BIM技術在地鐵站基坑支護工程中的應用

劉 星 顧國明

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心 上海 201114

1 工程概況

上海軌道交通13號線東明路站位于成山路與東明路交叉口東側，軌交6號線東明路站旁，主體結構沿成山路東西向布置，建成后6號線、13號線可形成T形換乘。其中，軌交13號線東明路站全長203.2 m，寬21.6 m，地下3層島式車站，有效站臺范圍按地下3層雙柱三跨框架結構設計。

2 工程難點

本站基坑采用明挖順作法施工，難點較多。

1）合流污水管距車站東側端頭井基坑最近處1.7 m，距車站西側端頭井基坑最近處0.8 m。建設地址位于軌交6號線東明路站旁，建成后6號線、13號線可形成T型換乘。

2）基坑深、支撐數量多、信息量大。基坑最大深度22.35 m，沿基坑深度方向設置6道支撐，有逾200根鋼支撐。施工過程中產生的數據和信息多，出現的情況較為復雜，面對突發事件，現場響應時間需要更加及時、快速。

3）基坑變形控制要求難度極大，支撐設置與安裝容許偏差小。

因此，為滿足業主和設計單位提出的基坑變形控制要求，保證工程順利進行，采用了上海建工集團最新研制的基于BIM技術的深基坑微變形監控系統，借助BIM技術[1-5]，對鋼管支撐進行軸力補償和實時監控，確保鋼支撐受力均勻。同時，展示鋼支撐的實時軸力信息和空間位置，以便現場管理人員及時、迅速地判別鋼支撐位置，監控鋼支撐的安全信息，查找和解決問題，確保施工安全和順利。

3 基于BIM技術的基坑鋼支撐軸力實時監控方案

3.1 系統簡介

課題組開發出了基于BIM技術的基坑鋼支撐軸力實時監控系統。該系統與現有的鋼支撐補償系統無縫連接，通過傳感器，采集現場非標增壓油缸的實時壓力數據，匯入現場監控中心，再依靠數據采集設備和數據傳輸設備，上傳多達144組油缸數據，實現項目數據錄入云平臺。同時，將輕量化后的BIM工程模型導入云服務器。通過網頁端，將油缸數據編號與BIM模型中的鋼支撐位置編號配對，實時監控現場鋼支撐軸力數據，接收和處理預警信息，最終形成一套基于網絡的、實時的深基坑微變形智能監控系統。該系統引入了BIM技術，對目前的支撐平臺進行三維展示，滿足不同用戶的使用需求。BIM平臺現階段的主要作用則是便于快速查看在三維狀態下鋼支撐平臺的空間位置關系、運行狀態及監測信息，支撐系統的控制不在本需求范圍內（圖1）。

數據總線采用的是HTTP/MQTT結合的方式，有利于總線管理的高效性及數據的高可靠性。數據處理分為服務端和客戶端。

圖1 系統設計

服務端的架構包括終端接入層、系統服務層、集群服務層、物理層。終端接入層的主要作用是提供數據接入的入口，同時提供數據展示端的數據獲取服務。系統服務層主要為系統提供所需的網絡服務，如設備管理、認證服務、存儲、數據采集、遠程通知、日志服務等，該層級后期可根據實際的業務進行模塊擴展。集群服務層主要提供系統微服務實例及大數據引擎，保證系統的高可擴展性及穩定性。目前物理層采用的是阿里云提供的云虛機，在這之上構件所有的系統組件及服務，所有虛機實例均需部署Mesos所需服務組件進行統一部署維護。

客服端由實時數據上報、歷史數據上報、傳感器狀態上報、其他流程模塊這4個模塊組成。

實時數據上報是在現場PC部署服務程序，把整個現場PC作為一個多通道的傳感器看待，用于實時采集各個傳感器的數據并進行上報（圖2）。

圖2 實時數據和歷史數據上報流程

數據上報流程包括：

1）采集隊列：在線的傳感器進入待采集隊列，不在線的傳感器移出隊列。

2）采集任務觸發器：采集任務觸發器會每隔T時間觸發一次采集任務。

3）實時數據采集：采用“基于多線程的并行任務”進行實時采集，把采集隊列中不同傳感器的采集任務分配給多個采集TASK去處理。

4）采集數據：在指定時間間隔T下直接采用SQL語句，查詢指定傳感器在指定時間點的數據信息。

5）數據隊列：采用Redis這種于基于內存的Key-Value存儲系統。

6）實時數據上報：采用MQTT物聯網傳輸協議，用于輕量級的發布/訂閱式消息傳輸，保障上報信息可靠性。

7）傳感器上報記錄：當傳感器指定時間點的數據上報成功時，需更新MySQL數據庫中傳感器上報記錄的時間點，該時間點表示在此時之前的傳感器數據已成功上報。

在實施過程中，還需要處理上報傳感器的歷史數據，其來源包括：

1）由于云平臺需升級或異常退出，導致退出期間無法接收傳感器數據，此時發送失敗的數據就為歷史數據。

2）由于現場PC服務程序可能由于升級或者出現異常退出，導致退出期間的傳感器數據沒有上報到云平臺，此時退出期間的數據就為歷史數據。

3）其他異常導致的傳感器數據傳輸失敗，也作為歷史數據。

因此，歷史數據處理步驟包括：

1）未上報歷史數據構建：服務程序啟動時，時間比較，如果上報記錄時間小于當前時間，則插入傳感器上報記錄信息到歷史數據記錄MySQL數據庫。

2）實時數據上報失敗：當服務程序由于各種原因無法上報實時數據到云平臺時，則把相應傳感器數據插入歷史數據記錄數據庫中，作為歷史數據進行上報。

3）歷史數據獲取：從歷史數據記錄數據庫中獲取待上報的歷史數據，并插入歷史數據隊列。

4）歷史數據隊列：同樣，為了提高效率并且方便各個服務訪問歷史數據緩存隊列，采用Redis這種基于內存的Key-Value存儲系統。

5）歷史數據上報：采用“基于多線程的并行任務”進行上報，把歷史數據隊列中不同的歷史數據上報任務分配給多個上報TASK去處理，并采用HTTP協議。

6）歷史數據記錄移除：如果歷史數據上報成功，則從歷史數據記錄數據庫中移除該歷史數據。

在項目實施過程中，傳感器本身的狀態也是待采集和管理數據的一部分。步驟包括：

1）傳感器數據文件掃描服務：如果傳感器設備存在對應傳感器數據文件，則傳感器當前可能在線，并更新信息到傳感器狀態信息中；如果傳感器設備不存在傳感器數據文件，則傳感器當前不在線，并更新狀態信息到傳感器狀態信息中。

2）實時數據采集失敗：在傳感器數據實時采集TASK中，如果指定傳感器超過采集間隔T，仍然采集數據失敗，則更新傳感器狀態為“下線”。

3）傳感器狀態管理：當檢測到傳感器狀態變更時，插入最新傳感器狀態數據到狀態隊列中。

4）傳感器狀態隊列：本項目采用Redis這種基于內存的Key-Value存儲系統。

5）實時狀態上報：采用“基于多線程的并行任務”進行實時上報，把傳感器狀態隊列中不同傳感器的狀態上報任務分配給多個上報TASK去處理；上報協議采用MQTT物聯網傳輸協議。

其他流程：現場PC設備注冊與心跳。在項目實施過程中，除了要管理傳感器外，我們還需要管理現場PC。

1）注冊：把現場PC注冊到云平臺，方便狀態查看及后續管理。

2）心跳：注冊到云平臺成功后，則在現場PC和云平臺之間建立心跳連接，如果心跳失敗，則停止和云平臺相關的業務，等待重新注冊云平臺成功。

3.2 系統設備的平面布置

上海市軌交13號線東明路站項目沿基坑深度方向設置6道支撐：包括鋼筋混凝土支撐和鋼支撐，鋼筋混凝土支撐的支撐截面800 mm×800 mm，頂圈梁截面1 200 mm×1 000 mm；鋼支撐型號包括φ609 mm（t＝16 mm）和φ800 mm（t＝20 mm），對鋼管支撐進行軸力補償和實時監控（圖3）。

圖3 系統設備布置

3.3 系統網頁端監控平臺及其功能

BIM主頁面主要通過BIM模型展示了項目的整體運行情況（圖4），更直觀地展現項目在空間中的位置及周邊情況，用戶則可更容易地了解項目運行的緣由及系統的價值，具體的功能有：項目基本信息展示、項目總體三維展示、項目數據對接硬件系統的布局、硬件系統的鏈接方式、周邊配套設施的部署安裝情況、泵站所掛載的油缸位置及狀態、項目第一視角漫游功能、泵站區域展示功能、當前系統工作狀態。

圖4 BIM模型展示

系統提供了剖切圖展示功能（圖5），用戶可點擊左側相應的項目樹去選擇指定的油缸，更有針對地展示油缸數據及相應的位置狀態等。剖切區域圖（圖6）主要展示的是選取的泵站所控制的油缸所在的空間位置及所控制的承壓區域，項目管理人員可迅速地了解該區域的安全情況，出現問題時，也可有目的性地去解決問題，輔助項目管理人員管控項目。區域選擇功能主要輔助管理人員了解項目總體在空間中的劃分情況，輔助項目管理及安全規劃。系統配置功能主要輔助管理人員配置當前系統的基本信息：項目名稱、項目地址、壓力單位等。用戶可以根據項目的實際情況進行修正。

圖6 剖切區域圖

4 結語

系統在地鐵站基坑支護工程中的應用順利，效果較為理想，建筑信息化模型為相關人員提供了一個快捷的、直觀的施工現場關鍵設備空間位置關系，同時也提供了相關設備的關鍵技術參數的實時數據，便于多方共管，多方共建，推進工程進度，確保施工安全。系統應用過程中，發現了下一步系統改進之處，比如能否通過技術手段減少數目眾多的鋼支撐和油缸參數匹配對接工作量等。