基于BIM技術的框架橋下穿既有鐵路智慧監測平臺研究

鄭明新，杜子真，康 蒙，徐朋威

(1. 華東交通大學 土木與建筑學院，江西 南昌 330013； 2. 江西省智能交通基礎設施工程研究中心，江西 南昌330013； 3. 華東交通大學 土木工程國家實驗教學示范中心，江西 南昌 330013)

0 引 言

隨著社會進步與經濟發展，鐵路建設規模不斷擴大，鐵路建設與城市發展過程中的交通交叉影響也越來越嚴重。頂進框架橋是一項廣泛使用的下穿鐵路施工技術，其不但減小了土地占用，保證既有線行車條件，同時也能相應降低工程成本和減少對周圍環境影響[1-2]。既有鐵路的列車行車密度較大，列車對線路平順性要求高，頂進過程中易引起上部路床不均勻沉降變形，影響鐵路軌道的平順性。為避免以上嚴重后果，必須加強路基變形的監控測量，將頂進施工對鐵路路基本體穩定與變形影響的動態變化信息及時反饋到施工單位，及時調整施工參數，實現施工過程信息化[3-5]。

建筑信息模型(building information modeling, BIM)技術的出現與應用，使得建筑行業重新思考一種全新的建筑施工方式[6-7]。BIM技術具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、可預測性和可控制性等特點。橋梁結構施工中普遍將BIM技術與監測技術相結合，為橋梁管理養護部門提供一條可視化、信息化的橋梁健康信息監測方案[8-11]。李小玲等[12]提出基于BIM的結構健康監測，提高了監測數據管理效率及監測信息與模型的交互性。

對于框架橋下穿既有鐵路施工而言，利用BIM技術構建包含監測系統、視頻安全監控系統、云端數據存儲和綜合預警系統的智能監測平臺，不但可使監測數據及時有效的傳達給參建各個單位，同時也使得監測數據能可視化、圖表化顯示。通過建立綜合預警系統，能對天氣因素、列車臨近信息及監測數據進行實時反饋，一旦監測數據出現異常，則能利用云端全方位的傳遞報警信息。通過利用BIM技術的可視性和模擬性，能幫助決策者快速確定發生異常的部位并進行合理決策，保證框架橋下穿既有鐵路順利施工，也有利于既有線路運營安全。

筆者基于框架橋工程及BIM技術，以福建龍巖市永定區鳳城街道下坑一路框架橋下穿漳龍線鐵路工程為例，研發了基于BIM技術的框架橋下穿既有鐵路智慧監測平臺。該平臺融合監測數據采集、存儲、分析、處理的自動化技術和預警系統，發揮BIM技術的實時可視化、信息共享等優勢，實現監測信息與模型的交互性。

1 BIM技術在施工中的優勢

對框架橋下穿既有線路工程而言，對既有線有著破壞性影響，存在諸多方面的風險源。框架橋下穿頂進工程失敗主要的原因有：① 路基邊坡坍塌；② 框架橋偏移：框架橋扎頭、框架橋抬頭和框架橋水平偏移；③ 鋼軌偏移。

針對這上述風險因素，有必要對框架橋下穿的整個施工過程進行監測。然而，目前大部分施工單位仍采用紙質數據反饋監測結果，缺乏對現場情況的直觀感受及信息處理的及時性，存在效率低、實時性滯后、準確性差和不夠直觀等問題。BIM監測平臺的搭建能實現信息數據的及時傳輸，很好地起到預警作用，為框架橋頂進施工安全保駕護航。鑒于此，有必要深入研究基于BIM技術的框架橋下穿既有鐵路智慧監測平臺。

2 工程概況及智慧監測系統平臺

2.1 工程概況

該項目位于福建龍巖市永定區鳳城街道境內。下坑一路為南山鳳凰城小區的主要進出通道，總體呈西南走向；漳龍線鐵路在下坑片區呈東南走向，該道路與漳龍線鐵路呈立體交叉。為解決小區出入通道問題，下坑一路至南山鳳凰城小區道路擬在漳龍線鐵路K127+080處采用框架橋頂進方式下穿。

該段鐵路路基土以第四系全新統人工填土及沖積層、第四系上更新統殘坡積層為主，下為風化全風化花崗巖，遇水易于軟化、地基承載力低，框架橋結構設計采用1-10.0×4.0 m，凈寬10 m，框架橋長11 m，采用頂進法施工，最大設計頂力為1 103.8 T。擬建框架橋與漳龍鐵路平面交叉關系具體見圖1。

圖1 擬建框架橋與漳龍鐵路平面交叉關系Fig. 1 Plane crossing relationship between the proposed frame bridge and Zhanglong railway

2.2 智慧監測系統平臺

框架橋下穿智慧監測系統平臺是基于BIM技術下的管理平臺，該平臺能存儲框架橋施工期內的所有信息。通過構建BIM模型，實現了覆蓋工程全建設周期的信息共享和管理的一體化監測。

基于BIM技術框架橋下穿智慧監測系統平臺應用3D模型技術(BIM模型)、采用先進的ASP.NET MVC4架構，利用全天候自動化監測設備，通過遠程數據傳輸和云端大數據存儲技術，使用人工智能數據處理和分析評估技術等，同時配套大屏幕、視頻監控等硬件設施和相關配套的多平臺(手機APP、網頁端、PC端)軟件設施，構建了在BIM技術上的實時動態監測信息共享解決方案，該平臺的基本架構如圖2、 3。

圖2 框架橋下穿智慧監測平臺架構Fig. 2 Framework of intelligent monitoring platform under frame bridge

圖3 框架橋下穿智慧監測平臺硬件組織架構Fig. 3 Hardware organization chart of intelligent monitoring platform under frame bridge

3 智慧監測平臺的構建

3.1 智慧監測平臺實施方案

框架橋下穿智慧監測系統BIM技術能融合框架橋下穿施工期的眾多信息。其中最關鍵、最主要的方面是：對框架橋下穿既有線路監測數據的收集、處理、分析評估和預警決策。

3.1.1 BIM模型建立

利用Revit等建模軟件構建出包括既有線路結構、框架橋和監測系統的BIM模型，如圖4。既有線路結構和框架橋結構的BIM模型必須是按照設計信息、施工信息所建造的BIM模型，反映真實的鐵路基結構初始狀態。

圖4 BIM模型Fig. 4 BIM model

3.1.2 視頻安全監控系統建立

框架橋頂進施工對既有線路具有破壞性，不僅現場施工管理人員需要了解現場實時的施工情況，鐵路管理單位也需要對現場施工情況進行監督、監管；故現場視頻安全監控系統是必不可少的。同時，在頂進時對結構關鍵部位的觀測也可通過視頻安全采集系統進行觀測，能有效確保施工安全。

視頻安全監控系統對應的監控設備需在BIM模型中一一對應，用戶點擊相應監控部位能直接查看對應探頭所拍攝畫面。遠程視頻安全采集監控系統通過攝像頭對工地、施工情況進行實時監督，是監測工作重要補充。

3.1.3 自動監測系統建立

針對框架橋頂進的特殊風險源分析，確定所監測內容。監測內容及監測儀器見表1。

表1 框架橋頂進施工監測內容及所需儀器Table 1 Monitoring contents and instruments required for jacking construction of frame bridge

監測系統模型主要包括：監測系統參數、傳感器位置、采購信息、維護信息等；傳感器主要包括：雙軸傾斜儀、位移計、靜力水準儀、激光水準測點、溫度計、GPS+BDS和攝像機等。這些監測設備和所構建的BIM模型一一對應綁定，確保監測數據可正確、真實的在對應模型位置顯示。監測信息通過智能采集基站實現自動化采集數據并實時傳輸到監測平臺中去，通過綜合預警系統對監測數據進行處理，生成表格和折線圖，實現全天候、全時間段自動化監測和數據處理。用戶可在BIM模型中實時查看對應的監測數據，實現了監測可視化顯示。

3.1.4 綜合預警系統建立

綜合預警系統包括統計分析模塊和綜合預警模塊。

1)統計分析模塊

統計分析模塊的功能是對監測儀器工作狀態進行分析處理及對采集傳輸回的監測數據進行統計處理。主要作用是自動生成監測數據表格和折線圖。同時監測設備狀態在BIM模型上依靠參數化控制，以不同圖形、顏色實現動態化、可視化表達。管理人員通過各顯示模式就可知道當前構件所處的工作狀態。統計分析模塊監測數據曲線某段時間內的波動若出現異常，則會被放入綜合預警模塊中。

2)綜合預警模塊

綜合預警模塊的功能是將異常數據與預先設置的預警值進行比較，并在BIM模型中通過不同模型圖形或顏色進行顯示。若監測數據介于最小閥值與預警值之間，說明監測數據正常，則在監測儀器的BIM模型顯示為綠色；若監測BIM模型儀器模型顯示為黃色，表明此刻此處達到預警值，若要保證施工正常運行則要立刻采取措施，避免出現安全事故；若監測儀器模型顯示為紅色，表明所采集的數據大于設定的報警值數據，則智慧監測平臺會向預設手機號碼發送報警短信，及時通知相應的管理人員，此刻管理人員可精準定位故障發生位置，采取對應措施進行搶救性修補，同時查明原因，采取糾偏預案。其流程見圖5。

圖5 監測數據報警流程Fig. 5 Monitoring data alarm process

3.1.5 用戶界面系統建立

用戶界面系統主要包括PC端、手機端和網頁端。同時包括報表生成管理模塊、數據顯示與維護模塊和交互式錄入與查詢模塊。用戶界面系統可實現數據錄入、顯示和管理，自動化生成監測數據圖表，根據上傳模板生成監測日報、周報和月報，大大減輕了在此項目上的投入的人力及精力；同時也實現了監測數據的實時反饋，實時監控，避免傳統監測時數據處理出現錯誤等問題，為項目施工安全提供了可靠信息。其軟件界面示意見圖6。

圖6 軟件界面Fig. 6 Software interface

3.2 BIM技術實時評估預警及智慧決策

框架橋下穿智慧監測平臺最終目的是利用所采集的監測數據進行實時分析、處理，從而進行智能預警，幫助人們進行決策，如圖7。

圖7 框架橋下穿智慧監測平臺綜合預警系統Fig. 7 Comprehensive early warning system of intelligent monitoring platform under frame bridge

監測平臺可結合BIM模型和有限元分析模塊進行實時的力學分析，發揮BIM技術相對于傳統健康監測系統所不具備的實時理論分析能力。同時，根據監測數據發生部位并儲存相應的應急預案，提供合理的應急措施。

利用BIM技術模擬施工的特點，當箱涵頂進時出現路基邊坡坍塌、框架橋偏移、鋼軌偏移等不利因素時，通過BIM能進行模擬管理者采取的措施，可迅速準確判斷該措施治理效果，進一步確保工程順利推進。

3.2.1 風險評估

BIM具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、可預測性和可控制性等特點[13]。在施工前的準備階段，利用BIM模擬技術，可使工程參與各方提前對施工過程中的重、難點進行模擬和演練，能掌握施工過程中的各項技術要點，有利于做好對工程各質量控制點的嚴格把控，實現了對施工的安全評估。

3.2.2 智慧預警

1)通過有限元計算預測

通過有限元軟件進行前期數值計算，可在一定范圍內對水平位移和沉降值有大致了解。通過監測重點部位，同時對計算結果較大的位置進行重點監測，當出現異常時能及時發出預警信息。其中：監測平臺可結合BIM模型和有限元分析模塊進行實時有限元計算分析，發揮BIM技術下監測平臺相對于傳統監測所具備的獨特優勢。

2)通過實時監測數據實時預測

對監測數據進行數據預測是一個復雜的非線性回歸問題。現場監測數據因現場實際情況、人為觀測等原因會出現數據離析，若想要得到準確的監測數據，則需要對監測數據進行統計學方法處理，這是一種常用的、有效的數據處理方法。

采用Origin軟件對監測數據進行數據擬合，得到變形值隨時間變化曲線。選用合理的非線性函數模型，使R平方(相關系數)與殘差平方和并判定擬合結果：R平方越接近1代表擬合效果越好；殘差平方和越小代表擬合效果越好，從而確定最優回歸函數。針對路基沉降監測數據進行數據擬合，擬合結果見表2，擬合曲線見圖8。通過擬合函數可對之后的變形趨勢進行預測，同時該數據隨著檢測情況變動也是不斷更新的。當未來變形趨勢有異常時(出現大變形等)，會及時向技術人員進行預警。其軟件界面見圖9。

表2 監測數據擬合結果Table 2 Fitting results of monitoring data

圖8 監測數據擬合曲線Fig. 8 The monitoring data fitting curve

圖9 監測數據界面Fig. 9 The monitoring data interface

3.2.3 預警信息

1)天氣信息通過與氣象網站對接，獲取工程所在地的天氣情況。當出現異常時，如：雷雨，大風等，系統則會通過短信等形式及時通知管理人員。

2)列車臨近預警。當列車臨近施工地點時，預警系統根據袖珍式列車接近預警器信息，將列車通過信息顯示在工地大屏上，同時提醒施工人員進行防護。

3)實時監測數據預警。實時監測數據預警是監測平臺的核心，該平臺將監測設備和BIM模型一對一綁定，當監測設備數據出現異常時可快速定位異常部位，便于快速應急決策。根據實際工程特點，管理人員設置好不同監測項目的預警和報警值，系統則可確定風險等級，將不同狀態對應到BIM模型中相應部位。3種顏色代表3種情況：綠色為安全；橙色為預警；紅色為危險。通過實時監測數據預警可使項目參建方能一目了然地了解各個部位的工作狀態及風險情況，做好風險預警。監測儀器采集的監測數據一旦有異常，則監測平臺會向管理人員發送報警信息。

3.2.4 管理與決策

BIM平臺基于真實模型信息及實時監測數據進行大數據挖掘和識別分析。一個完整的BIM監測平臺數據信息不僅是監測數據，還包括其他的施工信息。故對海量監測數據進行挖掘、處理、擬合，提取關鍵有效信息是非常必要的。基于關鍵實時監測信息可進行動態安全評估和風險預測評估，尤其是針對特定風險的識別及響應分析。

基于監測平臺的開放性，參與工程各方均可使用，這樣避免了監測數據造假等問題發生；依靠自動化監測設備為主，人工復測為輔的監測手段可確保監測數據的準確和可靠，便于參建各方對工程的管理。

基于BIM技術的框架橋下穿既有鐵路智慧監測平臺可存儲施工開始時的決策信息，包括：施工方案、日常決策和應急預案等。利用上傳模板自動生成日報、月報，可大大減輕參建各方的內業整理工作。監測平臺能自動記錄發生預警的風險等級、發生部位、發生時間等信息，實現了同平臺實時監測數據瀏覽、計算分析及快速預警。

4 結 論

考慮到傳統框架橋頂進施工監測管理仍停留在紙質文件管理模式下，無法讓參與施工各方人員有效、快速地掌握框架橋下穿既有鐵路工程中各結構的真實狀態，筆者結合BIM技術，建立了基于BIM技術的監測平臺，得出如下結論：

1)以基于BIM技術的框架橋下穿監測平臺，通過3D模型將監測儀器布置信息直觀簡潔信息化，通過BIM模型中各個結構真實屬性設置和與監測數據結合，能很好地展示路基的變形情況、框架橋的頂進情況及加固結構D型梁的工作情況等結構狀態；

2)基于BIM技術的框架橋下穿監測平臺多模塊設立，實現了預警信息及時傳達，便于管理人員快速確定問題發生部位，便于管理人員快速確定應急決策；

3)監測平臺的建立實現了實時動態監測信息共享，實現了監測數據的及時傳輸，實現了監測數據動態化、圖標化顯示；由于其多方實時參與及依靠自動化的監測設備為主、人工復測為輔的監測手段，確保了監測數據的準確性與可靠性，使施工單位依靠監測數據快速準確調整施工方案，保證框架橋下穿既有鐵路施工安全；

4)結合實際工程進行有限元計算，對實時監測數據進行非線性回歸分析擬合，預測變形趨勢，保障框架橋下穿施工時既有線路的運營安全。