BIM技術在高樁碼頭監(jiān)測中的應用研究?

陳 靜 楊 凱 馬瑞鑫 戈廣雙 楊東遠

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津 300456）

1 引言

建筑信息模型/管理（Building Information Modeling/Management，BIM）是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，在統一的標準下，建立起建筑物實體的三維物理模型，并通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息［1～2］。

BIM技術的優(yōu)勢在于便于實現建筑物信息的展示、存儲和共享等數據交互功能，并且可以通過信息加工實現建筑物模型化和可視化，利于設計的合理性校驗，以及項目的精細化管理。目前，我國建筑業(yè)信息化率僅為0.03%［3］，盡管經過近幾年的發(fā)展，在BIM方面取得了一些研究和應用成果，但基本還處于起步探索階段，尤其在港口水工建筑物方面的應用維護中BIM技術的應用案例更是少之又少。

本文作者以我國北方的某一大型港口的高樁碼頭作為研究對象，探討B(tài)IM技術在高樁碼頭監(jiān)測應用的可行性及應用價值，編寫了該碼頭建模規(guī)則，開發(fā)了BIM模型的接口并實現了模型與監(jiān)測信息系統的對接，完成了高樁碼頭監(jiān)測的合理性校驗、數據采集、實時監(jiān)測、數據分析、安全預警等功能，為BIM技術在港口碼頭監(jiān)測應用領域做出有效的探尋［11～12］。

2 現狀分析

2.1 碼頭現狀

全國港口生產性泊位從建國初期的161個發(fā)展到2011年的31968個，增加了近198倍，其中沿海萬噸級及以上泊位從133個增至1762個［6］。當前，這些碼頭多數技術狀況不容樂觀，很多碼頭是帶病工作。特別是改革開放三十年以來，新建泊位數量急劇增加，吞吐量和相關配套服務能力空前提升。但是，在投資大，工期緊、任務多的情況下遺留了很多問題。許多碼頭技術狀況不良，部分水工建筑物在遠未達到設計使用壽命時，就出現了耐久性嚴重退化的現象［4～5］。

2.2 高樁碼頭傳統的檢測技術

目前，對于碼頭結構的檢測評估，主要采用經驗法，以傳統的CAD圖紙為依據，如通過目測巡視檢測混凝土的外觀是否損壞；通過全站儀和靜力水準儀等測量儀器檢測結構整體的不均勻沉降、水平位移和傾斜；對于高樁碼頭的相對位移、應力應變、振動和溫度等重要檢測指標，則是通過現場傳感器的安裝，收集數據，建立管理系統，并結合相關的檢測指標進行對比，以此來判斷碼頭的健康狀況［7］。

現有的監(jiān)測檢測手段往往以數據為依據，不能將整個碼頭的安全運行狀況直觀地展示出來，對于整體的運維管理，有一定的制約性。運用BIM技術構建三維模型，并結合相關數據信息，可有效地實現與建筑物的信息交互，實時掌握碼頭結構的健康狀態(tài)，精確定位、排查安全隱患，對港口的安全運營、科學發(fā)展起到了促進作用。

3 BIM在碼頭監(jiān)測領域的應用及優(yōu)勢

3.1 高樁碼頭的結構特點

高樁碼頭的監(jiān)測特點，主要體現在其對于精確性和容錯性的需求，碼頭的振動幅度區(qū)別于橋梁和其他建筑物，結構不易發(fā)生變形，產生的震動振幅小且頻率快，對于精度的需求很高；而當碼頭面板上的設施及車輛發(fā)生運動時，振幅會相對加大，部分傳感器安裝于水下，由于液體傳播頻率的影響，有時會出現非常規(guī)的監(jiān)測數據，需要及時剔除錯誤數據，以免形成錯誤的報警信息。通過數據采集分析和實驗研究，BIM建模以其高精度和容錯性的設計需求，在這一點上完全滿足高樁碼頭振幅監(jiān)測的需要［8］。

使用Autodesk Revit建立了參數化的高樁碼頭原型，根據測繪、地質、線路等基礎數據，設計人員利用參數化的族庫，建立了高樁碼頭的面板及基樁的BIM模型。族庫包括：面板、橫梁、基樁、插樁、標識等（圖1所示）［9］。

3.2 建立高樁碼頭BIM模型

對該高樁碼頭的整體結構進行系統的規(guī)劃設計，運用BIM技術的參數化智能構建模型，通過直觀的三維系統，有效地實現信息交互，并數字化，可視化地呈現整個高樁碼頭采集終端、線纜的序號以及安放位置，并根據需求模塊化的劃分功能區(qū)域，以提高管理效率。

數據存儲系統選用的是SQL Sever系統，通過對其數據庫系統的開發(fā)利用，建立了多級用戶的數據訪問系統，以實現了高樁碼頭BIM模型與其之間的數據存儲和交互。

1）建模規(guī)則

BIM模型精度描述了一個模型構件單元從最低級的近似概念化的程度發(fā)展到最高級的演示級精度的步驟，需求不盡相同，其相應側重的模型的精細度要求也就不同。

根據BIM模型對精細程度的定義標準LOD技術的要求（Levels of Detail），我們將該高樁碼頭的現場環(huán)境分為兩個等級，碼頭整體、設備終端、線纜等參照LOD 300標準，而現場周邊環(huán)境參照LOD 200標準。該高樁碼頭BIM模型的詳細信息如表1所示［10］。

2）編碼規(guī)則

建立BIM模型編碼規(guī)則，對高樁碼頭整體及設施設備進行編碼，是對其模型進行有效管理的基礎。通過對模型編碼，實現了數據采集監(jiān)測系統與BIM模型系統的結合，即可通過模型查看設備信息，也可通過查詢編號，快速定位該設備在模型中的位置。

高樁碼頭整體監(jiān)測系統由碼頭整體結構以及檢測系統兩部分組成。碼頭整體系統包括：碼頭面板、橫梁、縱梁、基樁和叉樁五部分組成；監(jiān)測系統由現場采集終端，包括：位移傳感器、振動傳感器、應變傳感器和加速度傳感器四類傳感器和線纜，包括網線和光纖組成。根據檢測系統的組成，現將其整體分為兩類（如表2），具體的編碼規(guī)則如表3所示。

表1 高樁碼頭BIM建模規(guī)則

表2 高樁碼頭BIM模型層級劃分

表3 高樁碼頭BIM模型設備編碼規(guī)則

3.3 合理性沖突檢查

1）碼頭健康監(jiān)測指標分析

碼頭的健康狀態(tài)是維持碼頭正常運行的首要條件。健康監(jiān)測主要包括變形監(jiān)測和相互作用力監(jiān)測，通過數據采集分析確定位移、應力應變、振動和溫度四個主要監(jiān)測指標，以及碼頭結構的外觀、設備設施等健康狀態(tài)的監(jiān)測，建立高樁碼頭的監(jiān)測規(guī)律曲線，分析高樁碼頭狀態(tài)的相對規(guī)律，為碼頭的維護與管理提供決策依據，必要時發(fā)出預警信息，以保證碼頭結構和作業(yè)人員的安全。

碼頭監(jiān)測數據分析采用融合算法，對若干個測量數據進行一致性檢驗，然后將檢驗后的數據分成兩組，對兩組數據的平均值采用分批估計算法。

設被測數據的真值為S0，則測量值可表示為

式中：S為數據測量值，N為測量噪聲。

設第一組一致性測量數據為

同時考慮第一、第二組的測量結果，測量方程式（1）可變成：

式中，N(1)、N(2)分別為1、的測量噪聲，即剩余誤差。此時，、為同一批的兩個測量數據，此前無任何有關數據測量的統計資料，也就是說此前測量數據的方差∞ ，則 ()-1=0。

基于算術平均值與分批估計相結合的數據融合算法，導入BIM模型，測算出監(jiān)測的高樁碼頭結構的虛擬數據（如圖2），將測試數據的上限S0（綠色線段）與S1（黑色線段）通過融合算法得出的模擬檢測數據Sa（黃色線段）與實測數據A（藍色線段）進行對比，認定其滿足高樁碼頭監(jiān)測標準需求。

2）監(jiān)測終端的合理性校驗

傳統的作業(yè)方式中，需由設計人員根據現場觀測，繪制二維平面圖紙。高樁碼頭現場條件復雜，平面很難直觀地反映出現場的情況，后期采集終端的位置調整也會造成巨大的成本追加。選取高樁碼頭橫縱梁與基樁為測試區(qū)域（如圖3），利用BIM技術可在采集終端點位設計階段進行合理性校驗（如圖4），對比分析數據，消除隱患，優(yōu)化設計，減少在施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性。

3.4 開放數據接口，提高運維效率

開發(fā)高樁碼頭BIM模型的數據接口文件，使其與高樁碼頭實時監(jiān)測系統相結合，構建實時監(jiān)測平臺（如圖5），以實現高樁碼頭結構信息化操作管理、港口碼頭檢測數據查詢與統計分析監(jiān)測數據在線實時顯示與監(jiān)控預警等功能，進一步體現了BIM技術的應用價值。

3.5 提高圖紙的精確度

通過BIM技術建設三維模型，可導出二維平面圖紙（圖6），并標明傳感器安防的位置，其優(yōu)勢在于模型與圖紙的高度一致性，省去了圖紙的位置和校準所浪費的時間，確保了圖紙的準確性，為后期的設備維修和更換提供了保障。

4 結語

本研究結合高樁碼頭監(jiān)測的特點及需求，基于BIM技術對其進行實時監(jiān)測的研究，實現了監(jiān)測管理的智能化和信息化水平，提高了設計質量以及監(jiān)測效率，安全預警功能的開發(fā)也為碼頭的正常運營提供了技術保障。這一研究將有效提升高樁碼頭監(jiān)測水平，對于現有的水工建筑物監(jiān)測檢測技術探尋了方向，提供了新的思路。