基于BIM模型的鐵路雨棚鋼結構健康監測數據模型研究

賀海建,李重輝,樊 瀟,黃深深,李存榮

(1.中國鐵路廣州局集團有限公司,廣州 510088； 2.武漢理工大學機電工程學院,武漢 430070)

引言

高鐵車站客流量巨大，其鋼結構站房、站臺雨棚的主體結構和使用期間不可更換的結構構件，均按較長年限進行耐久性設計，結構材料在經歷如此長的使用周期難免會產生一定損傷，存在部分影響行車和旅客乘降安全的問題及隱患。為了保障高鐵客站建筑鋼結構的安全和管理維護需要，對鐵路站臺鋼結構健康狀況進行監測是十分必要的[1-2]。隨著結構健康監測技術的快速發展，結構健康監測數據分析與挖掘越來越受到國內外學者的關注[3]。目前，對于大跨度、大體量鋼結構的高鐵站臺，只有通過健康監測系統的手段才能完成如此大量的鋼結構檢測與監測[4-6]，但如何管理集成其龐大的建筑信息數據和監測數據仍是需要重點關注的問題。

工程建設行業自2002年引入BIM技術，就在美國、歐洲、日、韓、新加坡等國家得到了迅速的發展和應用，在我國基于BIM的工程項目管理研究與應用受到了十分廣泛的關注[7]。BIM技術使得三維模型代替傳統的二維圖紙，三維模型的構件中包含有該構件所有的屬性信息，若想查看其屬性只需要選擇某構件即可。目前，越來越多的企業開始反思BIM應用的技術路線，不應該僅僅滿足三維模型的可視化，而是期望在同一項目中集成多方數據，以滿足不同參與方的數據管理與應用的需求[8-9]。基本的BIM模型只包含其基礎屬性信息，因此，主要以站臺鋼結構健康監測問題為切入點，以數據集成，模型擴展為研究主線，探索BIM模型的數據擴展方法，為在BIM模型中集成多方數據提供了基本思路。

1 鐵路站臺雨棚的BIM模型總體結構設計

1.1 面向鋼結構健康監測信息的BIM模型

BIM具有雙重含義，即建筑信息模型與建筑信息建模過程。BIM是以三維數字為基礎，通過制定統一的數據標準[10]，將不同專業的三維設計和協同設計進行整合，形成完整的信息管理平臺，在各類建筑工程項目中得到了廣泛的應用[11]。

結構健康信息監測是建筑持續運行的重要支撐條件之一，引入BIM技術，實現監測信息系統的可視化、信息化、協同化。但基本的BIM模型只包含模型的幾何圖形、材質、TimeLiner、變換等基礎數據，并以文件的形式存儲，基于研究需求，需將模型與結構健康監測信息相互聯系，對BIM模型進行數據擴展。以SQL Sever為數據庫管理系統，從健康監測信息的需求、概念結構、邏輯結構等角度對數據庫的內容進行設計，通過傳感器數據信息庫的信息為依據，采用ADO.NET數據訪問體系實現數據庫中健康信息與BIM模型之間的數據交互，在基本的BIM模型上附加了基于數據庫的健康監測信息，則擴展后的BIM模型即為面對鋼結構健康監測信息的BIM模型，如圖1所示。

圖1 面向鋼結構健康監測信息的BIM模型

1.2 系統總體架構設計

依托于BIM平臺，通過對高鐵站臺鋼結構變形及損傷敏感特征值進行實時動態監控及數據分析、處理，評估結構的健康狀態[12-13]，構建了基于BIM模型的及時、準確的站臺健康監測系統。

系統主要分為數據層、功能層和應用層3個層面，如圖2所示。

圖2 鐵路站臺雨棚健康監測系統總體結構

數據層包含BIM模型數據、監測數據和基礎信息數據，其中，BIM模型數據即站臺建筑結構數據，監測數據為通過安放至站臺預設監測點的傳感器所反饋的實時數據，包括構件應變、變形、加速度、溫度、風載荷、速度、振動、支座反力及裂縫數據等。BIM模型數據和監測數據共同構成面向健康監測信息的BIM模型，與基礎信息數據形成交互，實現了站臺、人員等信息與模型數據相互聯系。

功能層為系統的功能模塊，分為數據分析與處理功能和健康評估功能。系統通過調取數據層中的模型健康監測數據進行相關的濾波去噪處理，減小因監測過程中溫度、噪聲及電磁干擾等環境因素引起的測量誤差，并對固定結構位置點降噪后的監測數據進行分析(下文中出現的監測數據均為降噪后的監測數據)，判斷固定結構位置點不同類型的監測數據是否符合標準，對該點健康狀況進行評估。

應用層為各類重要信息的一種集中體現，包含BIM模型瀏覽和預警顯示。BIM模型瀏覽通過Navisworks進行模型輕量化，調用API封裝的類和函數，開發健康信息的可視化模塊。預警顯示通過功能層中健康評估后的反饋信息將預警信息進行置頂，根據分級后預警信息以不同顏色標注監測位置點，并對預警的不同等級進行相應的處理，如：對預警位置的巡查、維護、加固等。同時將超限的位置點反饋到BIM模型中，標紅該位置點，實現預警的可視化。

2 一種擴展的BIM模型

本文在研究過程中提出一種擴展的BIM模型，旨在現有的BIM模型信息中以數據信息的唯一標識作為依據，擴展所需的數據信息。在具體項目中由于需要對BIM模型數據和結構監測點位的傳感器數據、監測信息等進行存儲和判斷，運用擴展的BIM模型，來存儲固定位置的數據信息，實現對結構健康信息的監測。

擴展的BIM模型的結構如圖3所示，通過傳感器傳遞的數據信息，通過BIM模型的唯一標識屬性GLOBALID和BIM模型的位置信息相互關聯，存儲在BIM模型相應位置下，以GLOBALID為唯一標識把監測信息存儲在數據庫中。用戶通過操作系統由BIM模型地址調用模型，并訪問數據庫獲得相應的監測信息。

圖3 基于BIM模型的擴展模型結構

擴展的BIM模型包含各種集合，通過集合自身元素之間，集合與集合之間的相互映射關系達到所要求的目的。這種關系用如下的數學集合表達。

信息集：{{位置信息}，{傳感器信息}，{監測信息}，{站臺信息}}。

BIM信息集：{{構件}，{構件屬性}，{構件信息}}。

擴展BIM模型信息集：{BIM信息集}∪{信息集}。

其中，{傳感器信息}→{位置信息}→{站臺信息}； {構件屬性}∪{構件信息}→{構件}；{構件} ?{傳感器信息}→{位置信息}。

因為，{唯一標識屬性}∈{構件屬性}；{唯一標識屬性}?{監測信息}。

所以，最終得到，{構件唯一標識屬性}?{監測信息}→{構件}→{位置信息}。

2.1 BIM模型數據

對鐵路站臺鋼結構的BIM模型進行存儲處理，在這一階段BIM模型的建立包含有較多冗余信息，比如在設計階段一定會包含的全部鋼結構的BIM模型，大部分建筑的鋼結構BIM模型在我們的數據處理方面和管理方面的意義不大[14]。而直接使用設計階段的完整的BIM模型成果反而會造成較大的系統負擔，影響使用效率，使得系統的使用效率低下。因此需要對BIM模型進行輕量化的處理后存儲。

同時也需要考慮目前市場上的多款使用較為廣泛的主流BIM模型輕量化軟件。本文以Navisworks為主來對模型進行輕量化后存儲。

(1)應用Navisworks對完整的BIM模型進行輕量化處理。

(2)所需的模型構件需要確保具有唯一標識，如圖4所示。

圖4 基于鐵路站臺鋼結構的BIM模型數據結構

輕量化后的模型采用文件存儲的形式，把模型文件存儲在服務器上，模型路徑存儲在數據庫中，通過調用相對路徑來加載模型數據。

2.2 擴展的BIM模型數據

應用擴展的BIM模型，通過BIM模型構件的唯一標識標記和記錄當前位置信息，并對該位置的傳感器類型和編號、監測類型、監測數據和監測時間進行存儲。不同的位置具有相應的傳感器類型和監測類型，通過擴展BIM模型存儲固定位置的監測信息。為了便于設備的運維管理，對于鐵路站臺雨棚鋼結構固定位置的監測所用傳感器信息，通過上述的方法同樣應用擴展的BIM模型存儲相應的數據信息于數據庫中，可直觀地查看到固定位置的傳感器信息[15-16]，如圖5所示。

圖5 擴展的BIM模型數據結構

3 應用擴展的BIM模型系統設計

系統設計主要為項目所需的監測數據查詢、處理、預警、記錄等進行一個整體整合，具體的實現通過相互之間的關系實現[17-19]。

3.1 系統模塊設計

整個系統采用C/S(客戶端/服務器)架構，分為幾個主要功能模塊(圖6)。

(1)信息顯示模塊：該模塊為系統的主界面，顯示各類重要信息、待處理信息，包含有站臺信息、BIM模型信息、相應的擴展BIM模型下儲存的各類參數信息和存儲的數據信息等。

(2)系統設置模塊：包含權限設置、系統設置在內的系統基礎功能等。

(3)數據分析模塊：主要對模型數據下所存儲的固定位置信息和監測信息進行數據查詢和處理、直觀的以圖表形式體現。

(4)預警模塊：基于模型界面，通過數據處理對固定位置的監測信息進行超限預警，即超出安全界限的警示，并在模型中的相應位置標記顯示。

圖6 應用擴展的BIM模型系統模塊設計

3.2 系統流程設計

為達到監測目的，通過相應的鐵路站臺位置信息，查詢相關聯的BIM模型構件的唯一標識，得到該標識下的監測信息，接收監測數據并對監測數據進行分析處理。判斷是否超限，對判斷后的信息進行存儲并顯示在系統界面，對超限信息報警并標注在模型上(對超限數據在BIM模型中標注顯示)。

流程如下。

Application start：

private void treeView1_AfterSelect(object sender， TreeViewEventArgs e)

{

string Address_Id=GetAddress ("Station_name");//獲得位置信息

string Id=GetID(Address_Id);//獲得擴展BIM信息

foreach (int id in Model_Id)

{

if(id==Id)//匹配位置信息

{

GetMonitorData(Id);

if(JudgeOverRun(GetMonitorData(Id)))//判斷超限

{

DisplayAlarmData(Id);

SaveData(Id);

string Address=Output(InquireIdIsModelId(Id));

Color("BIM"，"Address"，red);

}

else{SaveData(Id);}

}

}

}

具體流程如圖7所示。

圖7 擴展BIM模型健康監測系統流程

4 基于BIM模型的數據監測系統開發

作為針對鐵路站臺的健康檢測系統數據模型研究，系統軟件開發是本研究的重要部分。軟件系統主要包括上文提到的幾個緊密聯系的子模塊，針對鐵路站臺的特點，研究開發了本檢測系統。

以中國鐵路廣州局集團三亞高鐵站為例，該站現為客運二等站，站房雨棚面積東西長160 m，南北寬48 m，高27.2 m。采用Revit對三亞站雨棚進行3D建筑模型建模，通過Navisworks分析該模型，得到輕量化后的站臺雨棚模型，通過調用Navisworks中的API，將模型加載到監測軟件中[20]。根據三亞站臺位置節點信息，建筑模型輕量化之后加載成功的界面如圖8所示。

由于每個站臺雨棚監測位置點數量眾多，每個監測點也有不同類型的數據，如需達到對大量數據進行健康監測的目的，需要對數據進行有效的管理和顯示。根據模型上的監測位置點，查詢位于數據庫的Address表中對應的AddressID，通過AddressID查詢GlobalID表中對應的NumID，即固定位置構件的唯一標識，通過NumID讀取AddressData表中相應的監測類型和監測數據，并實時顯示在軟件界面右上角的傳感器數據表中。例如根據樹形節點上三亞站的固定位置A，查詢數據庫相應表中的各類數據，讀取和顯示實時監測到的有效數據，如圖9所示。

圖8 三亞站臺模型輕量化加載界面

圖9 讀取指定位置監測信息界面

5 結論

BIM應用于鐵路站臺雨棚結構的健康監測是這一領域的發展趨勢。從鐵路站臺雨棚的健康管理實際應用需求出發，基于.NET平臺，展開了對健康監測數據模型的擴展研究，并在此模型研究的基礎之上自主開發了基于BIM模型的健康監測系統。本研究的成果已在部分鐵路站臺進行應用，在鐵路站臺雨棚的運營和維護領域將發揮重要作用，同時為BIM技術在鐵路站臺雨棚的建筑健康運營維護管理中的進一步應用提供新的思路。