基于BIM+數字孿生的高邊坡施工檢算動態反饋方法

楊雪,蘇謙,2*,牛云彬,孫凱強,程李娜,劉驚灝

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031;3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

路塹邊坡是公路與鐵路常見構筑物,隨著基礎建設的推進以及建設技術的提高,運營公路、鐵路邊坡里程不斷攀升,邊坡設計高度與地質情況復雜度被不斷刷新。高邊坡項目工程量大,施工作業空間受限,一旦出現工程事故,如滑坡、坍塌等,將極大地危害施工機械及人員安全,保障高邊坡施工的安全愈發重要。其與前期地質勘察、結構設計以及現場施工對不利狀況的有效處理緊密相關。

進入施工期,勘察設計工作已經完成,此時施工期突發不利狀況的處置變得尤為關鍵,在高邊坡施工過程中可能出現的不利工況主要有強降雨、巖溶、地震等,采用有限元數值模擬方法對所遇特殊情況進行計算,可以有效得知相應工況下邊坡的穩定性,以反饋設計及指導施工。學者們采用有限元手段針對上述工況下的邊坡穩定性開展了大量研究。年庚乾等[1]、秦曉同等[2]研究了降雨對邊坡的影響。蔣德松等[3]、張橋[4]研究了巖溶發育地質情況下路基及隧道的性能變化,其計算原理也可遷移至邊坡相關研究。宋丹青等[5]、吳迪等[6]對地震荷載下的邊坡響應及穩定狀態進行了分析。此類分析往往用于理論研究,在數值模型創建及計算結果利用上很難兼顧準確與效率。

隨著信息化技術在巖土領域的深入推廣應用,建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術憑借其強大的建筑信息全周期集成管理與建筑模型多元展示能力,逐漸在基礎建設工程勘察設計[7-10]、施工[11-13]、運維[14-15]等各個方面形成應用,并取得了不錯的效果。目前BIM技術在施工階段主要的用途有:模型指導施工、輕量化模型展示施工進度以及復雜施工節點的技術交底等。以上應用有效提高施工質量,實現了施工過程精細管理,但仍然處于靜態模型的應用階段。

可見,針對施工期的邊坡穩定性響應及狀態研究,鮮有考慮將計算效率及準確度有效結合,并且BIM技術在施工期的應用仍處于模型靜態管理階段。為此,基于BIM技術的參數化及集成化特性,實現模型對施工現場不利工況的快速自適應更新,將反映現場施工情況的BIM模型轉換至有限元分析軟件中對其進行仿真分析,并提出Mesh重構方法實現計算結果向BIM環境的反饋。以期研究成果可使設計及施工人員等高效、準確地查看數值分析結果,反饋設計、指導施工,發揮BIM“一模多用”效能,為施工突發狀況處置提供決策依據。

1 BIM動態反饋與檢算分析總體框架

為提升設計檢算對施工不利狀態的及時感知與精細化計算,提出基于BIM技術完成高邊坡施工過程中所遇不利工況檢算分析,并通過數字孿生手段進行施工模型動態反饋,整體框架如圖1所示,主要步驟包括:①通過參數化手段創建精細化BIM模型,充分表達高邊坡的幾何與非幾何屬性;②開發BIM模型與有限元分析模型的轉換接口,進行模型簡化、轉換與計算;③基于現場實際施工情況反饋的BIM模型進行相應工況有限元檢算,并經過計算機圖形學處理,將計算結果反饋至BIM環境,指導設計與施工。

圖1 BIM動態反饋與檢算分析總體框架Fig.1 General framework of BIM dynamic feedback and check and analysis

2 施工期高邊坡BIM模型動態更新方法

采用Revit 2020SDK、Dynamo動態鏈接庫,以二次開發為主要手段,實現施工期高邊坡BIM模型動態更新。

2.1 高邊坡BIM模型信息

根據高邊坡各階段信息傳輸要求,BIM模型主要通過幾何屬性以及非幾何屬性兩類信息對高邊坡實體及其狀態進行描述,如表1所示。

表1 高邊坡BIM模型屬性示意Table 1 Attribute schematic of BIM model of high slope

幾何屬性指在BIM模型中能夠描述模型所具有的空間位置、形狀、尺寸等情況的屬性,在參數化BIM模型中,通常與模型本身雙向關聯,即可以通過調整幾何屬性進而改變模型的空間位置、形狀、尺寸等幾何信息,同時也可以直接通過BIM軟件的可視化模型操作,對模型幾何進行更改,并自動同步到幾何屬性中。錨桿框架梁如圖2所示,在Revit中對框架梁族進行參數化設置后,調整其縱梁長度,即可實現圖示變化效果。

圖2 Revit中BIM模型幾何屬性調整Fig.2 Geometric attribute adjustment of BIM model in Revit

非幾何屬性是描述模型中除幾何信息以外的任何信息的屬性,其可通過數字、文本甚至是音視頻形式存在,同時不同非幾何屬性之間可以存在關聯關系。如高邊坡模型中各地層的物理性質等。

基于上述分析,高邊坡施工過程可能出現的不利工況均可通過幾何屬性與非幾何屬性的變換反饋至BIM模型。總結高邊坡工程中常出現的不利工況如圖3所示,為后期進行相關模型反饋提供基礎。

圖3 高邊坡施工過程不利工況及其屬性Fig.3 Adverse conditions and properties of high slope construction

2.2 幾何屬性自適應反饋

一個完整的高邊坡BIM模型主要由邊坡輪廓、地質實體、支護設施組成。如圖3所示,當不利工況出現時,需根據具體情況調整模型幾何參數以實現反饋,高邊坡施工過程中所涉及幾何屬性反饋的情況主要為突遇巖溶及地質情況更新兩種,以下對其分別進行反饋方法描述。

2.2.1 突遇巖溶的幾何反饋

根據地表和地下對巖溶類型進行分析,地表巖溶形態包括溶溝、溶蝕裂隙、石芽、落水洞、溶蝕漏斗、溶蝕洼地、巖溶槽谷、巖溶峽谷等,地下巖溶形態包括地下暗河、溶洞等[16-17]。巖溶勘察有水文地質試驗、物理勘測法、地質調繪法、原位測試法等方法[18-19],根據所獲取的勘查數據精度不同,反饋至BIM模型中的方法及巖溶表現形式亦不相同,其反饋流程如圖4所示,據此進行Revit二次開發,根據施工現場數據自動進行模型更新。

圖4 不同巖溶數據的反饋流程Fig.4 Feedback flow of different karst data

針對較高精度的巖溶數據,基于點云數據對復雜大型巖溶進行建模,為了方便BIM模型管理以及保證高邊坡穩定性分析的收斂問題,將點云數據進行合理簡化,使其在保證較高精度下仍能滿足管理和穩定性分析的需要。針對一般精度的巖溶數據,主要是小型溶洞等,其采集精度不高,無法利用既有數據進行精細化建模生成符合巖溶實際形狀,同時其本身體積不大,幾何外形不復雜,在這種情況下一般在獲取溶洞的基本尺寸,如鉆孔中的深度數據等,即可結合專家對溶洞形狀進行初步判斷,進而進行溶洞三維模型的創建,故創建立方體、臺狀、柱狀、錐體狀、球狀5種形體的溶洞基本模型,在專家對溶洞幾何外形初步判斷的基礎上只需要向Dynamo相應的模型節點中輸入模型的基本參數,即可快速生成模型。

在Dynamo中可視化展示了兩種不同精度巖溶數據所生成巖溶模型的表現形式,如圖5所示。

淺色陰影部分為地質實體模型;綠色部分為巖溶模型圖5 不同精度的巖溶數據模型的表現形式Fig.5 The expression form of karst data model with different precision

2.2.2 地質情況更新的幾何反饋

從理論上講,創建高邊坡BIM地質模型的數據來源可以是任意地質勘查數據的組合,且多元數據的融合建模方法將提高BIM地質模型的精度[20-21],本文中采用鉆孔數據及剖面圖數據融合的方法來生成地質實體模型。

隨著高邊坡工程施工的進行,開挖面將逐漸擴大,在此過程中,如發現地質情況與前期勘察數據生成模型不符,可直接通過選定地質層面并更改控制點數據,實現地質層面幾何信息的更改。操作流程如圖6所示。

圖6 地質情況更新流程圖Fig.6 Flow chart of geological update

2.3 高邊坡BIM模型信息

非幾何信息的處理主要分為如下兩種情況。

2.3.1 原模型中已經存在的屬性

針對原模型中已經存在的屬性數據,對其進行屬性更新時主要目的為修改其原有屬性,而無需在Revit族中進行屬性的新增。為此主要借用Revit API中提供的屬性查找及修改方法,對所需更新的模型實體進行操作,其操作流程如圖7所示。

圖7 既有非幾何屬性更新流程圖Fig.7 Flow chart for updating existing non-geometric attributes

在項目中選中需更新的模型實體,采用familyInstance.LookupParameter方法即可返回其所有屬性,使用其靜態方法Set,實現數據更新。

2.3.2 需在原模型中新增的屬性及數據

對于模型中不存在但需新增的屬性以及數據,對其進行屬性更新時主要目的為增加屬性,為實現在項目文件中對目標模型進行非幾何屬性的更新,本文以族文件二次重寫導入為主要思路,進行實踐,其主要實現路徑如圖8所示。

圖8 新增非幾何屬性實現流程圖Fig.8 Flow chart for adding non-geometric attributes

在項目中選中需更新的模型實體,采用EditFamily方法將當前模型實體載入族編輯環境,在族環境中采用FamilyManager.AddParameter創建屬性,采用FamilyManager.Set方法設置值,并使用FamilyManager.MakeInstance方法將屬性設置為實例參數,最后使用LoadFamily方法,將完成更新的模型實體重新載入項目,即完成信息的更新。

3 BIM與有限元的雙向關聯

3.1 基于BIM模型的有限元分析

Revit模型與ABAQUS有限元分析模型之間可以基于ACIS內核及關鍵構件屬性提取并在ABAQUS中進行再生成的方式實現Revit模型向ABAQUS模型的轉換。轉換過程主要分為實體單元轉換及簡單幾何轉換兩部分,具體過程如下。

(1)Revit與ABAQUS均為ACIS內核,其共同支持讀取與保存*.sat文件格式的模型文件,可以實現模型中實體單元部分的轉換;

(2)ABAQUS中的桿單元等簡單幾何可通過對Revit二次開發提取所關注構件的幾何屬性,在Abaqus中進行二次開發讀取所提取屬性,即可實現模型再生成。

3.2 有限元計算結果反饋至BIM環境

計算結果的輸出是有限元計算后處理的重要組成部分,在ABAQUS后處理模塊中內置了多種數據可視化方案,如二維圖、三維云圖等。結合指導施工的目的,計算結果應高效、直觀地展示給設計及施工人員,有限元軟件操作學習成本較高,與實際使用存在脫節,因此提出基于Mesh重構的有限元計算結果向BIM環境反饋方法,提高BIM模型的信息承載量。主要采用基于Python Script的ABAQUS二次開發技術以及Dynamo可視化建模中的MeshToolKit工具包技術,反饋流程如圖9所示。

圖9 有限元計算結果反饋至BIM模型流程圖Fig.9 Flow chart of feedback of finite element calculation results to BIM model

ABAQUS全部計算結果存儲于*.odb格式的數據庫輸出文件中,開發流程如下:①使用openOdb命令打開相應輸出數據庫;②使用odb.roodAssembly.elements獲取單元集,并運用connectivity方法獲取關聯單元編號;③采用odb.roodAssembly.nodes屬性獲取節點集,并使用coordinate方法獲取節點坐標,依次進入step、frames、fieldOutputs,獲取節點計算結果;④最后將三者以單元編號進行匹配,整合至一個*.csv文件中,以待Dynamo程序讀取。

Dynamo程序運行流程如下:①讀取*.csv文件;②根據單元以及節點坐標重構Mesh模型;③將各單元的節點數據相加后取平均值,以代表單元數據,并使用MapTo節點,將單元數據進行歸一化處理;④將歸一化后的單元數據與Color Range相結合,并將Color Range結果賦予相應單元的Mesh三角形,既可實現云圖數據在BIM環境中的重構。Mesh重構核心代碼如圖10所示。

4 工程案例

4.1 工程背景

渝懷鐵路懷化西編組站位于湖南省懷化市西南側,處于武陵山脈和雪峰山脈之間剝蝕、溶蝕丘陵地段,編組站起訖里程為GDK0+000～GDK4+200,線路總體方向約146°。懷化西編組站深路塹高邊坡地段,采用自上而下、逐級開挖、逐級支護的施工方法,采用坡面梁框架錨桿、分級設置寬平臺和抗滑樁、坡腳錨固樁等多種防護措施相結合的方案進行加固。其中,GDK1+475～GDK1+575段自然邊坡坡度約16°,坡面以粉質黏土為主,厚度3～6 m,下臥砂巖和灰巖,自上而下依次為粉質黏土、全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、全風化泥質砂巖和弱風化石灰巖,巖層層面較平整,呈自然坡度向下傾斜,地下水位位于石灰巖巖體中。高邊坡最大開挖深度95.4 m,分三級共九層開挖,三級高度分別為25、27.6、30 m,第一級開挖即將完成時,在坡腳處發現一處前期未勘出的干溶洞,其洞口約為直徑的圓形,洞身約20 m,如圖11所示。現場采用M20水泥砂漿填筑方法進行處置,現進行處置前后穩定性檢算,驗證其合理性。

圖11 一級開挖后溶洞情況Fig.11 Condition of karst cave after excavation of level 1

4.2 計算模型與參數

采用有限元強度折減法分析高邊坡穩定性,包括地應力平衡和強度折減,在地應力平衡分析步施加重力,在強度折減分析步折減強度參數直至計算終止,即邊坡破壞。巖土體采用摩爾-庫倫本構模型,邊界條件為約束模型的側向位移和底部的3個方向位移,網格采用C3D10M單元。以鉆探、現場原位測試及室內土工試驗測試的成果為依據,進行巖土層的劃分,并結合地區經驗,確定各巖、土層的物理力學參數。高邊坡模型全部構件及物理力學參數如表2所示。

表2 各部分物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of each part

4.3 計算結果分析

邊坡一級開挖后,若不給溶洞做任何處置,邊坡安全系數為1.052,因溶洞洞口處穩定性較差,易出現坍塌情況,如圖12(a)所示。設計采用M20水泥砂漿填筑溶洞,處置后,計算安全系數為1.964,穩定性顯著提升,可能發生類土質邊坡破壞,邊坡失穩的主體結構為表層粉質黏土和全風化強風化的砂巖,如圖12(b)所示。在溶洞處置后進一步采用框架錨桿進行支護,支護后的安全系數為1.988,最危險滑動面位于遠離路塹的陡傾坡面,而非路塹邊坡發生破壞,表明支護設施增強了邊坡穩定性,如圖13所示。

圖12 不同處置方式的邊坡破壞形式Fig.12 Failure mode of slope with different disposal methods

圖13 支護后的邊坡潛在滑動面Fig.13 Potential slip surface of slope after support

4.4 計算結果向BIM環境的反饋

通過所開發的Python Script腳本提取出單元編號、關聯節點坐標及節點數據,匯總至一個*.csv文件中。使用Dynamo編程實現的Mesh解析與重構程序讀取上述*.csv文件,并完成計算結果云圖反饋,如圖14所示。設計及施工人員在BIM環境中即可查看計算分析結果,降低了工程人員時間成本,并為其工作提供了理論支撐。

圖14 BIM環境中的計算結果云圖Fig.14 Computing result cloud image in the BIM environment

5 結論

提出基于BIM模型與數字孿生的高邊坡施工穩定性檢算動態反饋方法,采用BIM模型快速進行高邊坡施工不同工況的有限元穩定性檢算,并實現了BIM模型與施工現場情況及有限元檢算結果之間的互通,能夠為邊坡工程施工過程中突發不利工況的處置提供快速的理論分析結果,輔助現場施工決策。通過研究與案例應用,得出以下結論。

(1)基于BIM模型的屬性更新,可以實現對工程現場各類情況的更新表達,且在模型更新后,發揮其“一模多用”特性,提供精細化模型支撐,快速完成邊坡穩定性檢算,可提升有限元分析在施工期的應用價值。

(2)通過Dynamo編程,驗證了Mesh重構方法將有限元計算結果同步至BIM環境中進行表達的可行性,直接將有限元計算結果可視化呈現在BIM模型中,方便工程人員進行查看與分析,為BIM與有限元計算的融合提供了新的思路。未來可以基于此理論,在任何三維展示平臺中實現對有限元分析成果的共享。

(3)BIM技術具有強大的數據集成管理與模型可視化功能,充分發揮這兩項功能,將BIM模型應于邊坡施工階段的理論檢算及工程管理,可進一步提升高邊坡施工過程信息化應用水平,為工程項目效率、安全、質量帶來幫助。