基于BIM 实施与结构有限元分析的城市轨道交通智慧监测技术研究

李君君 刘晓庆 李朋亮

（石家庄铁路职业技术学院1） 河北石家庄 050041 石家庄铁道大学四方学院2） 河北石家庄 051132中铁二十二局集团电气化工程有限公司3） 北京 102308 ）

1 引言

BIM 技术产生发展20 年来，在国内AEC 行业应用较晚，其可开发的潜力巨大，结合新的软件开发、5G 移动通信技术网络与设备的广泛应用、物联网的高速发展，各项前沿技术又将进一步结合到BIM技术中来，从而使工程项目获得更高的效益。想要实现基于BIM 的智能化开发，首先需要将所有工程结构信息进行数据化，这就为信息数字化智慧监测技术提供了平台。与传统的工程监测及信息收集相比，基于BIM 模型和实时数据采集传输系统能够极大的增强工程项目的监测数据量以及智能测控水平，监控频次可以分钟或秒来计算，这在很大程度上加速了工程信息化的快速流通。

2 基于BIM 技术的MIDAS-GTS 有限元分析

某地铁车站邻近既有运营线，最近距离不到10m，在基坑工程开挖前，通过MIDAS-GTS 有限元计算软件分析基坑开挖对既有线运营的安全影响，输出计算值作为施工期间监测变形参照依据。通过将BIM 软件与岩土工程有限元仿真分析软件MIDAS-GTS 的相互融合，可以大大的提升数值分析仿真程度，极大的缩减几何模型的建模时间、提升建模效率，同时利用BIM 模型的多信息特点，使得FEA 模型的大小、比例、材料属性等更精确、更高效。BIM 建模与有限元仿真分析软件一体化程序的研发，对实际工程的使用和仿真分析的发展都具有里程碑式的重大意义。

基坑开挖分析过程最重要一环就是对BIM 建模的结构模型进行有限单元化后模拟开挖过程的受力、变形等相关分析，目前尚未有BIM 模型和Midas-GTS 软件完全契合的分析软件，因此需要借助Revit的数据交换功能使其与Midas-GTS 分析软件进行无缝链接。

2.1 IFC 标准

IFC 标准就是实现数据交换的基础，使得以BIM 技术搭建的为工程建设参与的各方提供一个综合平台成为可能。IFC 标准是指数据交换格式标准，在使用不同软件分析后会产生不同格式的信息，需要相互接入不同软件或统一到一个软件平台时，只需要将信息数据交换的部分统一的进行IFC 格式转化即可，转化后的信息格式统一，如图1 所示。

图1 IFC标准格式交换图示

2.2 Revit 应用程序接口

Revit 最显著的特点是具备开放的应用程序编程接口，该接口的名称为Revit API(Application Programming Interface)，可以使用户借助开放的接口进行二次程序开发，极大的扩展了Revit 的使用范围。由于MIDAS-GTS 中是支持IFC 标准的文件导出，只是在IFC 文件的导入时不支持，因此可以采用Revit API 的方式通过编程来开发数据交换模块。

2.3 基于BIM 模型的有限元计算属性确定

选定有限元分析所需参数，将其导入到前述建立的地质及结构BIM 模型中，并经过数据转换，跟随模型导入Midas GTS 有限元计算程序中。

依照地质资料，土层地质参数如表1 所示。

表1 土层地质参数

根据仿真分析理念，当计算土体分析的模型平面尺寸与实际结构的平面尺寸之比超过3～5 时，边界效应对结构分析的静、动力反应影响已经很小了。故本模型的计算区域尺寸选择为长800m，宽400m。

2.4 基于BIM 模型的有限元模型构建

将具备计算属性的BIM 模型通过转换接口导入Midas GTS 计算程序。

首先进行网格划分：土体单元选用三维实体单元，本模型选用四面体单元和其他类型单元混合的单元划分模式。利用模型中已经具备的分层土体的地质参数和计算土体模型尺寸，可直接完成地铁基坑周围土体三维空间的有限元模型建立。对几何模型进行网格单元划分时，对土体开挖部分和既有铁路的路基部分土体网格进行加密划分，其它远离基坑开挖和既有铁路路基的区域土体网格划分可适当粗略进行，这样既能保证计算结果的收敛性，还可以提高计算效率。导入Midas GTS 的几何模型与网格划分如图2。车站基坑开挖与既有铁路关系如图3 所示。

图2 三维几何模型与网络划分

图3 地铁车站与既有铁路位置关系图

2.5 围护结构加强后基坑开挖对既有铁路影响有限元模拟分析

根据施工顺序要求，模拟本工程施工阶段基坑开挖需要分6 步进行。第1 步：主体结构防护桩和临铁路侧附属围护桩施工；第2 步：开挖第一层基坑土体，基坑主体及附属结构基坑开挖2.4m，施加第一道横撑；第3 步：开挖第二层基坑土体，基坑主体及附属结构基坑开挖6.1m，施加第二道横撑；第4步：开挖第三层基坑土体，基坑主体开挖5.2m，施加第三道横撑；第5 步：开挖第四层基坑土体，基坑主体开挖5.1m；第6 步：施加地下结构荷载，根据设计数据换算为均布荷载的大小为88kPa。

有限元模拟分析结果本文仅以竖向位移为例，地下结构施工阶段如图4 所示。

图4 地下结构施工阶段竖向位移

2.6 基坑开挖对既有铁路影响分析

为分析地铁车站基坑施工对既有铁路路基的影响。假定轨道与地面不产生裂缝，受施工影响，路基发生附加竖向变形现象，地下结构竖向位移如图5 所示。

2.7 有限元分析结论

本文将BIM 基坑支护模型运用接口软件导入有限元软件MIDAS-GTS NX 中，并对基坑开挖支护结构进行三维计算分析，得出如下结论：

（1）车站基坑开挖对既有铁路路基影响规律：随着开挖深度的增加，路基的水平位移呈现增大的趋势；随着基坑距离铁路路基的减小，铁路路基的水平位移呈现增大的趋势；

（2）由于地铁站基坑开挖施工，原方案地表最大沉降为15mm，优化后基坑地表最大沉降为12mm，减少了20%，原设计方案货运铁路路基最大竖向位移1.51mm，方案优化后位移为1.15mm，减少了23%；说明对邻近铁路侧围护桩加强对控制基坑边地表沉降变形、铁路路基沉降是有效控制措施；

（3）受基坑开挖及车站结构施工影响，既有铁路路基将发生隆起现象，最大隆起值为4.31mm，可以满足《铁路路基设计规范》中规定的铁路构筑物的沉降要求。按照10m 间距计算的路基竖向差异变形量，最大变形值为1.15mm。能够满足轨道动态质量容许偏差管理值的要求。

3 基于BIM 技术基坑开挖与智慧监测技术的应用

首先，结合地铁站工程设计及施工情况，在前述车站BIM 模型实体结构分解方式及专业构件编码的基础上，以自动化智能监测传感器等物联网为载体，基于4G 或者5G 移动端信息传递技术实现了地铁车站深基坑开挖的全过程的安全监测。为了同时满足提高效率、降低成本、保障安全的施工要求，地铁站在现场布设监测点时采用了人工监测点与自动化测试监测点2 种测点同时布设的方式，将自动化监测点尽量布设在既有铁路线临近相关的监测位置。通过互联网将监测数据直接上传至云平台，同时结合BIM 技术与智慧监测系统来实现地铁基坑的信息化施工。

3.1 监测点布设

基于BIM+物联网的监测数据系统主要包括以下几个方面的测量：

（1）沉降测量（基坑周边、既有铁路）

监测数据采用相对高程，利用施工中建立的水准测量监测网，按照Ⅱ等水准测量规范要求采用电子水准仪引测。基坑周边采用架设高精度水准仪人工监测+数据录入的方式进行。既有铁路沉降监测采用静力水准沉降监测系统进行在线24 小时自动化监测，同时配合人工精密水准仪遵照规定监测频率进行变形监测。

（2）水平位移测量（基坑、既有铁路）

水平位移测量采用坐标法观测基坑及既有铁路测点的变位。既有铁路通过倾角传感器对路基体水平位移进行监测，在钢轨外侧安装单轴倾角传感器，由钢轨倾角计算水平位移。

（3）结构受力监测（基坑）

受力监测包括支撑轴力与围护桩内力监测，采用振弦式轴力计和钢筋计测试，自动化采集上传数据平台。

3.2 基于BIM+物联网技术的安全智慧监测技术

BIM 技术的实施可对施工过程中附有各种参数的结构构件进行全方位、全过程、全信息化的模拟，因而可以形成多维信息模型，全面的地对现场施工全过程进行展示。将基坑开挖施工期间的监测点数据信息与BIM 仿真模型相结合如图6 所示，可全面的掌握施工过程中基坑及支撑结构的受力情况，保障施工的安全性。

图6 监测点与BIM仿真模型结合

将各种智能传感器采集数据与人工实时测试的数据一同上传至云平台，并进行对比与时程曲线分析，通过BIM 技术平台进行可视化，通过在安全控制功能中提供的时间监测数据列表，可以查询到不同测点不同时间范围内的具体监测数据，以及时程曲线，形象的展示智慧监测数据的变化过程。实际施工应用中，可以根据施工项目的进展情况，不断完善和添加新的危险源项目，达到安全控制的目的。

3.3 基于大数据的安全分析与预警

在基坑施工中会实时的产生并采集到各种海量、多源、多态、多维的相关信息，具有大数据的特征，因此有必要建立基于BIM 技术的大数据分析与安全预警机制。下面以基坑的监测预警BIM 平台进行分析，通过向基坑监测BIM 系统所提供的接口传入相关的监测测点类型或者测点的编码数字信息，即可以呈现该监测测点的具体数值，包括变化值、变化速率、累积值、报警阈值、推送信息等，其中报警阈值通常根据规范和设计要求分成3 个等级，根据测试的绝对值、变化速率值等，按对安全的影响程度分为黄、橙、红色预警，红色预警直接影响施工安全，平台展示如图7 所示。

图7 安全风险分析预警

4 结语

本研究成果通过地铁站开挖实际应用表明，本系统工作效果良好。针对BIM 核心建模软件，以及Revit API 二次开发流程，解决了Revit 与MIDAS GTS 数据交换问题。通过Midas GTS 构建力学计算边界条件对地铁车站基坑开挖施工过程进行了有限元分析，并根据计算结果提出了监测建议。对所测得数据进行分析，分析的结果较好的反映了地铁基坑施工过程中各项参数的变化规律。此外，在工程施工的过程中，智慧监测系统数据的实时反馈，为地铁深基坑安全施工提供了可靠的数据支持与安全风险预警。