實現建筑物模型化和可視化，利于設計的合理性校驗，以及項目的精細化管理。目前，我國建筑業信息化率僅為0.03%［3］，盡管經過近幾年的發展，在BIM方面取得了一些研究和應用成果，但基本還處于起步探索階段，尤其在港口水工建筑物方面的應用維護中BIM技術的應用案例更是少之又少。

本文作者以我國北方的某一大型港口的高樁碼頭作為研究對象，探討BIM技術在高樁碼頭監測應用的可行性及應用價值，編寫了該碼頭建模規則，開發了BIM模型的接口并實現了模型與監測信息系統的對接，完成了高樁碼頭監測的合理性校驗、數據采集、實時監測、數據分析、安全預警等功能，為BIM技術在港口碼頭監測應用領域做出有效的探尋［11～12］。

2 現狀分析

2.1 碼頭現狀

全國港口生產性泊位從建國初期的161個發展到2011年的31968個，增加了近198倍，其中沿海萬噸級及以上泊位從133個增至1762個［6］。當前，這些碼頭多數技術狀況不容樂觀，很多碼頭是帶病工作。特別是改革開放三十年以來，新建泊位數量急劇增加，吞吐量和相關配套服務能力空前提升。但是，在投資大，工期緊、任務多的情況下遺留了很多問題。許多碼頭技術狀況不良，部分水工建筑物在遠未達到設計使用壽命時，就出現了耐久性嚴重退化的現象［4～5］。

2.2 高樁碼頭傳統的檢測技術

目前，對于碼頭結構的檢測評估，主要采用經驗法，以傳統的CAD圖紙為依據，如通過目測巡視檢測混凝土的外觀是否損壞；通過全站儀和靜力水準儀等測量儀器檢測結構整體的不均勻沉降、水平位移和傾斜；對于高樁碼頭的相對位移、應力應變、振動和溫度等重要檢測指標，則是通過現場傳感器的安裝，收集數據，建立管理系統，并結合相關的檢測指標進行對比，以此來判斷碼頭的健康狀況［7］。

現有的監測檢測手段往往以數據為依據，不能將整個碼頭的安全運行狀況直觀地展示出來，對于整體的運維管理，有一定的制約性。運用BIM技術構建三維模型，并結合相關數據信息，可有效地實現與建筑物的信息交互，實時掌握碼頭結構的健康狀態，精確定位、排查安全隱患，對港口的安全運營、科學發展起到了促進作用。

3 BIM在碼頭監測領域的應用及優勢

3.1 高樁碼頭的結構特點

高樁碼頭的監測特點，主要體現在其對于精確性和容錯性的需求，碼頭的振動幅度區別于橋梁和其他建筑物，結構不易發生變形，產生的震動振幅小且頻率快，對于精度的需求很高；而當碼頭面板上的設施及車輛發生運動時，振幅會相對加大，部分傳感器安裝于水下，由于液體傳播頻率的影響，有時會出現非常規的監測數據，需要及時剔除錯誤數據，以免形成錯誤的報警信息。通過數據采集分析和實驗研究，BIM建模以其高精度和容錯性的設計需求，在這一點上完全滿足高樁碼頭振幅監測的需要［8］。

使用Autodesk Revit建立了參數化的高樁碼頭原型，根據測繪、地質、線路等基礎數據，設計人員利用參數化的族庫，建立了高樁碼頭的面板及基樁的BIM模型。族庫包括：面板、橫梁、基樁、插樁、標識等（圖1所示）［9］。

3.2 建立高樁碼頭BIM模型

對該高樁碼頭的整體結構進行系統的規劃設計，運用BIM技術的參數化智能構建模型，通過直觀的三維系統，有效地實現信息交互，并數字化，可視化地呈現整個高樁碼頭采集終端、線纜的序號以及安放位置，并根據需求模塊化的劃分功能區域，以提高管理效率。

數據存儲系統選用的是SQL Sever系統，通過對其數據庫系統的開發利用，建立了多級用戶的數據訪問系統，以實現了高樁碼頭BIM模型與其之間的數據存儲和交互。

1）建模規則

BIM模型精度描述了一個模型構件單元從最低級的近似概念化的程度發展到最高級的演示級精度的步驟，需求不盡相同，其相應側重的模型的精細度要求也就不同。

根據BIM模型對精細程度的定義標準LOD技術的要求（Levels of Detail），我們將該高樁碼頭的現場環境分為兩個等級，碼頭整體、設備終端、線纜等參照LOD 300標準，而現場周邊環境參照LOD 200標準。該高樁碼頭BIM模型的詳細信息如表1所示［10］。

2）編碼規則

建立BIM模型編碼規則，對高樁碼頭整體及設施設備進行編碼，是對其模型進行有效管理的基礎。通過對模型編碼，實現了數據采集監測系統與BIM模型系統的結合，即可通過模型查看設備信息，也可通過查詢編號，快速定位該設備在模型中的位置。

高樁碼頭整體監測系統由碼頭整體結構以及檢測系統兩部分組成。碼頭整體系統包括：碼頭面板、橫梁、縱梁、基樁和叉樁五部分組成；監測系統由現場采集終端，包括：位移傳感器、振動傳感器、應變傳感器和加速度傳感器四類傳感器和線纜，包括網線和光纖組成。根據檢測系統的組成，現將其整體分為兩類（如表2），具體的編碼規則如表3所示。

表1 高樁碼頭BIM建模規則

表2 高樁碼頭BIM模型層級劃分

表3 高樁碼頭BIM模型設備編碼規則

3.3 合理性沖突檢查

1）碼頭健康監測指標分析

碼頭的健康狀態是維持碼頭正常運行的首要條件。健康監測主要包括變形監測和相互作用力監測，通過數據采集分析確定位移、應力應變、振動和溫度四個主要監測指標，以及碼頭結構的外觀、設備設施等健康狀態的監測，建立高樁碼頭的監測規律曲線，分析高樁碼頭狀態的相對規律，為碼頭的維護與管理提供決策依據，必要時發出預警信息，以保證碼頭結構和作業人員的安全。

碼頭監測數據分析采用融合算法，對若干個測量數據進行一致性檢驗，然后將檢驗后的數據分成兩組，對兩組數據的平均值采用分批估計算法。

設被測數據的真值為S0，則測量值可表示為

式中：S為數據測量值，N為測量噪聲。

設第一組一致性測量數據為

同時考慮第一、第二組的測量結果，測量方程式（1）可變成：

式中，N(1)、N(2)分別為1、的測量噪聲，即剩余誤差。此時，、為同一批的兩個測量數據，此前無任何有關數據測量的統計資料，也就是說此前測量數據的方差∞ ，則 ()-1=0。

基于算術平均值與分批估計相結合的數據融合算法，導入BIM模型，測算出監測的高樁碼頭結構的虛擬數據（如圖2），將測試數據的上限S0（綠色線段）與S1（黑色線段）通過融合算法得出的模擬檢測數據Sa（黃色線段）與實測數據A（藍色線段）進行對比，認定其滿足高樁碼頭監測標準需求。

2）監測終端的合理性校驗

傳統的作業方式中，需由設計人員根據現場觀測，繪制二維平面圖紙。高樁碼頭現場條件復雜，平面很難直觀地反映出現場的情況，后期采集終端的位置調整也會造成巨大的成本追加。選取高樁碼頭橫縱梁與基樁為測試區域（如圖3），利用BIM技術可在采集終端點位設計階段進行合理性校驗（如圖4），對比分析數據，消除隱患，優化設計，減少在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性。

3.4 開放數據接口，提高運維效率

開發高樁碼頭BIM模型的數據接口文件，使其與高樁碼頭實時監測系統相結合，構建實時監測平臺（如圖5），以實現高樁碼頭結構信息化操作管理、港口碼頭檢測數據查詢與統計分析監測數據在線實時顯示與監控預警等功能，進一步體現了BIM技術的應用價值。

3.5 提高圖紙的精確度

通過BIM技術建設三維模型，可導出二維平面圖紙（圖6），并標明傳感器安防的位置，其優勢在于模型與圖紙的高度一致性，省去了圖紙的位置和校準所浪費的時間，確保了圖紙的準確性，為后期的設備維修和更換提供了保障。

4 結語

本研究結合高樁碼頭監測的特點及需求，基于BIM技術對其進行實時監測的研究，實現了監測管理的智能化和信息化水平，提高了設計質量以及監測效率，安全預警功能的開發也為碼頭的正常運營提供了技術保障。這一研究將有效提升高樁碼頭監測水平，對于現有的水工建筑物監測檢測技術探尋了方向，提供了新的思路。