BIM監測信息管理案例研究

戎呈航,陶紅雨

(紹興文理學院土木工程學院,浙江 紹興 312000)

近年來,建筑信息模型(Building Information Model, BIM)技術在國內快速推廣,其應用方法與技術是當下研究熱點。BIM應用的關鍵是工程信息的有機集成、共享與管理[1],通過對工程信息的有效組織與追蹤,支持、反映各方的協同管理,輔助與優化項目決策,以發揮提高效益、降低成本、控制風險的作用。

監測信息是工程信息的重要組成部分,反映了工程在實施階段的各項重要指標,其內涵信息與工程目標高度關聯。BIM若無管理工程監測信息的能力,即無法實現對復雜工程信息的有效組織與追蹤,影響BIM在工程實施階段的應用成效。伴隨BIM應用研究的深入發展,BIM監測信息管理受到業界的重視,在一些工程項目中進行了相關研究與應用,探索了多樣化技術方案。收集整理相關案例,研究其理論、技術以及工作模式,分析其共性,對于該領域的進一步研究有重要參考意義。

1 BIM監測信息管理的內涵

BIM監測信息管理是BIM模型與監測信息的集成,是工程監測與BIM應用的業務整合，是通過關聯BIM模型與工程監測信息,利用工程監測信息充實BIM內涵,利用BIM模型直觀表達監測信息的策略與方法。BIM監測信息管理可充分挖掘工程信息價值,優化工程管理決策,強化工程風險管控能力。

BIM能夠高效地組織工程信息組織,數字化的BIM模型可有機集成復雜工程信息,強化相關信息之間的聯系,是提供信息傳遞、過程模擬、動態分析的高效工具；通過BIM模型標識轉化抽象監測數據為可見信息,大幅提高信息表達的效率,形成整體化、動態化的監測信息模型,可強化監測對工程管理的指導作用。

BIM監測信息管理是工程監測活動與BIM應用的整合重塑,其內容包含監測數據采集、監測數據標準化管理、監測數據分析、BIM模型可視化等工作。 工作流程見圖1。

圖1 BIM監測信息管理工作流程

2 BIM監測信息管理的基礎框架

2.1 BIM監測信息管理硬件基礎

依據工作內容差異,BIM監測信息管理硬件框架(圖2)可分為四個層面,即信息采集層、信息傳輸層、信息管理層、應用層。信息采集層設備負責工程信息的采集,主要硬件為工程測量設備,包含各專業傳感器、測量儀器等；傳輸層設備負責傳遞、交換測量設備所取得的監測數據,主要硬件為傳輸介質與傳輸設備,例如調制解調設備、光纖、無線網絡等。信息管理層是整個框架的核心層,該層設備負責監測數據的標準化處理與儲存、監測數據的分析與判斷、BIM模型的創建與維護、BIM動態模型以及相關管理信息的實時發送等重要工作,主要硬件為網絡服務器與計算機；應用層設備負責信息的發布與反饋,利用計算機、手機等設備提供整體化的工程信息管理窗口,利用自動化設備根據監測信息進行對應調控。

圖2 BIM監測信息管理硬件框架

2.2 BIM監測信息管理的軟件基礎

當前BIM監測信息管理處于探索性應用階段,尚未有成熟軟件方案,但BIM監測信息管理對于軟件的需求基本是明確的(表1),包括以下幾個方面：1)BIM建模能力,即BIM模型的創建與編輯,在模型層面上明確建筑內部結構、材質、幾何、相對位置等關系信息,提供建筑信息管理的基本框架；2)監測數據庫管理能力,將以各種手段取得的監測數據數字化、標準化管理的能力,便于其他軟件調用；3)監測數據分析能力,根據相關標準和計算等方法內置數據分析邏輯,對于實時監測數據進行分析判斷的能力；4)監測數據表達能力,對于監測數據的判斷結果表達為可視化結果,并快速反映到BIM模型上的能力；5)模型展示能力,將BIM動態化模型快速發送給管理決策者,提供統一、透明、公開的協同管理平臺。

表1 BIM監測信息管理常用軟件

3 BIM監測信息管理案例分析

通過文獻調查,收集BIM監測信息相關案例,分析案例對應的應用領域、技術要點、應用成效,挑選代表性案例進行介紹。

3.1 深基坑工程監測領域

深圳某地鐵項目基坑[2]項目采用了基于Web與BIM的監測信息管理方案。通過web service技術搭建程序接口,數據以IFC標準形式存儲于數據庫,通過Revit IFC開源接口實現數據交互。采用Unity將對應數據生成三維模型,提供直觀的基坑工程現場三維模型。通過點選監測點可查詢、管理對應監測數據,輸出監測數據報表。

漢口某航運中心臨江基坑[3]項目通過Web系統管理監測數據,利用Revit軟件條件語句族函數實現監測數據到構件材質顏色屬性的映射,利用色差區分不同監測狀態；利用Navisworks工具,將監測信息添加到時間軸上實現開挖過程的動態模擬。在監測信息可視化的基礎上,對基坑監測信息的動態發展以模型形式進行直觀表達。

昆明某高層建筑基坑[4]項目在Revit軟件中利用Dynamo進行監測數據的參數化建模,將監測點的各向位移以三維柱狀模型進行可視化表達,實現了監測信息直觀化。

3.2 橋梁施工監測領域

虎門二橋[5]懸索橋項目以Tekla structure軟件建立的BIM模型為基礎,設置結構構件、傳感器的標準編碼,采用數據庫集中管理結構信息與監測取得的構件偏差、標高等信息,通過Unity3D完成模型數據的三維直觀表達,監測數據與模型構件對應關聯,通過選定構件可查詢該構件各階段的監測數據,實現了鏈接式的監測信息模型注釋。

怒江特大橋[6]鋼桁拱橋項目利用Dynamo工具開發鋼桁橋結構施工監控報警程序,以Midas軟件計算結果為參照,對施工監測信息進行判定,將判定結果用色彩標識的形式賦予對應構件,實現了施工監測數據的可視化。

3.3 結構健康監測領域

江蘇南部某鋼桁橋[7]項目以橋梁三維模型為參照,確定實際結構病害位置的三維坐標,在鋼桁橋BIM模型上將結構病害以色彩標記形式表達,建立模型構件與病害信息之間的鏈接,便于結構病害信息的快速查詢。

滬通長江大橋[8]斜拉橋項目將監測數據采集后上傳服務器統一管理,在程序分析處理后對結構狀態進行自動評價,通過三維模型反映監測設備信息、監測數據、結構病害等信息,統一管理工程全壽命周期信息,提高了工程信息的利用率。

3.4 隧道工程監測領域

上海某地鐵區間盾構隧道[9]項目結合GIS、BIM、自動化監測、有限元分析等技術形成工程監測綜合管理系統。以GIS二維模型、BIM三維模型對隧道信息進行直觀表達,將結構病害的位置表達在對應的模型位置上,通過點選模型可查詢對應監測信息,提供隧道工程信息管理的全局視野。

大連金普鐵路隧道[10]項目在Revit建立的隧道結構模型基礎上,將BIM模型數據、監測信息、風險信息整合為IFC標準數據,由數據庫統一管理并發布為Web,利用WebGL生成隧道三維模型,提供地質模型、監測數據、風險判定等信息的查詢,形成基于Web的工程綜合信息管理系統。

3.5 環境與能耗監測領域

臺灣省北部地鐵隧道項目[11]在軌道安裝過程中對隧道內空氣質量進行了監測,防范有害氣體造成的施工風險。編寫C#程序實現無線傳感器網絡與BIM模型的關聯,實現有害氣體的濃度、溫濕度監測數據到BIM模型對應位置的映射,采用不同顏色動態顯示隧道內有害氣體風險狀態,對于達到報警值的區域在模型上標志為紅色,并遠程啟動隧道內的閃光燈進行報警。

Donghwan Lee等[12]在世宗市某小學教學樓項目中結合建筑能源管理系統(BEMSs)與BIM,搭建基于Web的建筑能耗監測管理系統,利用BIM模型表達建筑信息,將不同區域的能耗信息反映到模型對應位置,為建筑能耗的分析提供直觀參照。

4 BIM監測信息管理要素分析

案例研究發現,BIM監測信息管理在各領域的探索性應用中取得了一定成效。盡管各案例在技術路線上存在差異,但BIM監測信息管理的實現是存在共同要素的,即：工程信息的標準化管理，監測數據與模型的動態關聯，監測信息的可視化表達，與其他技術的集成創新。

4.1 工程信息的標準化集中管理

工程信息標準化集中管理是以充分挖掘工程信息價值為目標,對工程信息進行分類、處理、傳輸、存儲,形成工程信息集合以便于各環節調用的策略。工程信息通常來源多樣、形式各異,若無法化繁為簡,則無法實現工程信息在各環節之間的順暢流通,將限制BIM集成管理工程信息的能力。

工程信息的標準化集中管理包含三個方面:一是監測數據的標準化,即實現監測數據文件格式、報送方式、存儲形式的標準化；二是工程信息的數字化,使工程信息適應BIM應用,保障信息穩定性、精確性、互用性；三是工程信息的集中管理,為工程管理各環節軟硬件對工程信息的快速調用,為工程信息的關聯分析提供通路。

4.2 監測信息與BIM模型的動態關聯

BIM與工程監測信息是相對獨立的信息集合,實現BIM監測信息管理的首要任務是建立兩者之間的聯系,實現動態關聯。

分析案例中監測數據與BIM模型關聯模式,主要有以下三種：一是基于IFC標準文件的關聯,將監測數據轉化為符合IFC標準的信息,將其添加到BIM模型文件中,作為屬性信息即時賦予對應BIM構件；二是通過窗口鏈接的方式實現信息管理,通過設置BIM模型內部構件與對應監測信息查詢窗口之間的鏈接,點擊構件實現對應實時監測數據的查詢；三是通過線索(如統一編號、時間軸)關聯二者,賦予BIM模型與監測數據關聯線索,在第三方窗口實現二者結合,以過程模擬的方法實現動態關聯。

4.3 監測信息的可視化表達

BIM模型對監測信息的可視化表達是BIM監測信息管理的核心能力。監測數據可視化是對監測結果的可視化,是建立在監測信息分析的基礎之上的。為此需集成對監測數據的分析能力,需依據設計、規范、計算、經驗設定監測數據的判定邏輯,利用軟件工具快速判斷監測數據并輸出結論。

監測數據可視化的常見表達形式有兩種：一是以色彩區分的可視化,如色彩分階的方式；二是幾何表達的可視化,如三維柱狀圖。對于不同技術內核的方案,實現可視化方法也有很大區別,但整體上可分為兩類：一類是直接對模型文件進行修改編輯的方法,可通過IFC標準文件編輯直接修改模型屬性,也可通過參數化建模快速生成對應實體,實現監測信息可視化；另一類是在模型渲染的過程中將對應屬性直接表達的方法,例如在圖形引擎渲染模型過程中直接反饋監測信息。

4.4 與新興技術的集成創新

BIM技術是BIM監測信息管理的核心,其數字化特性為整個體系提供了的高度開放性,使BIM監測信息管理能夠與其他具備數字化特性的信息技術高度兼容,是BIM監測信息管理的關鍵優勢。

BIM監測信息管理在監測信息采集方面可通過與無線傳感器網絡、點云掃描、傾斜攝影等先進信息采集技術的集成創新,在提高工作效率與數據質量方面取得顯著成效。

數字化的BIM模型通過簡單編輯與處理可導入專業分析軟件,如ANSYS 、Abaqus,省去信息的重復輸入。在此基礎上,BIM監測信息管理可將CAE軟件作為系統內的分析模塊,以軟件模擬工況,計算與推測監測數據指標,為監測數據設定參照指標；同時也能以軟件分析監測數據,對相關參數指標的發展趨勢進行推導與估測。BIM監測信息管理也能通過整合GIS等信息工具,通過功能互補, 實現能力擴展。

5 結 語

在BIM技術快速推廣的當下,BIM監測信息管理作為BIM在工程實踐階段應用的關鍵部分,受到越來越多的關注。但案例分析發現,各項目在實際應用過程中,采用的技術方案及實現的應用效果有較大差異,尚未形成完整標準,整體而言,BIM監測信息管理目前仍處于探索階段。在案例分析基礎上,總結了實現BIM監測信息管理的四要素,為BIM監測信息管理實現的基礎,也是其進一步發展的方向。相信隨著相關技術與理論發展,BIM監測信息管理逐漸將形成統一標準,其內容與方法將不斷豐富,逐漸將成為工程信息化管理的重要跳板。