基于BIM技術(shù)的水口大壩安全施工可視化監(jiān)測(cè)方法

蘇海濤

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550002)

大壩是水利水電工程中基礎(chǔ)的組成部分，大壩處承受著數(shù)值較大的水壓，水利工程規(guī)模不斷擴(kuò)大過(guò)程中，安全施工逐漸成為研究重點(diǎn)。水口大壩結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及多個(gè)施工環(huán)節(jié)、多個(gè)施工線路以及多個(gè)工種，在施工環(huán)境的影響下，施工過(guò)程存在多種不穩(wěn)定因素[1-3]，為此，在BIM技術(shù)的支持下，構(gòu)建一種大壩安全施工可視化監(jiān)測(cè)方法。可視化監(jiān)測(cè)過(guò)程需要強(qiáng)大的數(shù)字化技術(shù)作為支撐，國(guó)外研究人員最早在建筑工程施工過(guò)程中構(gòu)建了可視化監(jiān)測(cè)方法，將施工過(guò)程劃分為不同的管理階段[4]，根據(jù)不同施工階段的特性，設(shè)定不同監(jiān)測(cè)側(cè)重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)過(guò)程。國(guó)內(nèi)研究可視化監(jiān)測(cè)起步較晚，多數(shù)學(xué)者的研究成果只停留在理論層面上，在實(shí)際工程的應(yīng)用上還存在一定的空白[5]。在可視化監(jiān)控方法的控制下，能夠以一種直觀的方式觀察計(jì)算施工過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)，保證施工活動(dòng)的安全。

1 基于BIM技術(shù)的水口大壩安全施工可視化監(jiān)測(cè)方法

1.1 利用BIM技術(shù)構(gòu)建水口大壩施工模型

在利用BIM技術(shù)構(gòu)建水口大壩施工模型時(shí)，將大壩建筑設(shè)計(jì)階段涉及的各項(xiàng)數(shù)據(jù)整合為一個(gè)項(xiàng)目樣板文件，設(shè)置基礎(chǔ)的安全參數(shù)后，建立水口大壩的模型族庫(kù)，采用一個(gè)共用的基礎(chǔ)坐標(biāo)不斷組合模型族庫(kù)后，建立一個(gè)以族庫(kù)為組成的大壩施工模型，采用三角測(cè)量方法確定施工模型中的測(cè)量點(diǎn)[6-7]，構(gòu)建得到的三角測(cè)量過(guò)程如圖1所示。

圖1 構(gòu)建的模型測(cè)量過(guò)程

圖1所示的參數(shù)測(cè)量過(guò)程下，以P為測(cè)量的視覺中心，P1，P2為模型面上的測(cè)點(diǎn)，C1,C2作為測(cè)點(diǎn)所在面的施工方向，O1,O2為施工模型的施工起點(diǎn)，I1,I2為施工模型監(jiān)測(cè)路徑。以圖1構(gòu)建的測(cè)量過(guò)程為基準(zhǔn)，首先I1,I2作為施工側(cè)端，構(gòu)建一個(gè)側(cè)端投影數(shù)值計(jì)算過(guò)程：

δi=L·sinθi

(1)

式中：δi為第i側(cè)端的水平投影，L為模型測(cè)量段的長(zhǎng)度，θi為模型測(cè)量段與水平方向間的夾角。不斷累積模型各個(gè)側(cè)端的投影數(shù)值，可根據(jù)式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中:ΔL為累積得到的各個(gè)側(cè)端投影數(shù)值；其他各項(xiàng)參數(shù)含義不變。根據(jù)積累得到的側(cè)端數(shù)值，構(gòu)建一個(gè)施工進(jìn)度的觀測(cè)過(guò)程如式(3)：

(3)

式中：α為側(cè)端變化系數(shù)；ξ為工程影響量；ΔT為大壩的施工周期；其余參數(shù)含義不變。以施工進(jìn)度作為構(gòu)建模型的變化數(shù)值，考慮水口大壩施工過(guò)程中受到的外部環(huán)境影響[8-9]，將外部影響因素與施工進(jìn)度進(jìn)行聯(lián)合，實(shí)際施工進(jìn)度就可表示為式(4)：

(4)

式中：P0為不考慮環(huán)境因素下的施工項(xiàng)目進(jìn)度，其余參數(shù)含義不變。

綜合上述構(gòu)建的水口大壩模型以及計(jì)算得到的施工進(jìn)度，構(gòu)建可視化轉(zhuǎn)化方程。

1.2 構(gòu)建可視化轉(zhuǎn)化方程

構(gòu)建模型可視化轉(zhuǎn)化方程時(shí)，在可控制的測(cè)量范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)自由設(shè)站[10]，以上述計(jì)算得到的施工進(jìn)度觀測(cè)數(shù)值為基礎(chǔ)，根據(jù)間接平差原理，計(jì)算觀測(cè)數(shù)值的誤差，可表示為式(5)：

(5)

式中：dX為設(shè)置的自由站點(diǎn)坐標(biāo)；B為上述計(jì)算公式(4)中的觀測(cè)數(shù)值之和。根據(jù)最小二乘法處理得到未知觀測(cè)數(shù)值的未知向量，可表示為式(6)：

(6)

式中：P1為施工模型的第一階段施工進(jìn)度數(shù)值；T為施工周期；其余參數(shù)含義不變。平差處理上述得到的未知向量，單位施工進(jìn)度產(chǎn)生的誤差σ0就可表示為式(7)：

(7)

式中：r為施工模型的施工精度，其余參數(shù)含義不變。在上述單位施工進(jìn)度單位誤差的控制下，構(gòu)建一個(gè)以x、y、z為軸向的空間施工進(jìn)度過(guò)程[11-12]，可表示為式(8)：

(8)

式中：mXi、mYi、mZi為施工進(jìn)度，QXi、QYi、QZi為該軸向上施工質(zhì)量。在上述空間軸向的施工控制下，形成如圖2所示的可視化轉(zhuǎn)化過(guò)程：

圖2 構(gòu)建的可視化轉(zhuǎn)化過(guò)程

在圖2所示的可視化轉(zhuǎn)化過(guò)程下，可視化施工進(jìn)度過(guò)程就可表示為式(9)：

(9)

式中：H為轉(zhuǎn)換矩陣；θ為構(gòu)建的軸向與FBG1、FBG2與FBG3軸向間的夾角；ex、ey、ez為施工數(shù)據(jù)。可視化轉(zhuǎn)化處理施工數(shù)據(jù)后，根據(jù)可視化數(shù)值的變化，實(shí)現(xiàn)安全施工的監(jiān)測(cè)。

1.3 實(shí)現(xiàn)安全施工的監(jiān)測(cè)

將轉(zhuǎn)化后的項(xiàng)目進(jìn)度數(shù)據(jù)處理為圖像后，采用MSR算法構(gòu)建一個(gè)可視化監(jiān)測(cè)尺度，尺度可表示為式(10)：

(10)

式中：N為尺度總數(shù)；I(x,y)為尺度對(duì)應(yīng)的高斯函數(shù)；wn為尺度權(quán)數(shù)。該尺度權(quán)數(shù)滿足式(11)：

(11)

在上述參數(shù)的控制下，將可視化參數(shù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心，監(jiān)測(cè)中心使用JAVA編程實(shí)現(xiàn)上述處理過(guò)程[13]，設(shè)定如圖3所示的監(jiān)測(cè)過(guò)程：

圖3 設(shè)定的監(jiān)測(cè)過(guò)程

在圖3所示的監(jiān)測(cè)過(guò)程下，首先使用幀間差分法判斷可視區(qū)域內(nèi)的施工進(jìn)度，通過(guò)施工進(jìn)度的特征點(diǎn)確定實(shí)際施工邊界，根據(jù)邊界數(shù)值顯示出的峰值點(diǎn)，確定安全施工狀態(tài)[14-15]，最終完成對(duì)水口大壩基于BIM技術(shù)的安全施工可視化監(jiān)測(cè)方法的構(gòu)建。

2 仿真試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備可視化設(shè)備RGBD相機(jī)，設(shè)置相機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，如表1所示：

表1 設(shè)置的相機(jī)參數(shù)指標(biāo)

在表1所示的相機(jī)參數(shù)控制下，采用內(nèi)存為8 G、處理器為i5的計(jì)算機(jī)作為實(shí)驗(yàn)主機(jī)。使用Python3.6作為算法的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用Opencv3作為機(jī)器視覺工具，在上述軟硬件環(huán)境的支持下，模擬設(shè)置水口大壩的施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以大壩的兩個(gè)主縱梁為測(cè)點(diǎn)的安置位置。

控制設(shè)置的測(cè)點(diǎn)與沿著橋軸線方向與橋梁軸線平行，設(shè)置的測(cè)控位置結(jié)果如表2所示：

表2 設(shè)置的測(cè)點(diǎn)位置

在表2設(shè)置的測(cè)點(diǎn)位置，安置監(jiān)測(cè)設(shè)備后，調(diào)試軟硬件的環(huán)境，分別使用文獻(xiàn)[1]中的可視化監(jiān)測(cè)方法、文獻(xiàn)[2]中的可視化監(jiān)測(cè)方法以及文中設(shè)計(jì)的可視化監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比三種可視化監(jiān)測(cè)方法的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，在目標(biāo)施工工程中，設(shè)定水口大壩的實(shí)際施工進(jìn)度為1000 mm，并以此為施工標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算在設(shè)定的測(cè)點(diǎn)處得到的施工進(jìn)度數(shù)值，進(jìn)度數(shù)值結(jié)果如表3所示。

由表3所示的項(xiàng)目進(jìn)度數(shù)值結(jié)果可知，在三種不同的可視化監(jiān)測(cè)方法下，以相同位置的測(cè)點(diǎn)為處理對(duì)象，文獻(xiàn)[1]中的可視化監(jiān)測(cè)方法得到的進(jìn)度數(shù)據(jù)數(shù)值最小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際的施工進(jìn)度數(shù)值。文獻(xiàn)[2]中的可視化監(jiān)測(cè)方法最終得到的項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在800～900 mm，得到的項(xiàng)目進(jìn)度數(shù)據(jù)較大，但與實(shí)際的進(jìn)度數(shù)值還有較大的偏差。而文中設(shè)計(jì)的可視化監(jiān)測(cè)方法得到的施工進(jìn)度數(shù)值最大，與實(shí)際的施工數(shù)據(jù)相差不大，監(jiān)測(cè)得到的施工進(jìn)度數(shù)據(jù)最準(zhǔn)確。

表3 不同監(jiān)測(cè)方法得到的施工進(jìn)度數(shù)值

保持上述試驗(yàn)環(huán)境不變，設(shè)定三種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)周期相同，設(shè)置周期內(nèi)可監(jiān)控的施工活動(dòng)數(shù)值為50，其中違規(guī)操作為5，統(tǒng)計(jì)三種可視化監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的誤報(bào)次數(shù)，計(jì)算三種監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的誤報(bào)率，誤報(bào)率計(jì)算公式可表示為式(12)：

(12)

式中：c為三種可視化監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的誤報(bào)次數(shù)；ct為監(jiān)測(cè)違規(guī)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)三種監(jiān)測(cè)方法下，三種可視化監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的誤報(bào)率結(jié)果，結(jié)果如表4所示：

表4 三種可視化監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的安全誤報(bào)率

由表4所示的安全誤報(bào)率數(shù)值可知，在三種不同的可視化監(jiān)測(cè)方法的控制下，文獻(xiàn)[1]中的可視化監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的安全誤報(bào)率數(shù)值最大，文獻(xiàn)[2]中的可視化監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的誤報(bào)率數(shù)值在14%～18%之間，安全誤報(bào)率數(shù)值較小，而文中設(shè)計(jì)的可視化監(jiān)測(cè)方法產(chǎn)生的誤報(bào)率數(shù)值在5.3%～7.8%之間，實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程產(chǎn)生的誤報(bào)次數(shù)最少。

在上述試驗(yàn)環(huán)境下，定義大壩安全施工的安全狀態(tài)參數(shù)，定義的安全狀態(tài)參數(shù)可表示為式(13)：

(13)

式中：A、B、C、D分別為水口大壩的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在平面的安全系數(shù)；xi、yi、zi分別為監(jiān)測(cè)平面面積。根據(jù)式(13)統(tǒng)計(jì)得到三種監(jiān)測(cè)方法計(jì)算的安全參數(shù)，結(jié)果如表5所示：

表5 三種監(jiān)測(cè)方法安全參數(shù)結(jié)果

根據(jù)設(shè)定的安全參數(shù)計(jì)算過(guò)程可知，在三種監(jiān)測(cè)方法的控制下，文獻(xiàn)[1]中的監(jiān)測(cè)方法與文獻(xiàn)[2]中的監(jiān)測(cè)方法最終得到的安全參數(shù)數(shù)值均小于文中設(shè)計(jì)的可視化監(jiān)測(cè)方法。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，兩種文獻(xiàn)中的可視化監(jiān)測(cè)方法得到的施工進(jìn)度數(shù)值存在偏差、安全誤報(bào)率的數(shù)值較大且監(jiān)測(cè)過(guò)程存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

針對(duì)水口大壩安全施工的可視化監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的一些不足，在BIM技術(shù)支持下，研究一種大壩安全施工可視化監(jiān)測(cè)方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法安全參數(shù)過(guò)小的不足，為今后研究可視化監(jiān)測(cè)過(guò)程提供研究方向，但該種可視化監(jiān)測(cè)方法并未使用實(shí)際的水利工程數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在很大的不確定性，還需要不斷地研究改進(jìn)。