綜合性超高層智能信息化施工平臺研究與應用*

姜子麒

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

1 工程概況

西安綠地絲路全球文化中心項目位于西安市灞橋區，是第十四屆全運會配套項目，包括2棟超高層、1棟高層、1棟多層商業及裙房和地下車庫。2棟超高層對稱設計，均為矩形鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構，地下2層，地上36層，建筑高度160m。超高層建筑信息化施工平臺在多維度信息獲取與數值模擬的同時，為超高層建筑施工電梯運行管控、塔式起重機智能監控、信息化綜合管理提供兼容信息交互環境。

2 建筑信息化施工平臺基礎技術

基于智能施工技術與信息化施工理念，結合BIM技術、數值模擬方法、傾斜攝影技術、智能監控等技術手段，搭建臨時結構安全監測及施工電梯管控、塔式起重機智能監控、信息化管理等平臺，實現超高層建筑施工信息全方位動態管控與智慧決策。

2.1 BIM技術

BIM技術以信息模型為載體，利用三維數字仿真技術，構建工程實體信息。其本質是以BIM技術為基礎，建立一個兼容、廣闊的信息交換環境，提高管理效率[4-7]。

2.2 數值模擬方法

目前工程領域常用的數值模擬方法包括有限元法、邊界元法、離散單元法、有限差分法。本工程采用有限元法，基于MIDAS Gen[8]對塔式起重機柱狀支撐及V形支撐進行計算模擬，將連續的求解域分割成有限個單元，用未知參數方程來表征單元特性，進而將各單元特征方程組合成大型代數方程組，最后求解方程組得到柱狀支撐及V形支撐加固的核心筒模型最大位移(見圖1)及結構承載梁單元應力，計算分析結果可為現場施工提供參考依據。

圖1 數值模擬等值線位移云圖(單位：mm)

2.3 傾斜攝影建模技術

傾斜攝影的三維實景建模技術與傳統的正向攝影不同，傾斜攝影分別從1個豎直方向、4個相互垂直的傾斜方向獲取目標區域的圖像資料，通過建模軟件生成三維實景模型。針對本項目測量區域范圍較小的特點，采用單鏡頭無人機傾斜攝影、環繞型影像采集，以超高層垂直中軸線為環繞軸，借助Smart 3D軟件建立精度高、模型更新速度快的建筑物內外部三維實景模型(見圖2)。為提高模型實用性，搭建三維實景模型管理平臺，現場施工人員通過手機將現場照片實時上傳至平臺，技術人員借助平臺照片進行三維實景重建，并定期更新儲存模型，為后期隱蔽工程的檢查驗收及其他工作提供可視化參考依據。

圖2 建筑物三維實景模型

2.4 監測技術

2.4.1智能監測

自動化監測預警系統是以Web為基準的多路分布式光纖故障監控系統，由多個現場監測單元與測試系統主控計算機構成。子站和主站利用無線通信 GPRS 實現通信及數據交互，能實現遠程自動化監控、終端與平臺無線傳輸、測試數據信息化管理。登錄平臺或利用手機得到現場監測單元傳回的監測數據，通過對比計算結果與系統分析，得出結構實時狀態變化趨勢。出現異常信息時，系統會自動報警，通過信息推送的方式及時報告給相關管理人員[9-11]。

俗話說：“興趣是最好的老師。”因此，教師在小學階段的數學課堂的教學活動中，應合理利用數字化的學習資源，將圖片與文字進行結合，從而極大程度地激發學生對數學學科的興趣，有利于學生對數學知識的接受。如教師在講解“數字的乘除法”這一課時，由于學生的人生閱歷有限，很難理解數學中抽象的數學知識，這時，教師可以利用數字化的信息資源進行一些知識的講解， 利用數字化的資源將抽象的數學知識具體化，從而在一定程度上激發學生對數學知識的興趣，從而高質量地完成教學活動[1]。

2.4.2監測設備

西安綠地絲路全球文化中心項目5，7號超高層辦公樓采用鋼結構+核心筒形式，采用內升式動臂塔機，整個施工階段共頂升7次，為保證頂升過程中主體結構的安全，在頂升層橫梁中間用鋼管柱作為支撐。現場安裝HZKJ-SV32靜力水準儀和傾角傳感儀，在頂升時實時監測鋼管柱、橫梁的沉降值和傾斜值，判斷主體結構是否正常。

在21層A區東側設置監測點，將拉繩傳感器固定在監測點及周邊相對固定位置，通過改變拉繩長度監測位移的變化。通過4G(5G)網絡將監測數據發送到云平臺，統計處理后自動生成相應的曲線和報表。2021年5月10—15日位移監測曲線如圖3所示。

圖3 位移監測曲線

3 超高層智能信息化施工平臺

3.1 超高層智能信息化施工平臺邏輯框架搭建

針對超高層建筑施工規模龐大、系統復雜、臨時結構風險高、安全管控難度大、信息處理繁雜等特點，搭建基于智能監測、傾斜測量建模、數值分析、施工電梯監控等模塊的多源信息處理邏輯框架。智能監測模塊動態收集相關數據參數，為數值模擬模塊參數修正提供基礎數據，之后將數值模擬模塊的分析結果集成于超高層智能信息化施工平臺數據庫中，并與傾斜攝影建模模塊進行對比分析，得到可視化分析結果。同時智能監測模塊動態監測數據和施工電梯監控模塊采集數據均可集成于平臺數據庫，最終通過自動化數據分析、風險大數據識別、可視化實時安全評估與預測，形成施工建議。超高層智能信息化施工平臺及其邏輯框架如圖4,5所示。

圖4 超高層智能信息化施工平臺

圖5 超高層智能信息化施工平臺邏輯框架

3.2 超高層智能信息化施工平臺組成

超高層智能信息化施工平臺主要由施工電梯管控平臺、塔式起重機智能監控平臺、信息化管理平臺組成，如圖6所示。通過數值模擬、智能監控、進度計劃軟件、基于傾斜攝影的建筑物內外部三維實景模型、BIM模型及現場照片管理平臺間的融合與鏈接，實現多源數據信息的開源化，有效提升本項目超高層建筑施工管理的信息化水平，為項目的施工技術管理、質量管理、安全管理、進度管理提供精確高效的支持與保障[12]。

圖6 超高層智能信息化施工平臺組成

3.2.1施工電梯管控平臺

本項目基于建筑信息模型，將人臉識別數據和施工電梯監測數據整合到施工電梯管控平臺中，建立一個可視化、數字化的實時施工電梯運行管控平臺，有效提升施工電梯運行效率和現場安全管理能力。施工電梯狀態監測系統由人臉識別模塊、電梯運行監測模塊、數據傳輸模塊和已有項目建筑信息模型組成。人臉識別系統作為電梯搭乘人員識別裝置，可提供電梯搭乘人員的詳細信息。電梯運行監測系統分為速度、位置、載重測量模塊，用于獲得施工電梯的實時運行速度、所處位置及承載質量。該系統獲取相關信息后將數據反饋至建筑信息模型進行數據處理，并在運行管控平臺實時顯示。

數據傳輸模塊負責人臉識別模塊、運行監測模塊與建筑信息模型間的數據交換，施工電梯管控平臺支持對實時監測數據庫數據進行導入、導出、備份和還原操作。在BIM模型內可查詢到施工電梯搭載人員信息和施工電梯運行參數監測數據，繪制施工電梯監測數據曲線。出現異常情況時，可通過BIM模型向相關人員及時發送異常報告，提醒施工電梯管理人員及時進行維修或救援。BIM模型如圖7所示，施工電梯管控系統界面如圖8所示。

圖7 BIM模型

圖8 施工電梯管控系統界面

3.2.2塔式起重機智能監控平臺

西安綠地絲路全球文化中心項目密集施工作業多，存在塔式起重機碰撞風險。項目采用終端塔式起重機監控平臺，包括終端設備、塔式起重機及各傳感組件、報警組件控制裝置(見圖9)。各塔式起重機控制裝置與終端設備通信連接，傳送傳感組件監測的信息，第1控制裝置與第2控制裝置通信連接，當活動區域有重疊，各報警組件將分別發出警示。

圖9 塔式起重機智能監控平臺

3.2.3信息化管理平臺

3.2.3.1平臺硬件運行環境

信息化施工平臺硬件運行環境由處理器CPU、網絡接口、用戶接口、存儲器、通信總線組成。存儲器包括操作系統、網絡通信模塊、用戶接口模塊及平臺搭建程序。通信總線可實現各組件間的交互連接，網絡接口用于對接后臺服務器數據，用戶接口對接客戶端數據，處理器用于調用存儲器中超高層建筑信息系統數據。硬件運行環境的終端結構如圖10所示。

圖10 硬件運行環境的終端結構

3.2.3.2平臺軟件交互程序

以建筑物三維實景模型、BIM模型、進度計劃軟件及照片管理平臺為基礎，通過模型與模型、模型與進度計劃軟件間的相互融合，鏈接而成超高層建筑信息化施工平臺。利用Revit建模軟件建立BIM模型，依托Project軟件進行項目進度計劃編制，在Navisworks中集成BIM模型和進度計劃，形成項目進度計劃模型。在Skyline平臺，將建立的三維實景模型和BIM模型進行數據融合，建立數據庫。收集并實時上傳現場照片，進行模型更新，并將早期模型按時間順序入庫儲存。

1)BIM模型與進度計劃軟件的鏈接 利用Revit建立BIM模型，依托Project軟件進行項目進度計劃編制；利用Revit導出功能，將BIM模型導出為.nwc后綴的數據文件，并導入Navisworks軟件；將Project生成的項目進度計劃導入Navisworks中，此種方式需準確對應Project各名稱和各特征ID、項目開始時間和結束時間，否則導入的數據達不到鏈接的要求；最后在Navisworks中形成項目進度計劃模型。

2)三維實景模型與進度計劃軟件的鏈接 將三維實景建模獲得的點云數據轉化為Civil 3D模型；利用Civil 3D建模平臺與Revit建模平臺可交互的特點，在Civil 3D中選擇“轉換Civil模型為AutoCAD文件”，導出模型為“R14”格式；然后在Revit中，選擇“導入CAD”，將Civil 3D導出的“R14”格式文件導入Revit軟件中；最后將Revit生成的三維實景模型與Project生成的項目進度計劃在Navisworks中整合。

3)BIM模型與三維實景模型的融合 先將通過Smart 3D建立的三維實景模型以osgb格式導出；然后將通過Revit建立的BIM模型以fbx格式導出；最后在Skyline平臺進行二者數據融合，并以3dml格式保存。

4)連接照片管理平臺 照片管理平臺主要服務于傾斜攝影技術的三維實景模型，該照片管理平臺可分別在手機端和電腦端登錄，現場施工人員通過手機將現場照片實時上傳至平臺，技術人員借助平臺照片進行模型更新，并將早期模型按時間順序入庫儲存，為后期隱蔽工程的檢查驗收及其他工作提供可視化參考依據。

4 結語

綜合性超高層智能信息化施工平臺在西安綠地絲路全球文化中心項目上的成功應用，解決了超高層建筑施工中臨時結構安全監控數據發散性強、數據更新不及時、信息管理數據交互性差等問題。本文搭建適合于超高層建筑施工的一體化信息處理框架，提出了以下方法。

1)建立可視化動態施工電梯運行管控平臺，將識別數據、運行監測與建筑信息模型一體化集成，同時在超高層建造中成功應用塔式起重機智能監測、分析、預警三位一體技術，保障生產安全，防范重大安全事故，提升智能化安防水平。

2)超高層智能信息化施工平臺改變傳統的管理模式，實現了宏觀、微觀場景相結合，工程內部結構與周邊環境相結合的全方位控制管理，提高施工效率，縮短工期，有效控制了施工成本。

3)通過信息化施工平臺將進度、質量、安全等多方位管理融合到一個平臺中，形成以可視化施工平臺為基礎的多業務系統并存并聯的超高層建設信息化整體解決方案，加強各專業之間協作能力。