基于BIM 實施與結構有限元分析的城市軌道交通智慧監測技術研究

李君君 劉曉慶 李朋亮

（石家莊鐵路職業技術學院1） 河北石家莊 050041 石家莊鐵道大學四方學院2） 河北石家莊 051132中鐵二十二局集團電氣化工程有限公司3） 北京 102308 ）

1 引言

BIM 技術產生發展20 年來，在國內AEC 行業應用較晚，其可開發的潛力巨大，結合新的軟件開發、5G 移動通信技術網絡與設備的廣泛應用、物聯網的高速發展，各項前沿技術又將進一步結合到BIM技術中來，從而使工程項目獲得更高的效益。想要實現基于BIM 的智能化開發，首先需要將所有工程結構信息進行數據化，這就為信息數字化智慧監測技術提供了平臺。與傳統的工程監測及信息收集相比，基于BIM 模型和實時數據采集傳輸系統能夠極大的增強工程項目的監測數據量以及智能測控水平，監控頻次可以分鐘或秒來計算，這在很大程度上加速了工程信息化的快速流通。

2 基于BIM 技術的MIDAS-GTS 有限元分析

某地鐵車站鄰近既有運營線，最近距離不到10m，在基坑工程開挖前，通過MIDAS-GTS 有限元計算軟件分析基坑開挖對既有線運營的安全影響，輸出計算值作為施工期間監測變形參照依據。通過將BIM 軟件與巖土工程有限元仿真分析軟件MIDAS-GTS 的相互融合，可以大大的提升數值分析仿真程度，極大的縮減幾何模型的建模時間、提升建模效率，同時利用BIM 模型的多信息特點，使得FEA 模型的大小、比例、材料屬性等更精確、更高效。BIM 建模與有限元仿真分析軟件一體化程序的研發，對實際工程的使用和仿真分析的發展都具有里程碑式的重大意義。

基坑開挖分析過程最重要一環就是對BIM 建模的結構模型進行有限單元化后模擬開挖過程的受力、變形等相關分析，目前尚未有BIM 模型和Midas-GTS 軟件完全契合的分析軟件，因此需要借助Revit的數據交換功能使其與Midas-GTS 分析軟件進行無縫鏈接。

2.1 IFC 標準

IFC 標準就是實現數據交換的基礎，使得以BIM 技術搭建的為工程建設參與的各方提供一個綜合平臺成為可能。IFC 標準是指數據交換格式標準，在使用不同軟件分析后會產生不同格式的信息，需要相互接入不同軟件或統一到一個軟件平臺時，只需要將信息數據交換的部分統一的進行IFC 格式轉化即可，轉化后的信息格式統一，如圖1 所示。

圖1 IFC標準格式交換圖示

2.2 Revit 應用程序接口

Revit 最顯著的特點是具備開放的應用程序編程接口，該接口的名稱為Revit API(Application Programming Interface)，可以使用戶借助開放的接口進行二次程序開發，極大的擴展了Revit 的使用范圍。由于MIDAS-GTS 中是支持IFC 標準的文件導出，只是在IFC 文件的導入時不支持，因此可以采用Revit API 的方式通過編程來開發數據交換模塊。

2.3 基于BIM 模型的有限元計算屬性確定

選定有限元分析所需參數，將其導入到前述建立的地質及結構BIM 模型中，并經過數據轉換，跟隨模型導入Midas GTS 有限元計算程序中。

依照地質資料，土層地質參數如表1 所示。

表1 土層地質參數

根據仿真分析理念，當計算土體分析的模型平面尺寸與實際結構的平面尺寸之比超過3～5 時，邊界效應對結構分析的靜、動力反應影響已經很小了。故本模型的計算區域尺寸選擇為長800m，寬400m。

2.4 基于BIM 模型的有限元模型構建

將具備計算屬性的BIM 模型通過轉換接口導入Midas GTS 計算程序。

首先進行網格劃分：土體單元選用三維實體單元，本模型選用四面體單元和其他類型單元混合的單元劃分模式。利用模型中已經具備的分層土體的地質參數和計算土體模型尺寸，可直接完成地鐵基坑周圍土體三維空間的有限元模型建立。對幾何模型進行網格單元劃分時，對土體開挖部分和既有鐵路的路基部分土體網格進行加密劃分，其它遠離基坑開挖和既有鐵路路基的區域土體網格劃分可適當粗略進行，這樣既能保證計算結果的收斂性，還可以提高計算效率。導入Midas GTS 的幾何模型與網格劃分如圖2。車站基坑開挖與既有鐵路關系如圖3 所示。

圖2 三維幾何模型與網絡劃分

圖3 地鐵車站與既有鐵路位置關系圖

2.5 圍護結構加強后基坑開挖對既有鐵路影響有限元模擬分析

根據施工順序要求，模擬本工程施工階段基坑開挖需要分6 步進行。第1 步：主體結構防護樁和臨鐵路側附屬圍護樁施工；第2 步：開挖第一層基坑土體，基坑主體及附屬結構基坑開挖2.4m，施加第一道橫撐；第3 步：開挖第二層基坑土體，基坑主體及附屬結構基坑開挖6.1m，施加第二道橫撐；第4步：開挖第三層基坑土體，基坑主體開挖5.2m，施加第三道橫撐；第5 步：開挖第四層基坑土體，基坑主體開挖5.1m；第6 步：施加地下結構荷載，根據設計數據換算為均布荷載的大小為88kPa。

有限元模擬分析結果本文僅以豎向位移為例，地下結構施工階段如圖4 所示。

圖4 地下結構施工階段豎向位移

2.6 基坑開挖對既有鐵路影響分析

為分析地鐵車站基坑施工對既有鐵路路基的影響。假定軌道與地面不產生裂縫，受施工影響，路基發生附加豎向變形現象，地下結構豎向位移如圖5 所示。

2.7 有限元分析結論

本文將BIM 基坑支護模型運用接口軟件導入有限元軟件MIDAS-GTS NX 中，并對基坑開挖支護結構進行三維計算分析，得出如下結論：

（1）車站基坑開挖對既有鐵路路基影響規律：隨著開挖深度的增加，路基的水平位移呈現增大的趨勢；隨著基坑距離鐵路路基的減小，鐵路路基的水平位移呈現增大的趨勢；

（2）由于地鐵站基坑開挖施工，原方案地表最大沉降為15mm，優化后基坑地表最大沉降為12mm，減少了20%，原設計方案貨運鐵路路基最大豎向位移1.51mm，方案優化后位移為1.15mm，減少了23%；說明對鄰近鐵路側圍護樁加強對控制基坑邊地表沉降變形、鐵路路基沉降是有效控制措施；

（3）受基坑開挖及車站結構施工影響，既有鐵路路基將發生隆起現象，最大隆起值為4.31mm，可以滿足《鐵路路基設計規范》中規定的鐵路構筑物的沉降要求。按照10m 間距計算的路基豎向差異變形量，最大變形值為1.15mm。能夠滿足軌道動態質量容許偏差管理值的要求。

3 基于BIM 技術基坑開挖與智慧監測技術的應用

首先，結合地鐵站工程設計及施工情況，在前述車站BIM 模型實體結構分解方式及專業構件編碼的基礎上，以自動化智能監測傳感器等物聯網為載體，基于4G 或者5G 移動端信息傳遞技術實現了地鐵車站深基坑開挖的全過程的安全監測。為了同時滿足提高效率、降低成本、保障安全的施工要求，地鐵站在現場布設監測點時采用了人工監測點與自動化測試監測點2 種測點同時布設的方式，將自動化監測點盡量布設在既有鐵路線臨近相關的監測位置。通過互聯網將監測數據直接上傳至云平臺，同時結合BIM 技術與智慧監測系統來實現地鐵基坑的信息化施工。

3.1 監測點布設

基于BIM+物聯網的監測數據系統主要包括以下幾個方面的測量：

（1）沉降測量（基坑周邊、既有鐵路）

監測數據采用相對高程，利用施工中建立的水準測量監測網，按照Ⅱ等水準測量規范要求采用電子水準儀引測。基坑周邊采用架設高精度水準儀人工監測+數據錄入的方式進行。既有鐵路沉降監測采用靜力水準沉降監測系統進行在線24 小時自動化監測，同時配合人工精密水準儀遵照規定監測頻率進行變形監測。

（2）水平位移測量（基坑、既有鐵路）

水平位移測量采用坐標法觀測基坑及既有鐵路測點的變位。既有鐵路通過傾角傳感器對路基體水平位移進行監測，在鋼軌外側安裝單軸傾角傳感器，由鋼軌傾角計算水平位移。

（3）結構受力監測（基坑）

受力監測包括支撐軸力與圍護樁內力監測，采用振弦式軸力計和鋼筋計測試，自動化采集上傳數據平臺。

3.2 基于BIM+物聯網技術的安全智慧監測技術

BIM 技術的實施可對施工過程中附有各種參數的結構構件進行全方位、全過程、全信息化的模擬，因而可以形成多維信息模型，全面的地對現場施工全過程進行展示。將基坑開挖施工期間的監測點數據信息與BIM 仿真模型相結合如圖6 所示，可全面的掌握施工過程中基坑及支撐結構的受力情況，保障施工的安全性。

圖6 監測點與BIM仿真模型結合

將各種智能傳感器采集數據與人工實時測試的數據一同上傳至云平臺，并進行對比與時程曲線分析，通過BIM 技術平臺進行可視化，通過在安全控制功能中提供的時間監測數據列表，可以查詢到不同測點不同時間范圍內的具體監測數據，以及時程曲線，形象的展示智慧監測數據的變化過程。實際施工應用中，可以根據施工項目的進展情況，不斷完善和添加新的危險源項目，達到安全控制的目的。

3.3 基于大數據的安全分析與預警

在基坑施工中會實時的產生并采集到各種海量、多源、多態、多維的相關信息，具有大數據的特征，因此有必要建立基于BIM 技術的大數據分析與安全預警機制。下面以基坑的監測預警BIM 平臺進行分析，通過向基坑監測BIM 系統所提供的接口傳入相關的監測測點類型或者測點的編碼數字信息，即可以呈現該監測測點的具體數值，包括變化值、變化速率、累積值、報警閾值、推送信息等，其中報警閾值通常根據規范和設計要求分成3 個等級，根據測試的絕對值、變化速率值等，按對安全的影響程度分為黃、橙、紅色預警，紅色預警直接影響施工安全，平臺展示如圖7 所示。

圖7 安全風險分析預警

4 結語

本研究成果通過地鐵站開挖實際應用表明，本系統工作效果良好。針對BIM 核心建模軟件，以及Revit API 二次開發流程，解決了Revit 與MIDAS GTS 數據交換問題。通過Midas GTS 構建力學計算邊界條件對地鐵車站基坑開挖施工過程進行了有限元分析，并根據計算結果提出了監測建議。對所測得數據進行分析，分析的結果較好的反映了地鐵基坑施工過程中各項參數的變化規律。此外，在工程施工的過程中，智慧監測系統數據的實時反饋，為地鐵深基坑安全施工提供了可靠的數據支持與安全風險預警。