基于GIS+BIM技术的城市轨道交通施工期监测管理平台构建及应用

程宇航,汪 林,赵鹏辉

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

中国正处于轨道交通建设快速推进的时期,截至2022年12月31日,已开通的城市轨道交通线路共计290条。未来轨道交通的建设环境会更加偏重于经济及人口相对密集的沿海、沿江地区。复杂的施工环境和地质条件必然对项目的施工技术提出新的问题和挑战,因此在建及运营线路需实时掌握监测数据,从而对结构进行有效的评价和预测,以确保工程本体结构和周边环境的安全[1]。

GIS+BIM技术融合利用可实现多方协同管理,达到质量、安全、进度等联动管理,满足工程管理可视化、智能化、信息化和精细化的管理需要。羊权荣等[2]以青岛地铁8号线海底隧道为例,基于GIS和BIM技术创建了信息管控平台,实现了施工监测数据的统筹管理,便于直观、多样地查询并展示数据,解决监测数据量大、流转速度快的难题;何高峰等[3]利用GIS技术对隧道穿越的岩溶塌陷区域进行风险评价,并将结果呈现在BIM平台,进而发布相关预警预报信息,保障了施工过程中的安全监测。

鉴于近年来轨道交通业务快速发展,不论是施工的复杂环境还是结构的复杂程度都不断上升[4]。虽然也有学者致力于二者在不同应用环境的交叉研究,但依然没有针对轨道交通安全监测的结合方式,因此本文将依托深圳市轨道交通安全监测工程,将GIS+BIM技术相融合,建立SaaS智慧监测平台,实现管理的信息化和智能化。

1 GIS+BIM技术的集成优势

GIS和BIM技术之间有着密切联系,两者各有优缺。BIM技术能够提供丰富的轨道交通内部模型数据,为安全监测数据采集做出预警和远程分析,为管理人员做出问题的预判,同时提供数据和模型支撑,及早发现问题、做好预防;GIS技术满足了在地理环境空间信息下城市轨道交通周围立体空间的可视化分析应用,为地铁内部结构的区域管理以及安全监测管理提供宏观信息,为监测预警、安全管理和应急管理做好规划[5]。本文所述项目施工期监测是较为复杂的工程项目,其工程量庞大、责任重大且施工风险较高,各工序之间的关系错综复杂,且需要熟悉相关监测业务的专业技术人才,迫切需要一种切实有效的管理方法来全面组织,进而高效实施监测作业。因此,将信息化管理技术应用于创业路站施工期监测项目中,结合监测业务自身特点,按照统一规划部署、分布实施管理的原则[6],通过GIS+BIM技术制定行之有效的监测管理办法,对本项目施工期监测进行系统管理,及时有序地开展各分布单元监测工作,对监测仪器的采购、安装、数据采集与整编分析进行统一管理,形成一套完善的监测管理体系,最终实现创业路站施工期监测作业的圆满完成,并在保证项目安全和质量的前提下达到利益最大化,为轨道交通施工期监测作业的管理模式探索一条新思路[7-8]。

2 SaaS智慧监测平台

2.1 平台优势

SaaS智慧监测平台主要解决创业路站安全监测项目对信息化技术需求、企业总部对于日益增多的项目的管理需求,实现项目的粗放管理到精细管理、单一运作到协作共享、被动响应到主动预见、风险处理到风险防范的转变。在设计层面,SaaS智慧监测平台能够实现监测数据的自动采集、数据分析、生成报告及监测预警等功能;在管理层面,该平台能够将沟通效率提升约40%;在体系层面,将GIS技术与BIM技术相融合后建立了轨道交通工程监测协同管理体系,全线协同施工、规划、监测与运营的接口。该平台主界面如图1所示。

2.2 整体架构

SaaS智慧监测平台充分运用物联网、云计算、三维GIS与BIM技术,对工程安全监测涉及的传感器、仪器设备、数据整编分析技术、数据可视化呈现方式、风险预警、报告编制等内容进行系统全面的设计,实现各项目监测数据、管理信息、风险管控情况的集中管理、实时共享、综合分析和远程辅助决策,为相关各方提供统一的信息平台[9]。平台建设突出以地铁及其部位实体为三维操作单元、以时空数据为基础、以数学分析模型为核心,发挥监测领域知识驱动能力,在数字空间对工程项目监测对象及其业务进行全要素、全过程的数字化模拟、可视化呈现以及智能化分析[10]。该平台整体架构设计如图2所示。

图2 SaaS智慧监测平台整体架构

3 工程应用

3.1 工程概况

创业路站是深圳地铁12号线的中间站,东南接南油站,西北连南山站,是12号线的第7个车站,车站位于南山区创业路与南光路交叉路口处,线路穿行于创业路地下,东西向斜切创业路。车站总长250 m,标准段基坑宽21.2～22.0 m,盾构扩大端基坑宽约25.8 mm,车站基坑开挖深度为19.0～21.0 m。本车站基坑在开挖过程中的监测项目有:围护墙体水平位移、墙顶竖向水平位移、支撑轴力、建筑物沉降、地表沉降、管线沉降、地下水位。

3.2 工程应用

3.2.1GIS+BIM技术具体应用

利用GIS+BIM技术能够提前对监测点位埋设以及施工期监测进行动态模拟,选择更加合理的测点埋设位置、时间节点和仪器保护方法(受后续各施工方影响),进一步提高监测仪器的埋设质量和效率,保证测点保存完好,避免不必要的返工。SaaS智慧监测平台具备较为可靠的项目管理和报表生成等功能,目前在创业路站已稳定运行。该监测系统内部已经录入各测点信息,如测点名称、测值状态(是否正常)、最新测值等,能够自动对监测数据进行计算与分析,并且可随时调出其变化曲线。如图3所示为本项目的关键信息界面。

利用GIS+BIM技术进行监测作业模拟的步骤一般如下:

(1) 结合设计图纸利用Revit软件进行三维建模,同时对监测点位进行三维建模;

(2) 结合相关规范规程,熟悉监测点埋设方法及土建施工工艺流程,进行模拟施工,选定合理的监测点埋设位置和时间;

(3) 针对不同的施工工艺,模拟出土建施工对监测点位造成的影响,进行碰撞检测,提供可视化参考,最大限度地减小测点的破坏及损失。

3.2.2GIS+BIM内业资料应用

轨道交通施工周期长、工艺多并且施工条件极其复杂,每进行一道工序,都会产生与其相关的资料。随着项目周期拉长,监测资料的增多使得项目管理较为困难。由于监测数据实时更新,管理人员可以通过SaaS智慧监测平台将相关资料进行归纳总结,在系统中设置多级目录,将其按照监测部位、监测时间以及重要程度进行分类存储,同时可以将施工期中产生的设计变更图纸链接至地铁模型,避免资料缺失。

通过SaaS监测平台能够实现数据自动采集、传输、计算分析、告警及生成报告等。管理人员可以定时查看某一部位的监测数据以及相应周期内的变化趋势,通过相关功能对其进行偏差分析,剔除离散性较大的监测数据,使其可信度更高。对于某些特定部位,需要设置阈值使其实现自动告警的功能,并且通过接收短信实时了解监测情况,同时生成监测报告,具体应用界面如图4所示。

图4 SaaS智慧监测平台应用功能

3.2.3GIS+BIM平台具体功能

SaaS智慧监测平台的关键技术及核心要点主要是全方位协同管理、全要素数据沉淀及数据应用与增值。该平台共分为8个模块,分别为综合展示、资料管理、进度管理、综合管理、系统管理、质量管理、模型管理及移动APP模块。

(1) 综合展示模块包含GIS+BIM技术沙盘、二维及三维工程概况;

(2) 资料管理模块包含文件管理、文档收集、文档报审及文档检索;

(3) 进度管理模块包含监测进度展示及计划报审;

(4) 综合管理模块包含信息公告、视频管理、任务管理、周月报管理等;

(5) 系统管理模块包含监测项目单元、现场管理及人员结构管理等;

(6) 质量管理模块包括质量单元划分和质量验收;

(7) 模型管理模块包含模型管理、二维码管理及模型展示;

(8) 移动APP模块包含模型浏览、通讯录、任务管理及消息收发等。通过以上模块能够高效便捷地实现SaaS智慧监测平台的运维对接。

待各部位施工结束后,基于BIM模型进行相关质量验收,对各施工工序的成果性资料进行汇总分析,保证进度计划的实际完成,实现质量与进度的联动管理。

3.2.4GIS+BIM运维对接应用

(1) 资产维护

通过BIM模型,项目能够充分发挥运营维护管理的作用,在创业路站项目运维阶段,通过制定可视化的运维计划,借助智慧监测平台进行可视化空间管理,便于快速找到监测仪器或电缆位置,了解附近施工、设备的空间关系。鉴于BIM是构件化的三维模型,监测仪器的新增速度较快,产生的数据也在不断变化,通过该平台能够快速统计资产信息,实现地铁项目运营维护目标。

(2) 竣工移交

竣工资料是项目监测验收的重要依据,对于竣工资料的整理与归档,SaaS智慧监测平台能够将庞大、繁重的工作简洁化。竣工资料不仅需要归纳完整、准确性高,更加应该便于管理与查询以GIS+BIM技术建立的地铁模型为依托,将所有相关联的监测文件,如设计图纸、设计变更、监测仪器到货及验收清单、仪器率定表、项目结算等资料与地铁工程相关模型构件进行关联,使监测工作满足竣工验收的管理要求。GIS+BIM竣工模型中包括丰富的信息数据,这些数据模型不仅能够将繁琐的竣工资料进行有序管理、方便查询,而且能够顺利向运维管理阶段移交,实现轨道交通监测数据到运营数据的平稳过渡,为地铁建设安全鉴定提供有力支撑。

3.2.5GIS+BIM项目管理应用

施工过程中,监测技术人员分析了解现场施工情况、数据采集以及相关工作记录等信息,实时掌握现场土建施工进度,预测各部位监测变化趋势,发现监测信息反映出的实际问题,进而合理安排现场监测工作,针对工程安全风险较高的点位提出预警建议,供业主开展现场管理工作。同时,通过巡视检查对现场监测工作进行复核和监督,对各作业面的监测范围、频次、仪器损坏以及数据准确性等实时掌控。

SaaS智慧监测平台通过成立负责人牵头的安全管理领导小组,明确自身分工,分别从设备安全管理、安全教育管理以及监测预警管理等方面,实现城市轨道交通施工期监测过程中的安全管理。

(1) 设备安全管理

城市轨道交通监测项目中设备种类多、功能各异,通过智慧监测平台可以建立一个设备数字化管理模块,管理人员便可实时查看监测仪器的运行状态,及时做出正确处理。在日常运营维护过程中,管理人能够通过输入设备相关信息,获得其保修服务及维修常识等信息,将其作为定期检定的依据,从根本上减轻由设备原因导致的安全隐患问题。

(2) 安全教育管理

安全问题应该以日常预防为主,对于现场人员的安全教育培训极其重要,安全教育的目的是使监测人员能够对各类危险环境作出及时判断,培养其在作业过程中具备处理危险的能力。

(3) 监测预警管理

通过采集监测作业现场的测点信息、隐患排查信息以及施工现场视频信息,基于GIS和BIM技术,将各类信息进行可视化展示,并根据分级分类的预警体系,将达到阈值的监测点位及时发出报警信息。SaaS智慧监测平台预警功能主要包括:

1) 施工安全风险管理

实现对本项目土建工程安全风险的日常监控及应急辅助,能够快速查看与集中查看现场监测信息与巡查信息,提高安全风险管理与控制的工作效率。

2) 施工现场视频监控

能够对施工现场监测作业面进行实时监控,随时调用各测点的视频信息,并且管理人员能够通过手机或电脑客户端进行实时查看,可单画面、多画面随意切换,有权限的用户还可对监控云台进行远程控制。

3) 安全质量隐患管理

根据不同层级用户的安全隐患排查与治理的相关工作设置权限,汇总该监测区域的所有隐患信息,以及待审核上报及违规信息等。

4) 综合预警管理

通过录入现场实际监测数据实现对施工现场作业面、地面沉降以及周边环境等多种风险源的监测,通过实时报警的方式提醒管理人员关注现场监测情况,并对相应部位进行统计分析。

4 管理总结及效果分析

SaaS智慧监测平台利用GIS+BIM技术使得创业路站轨道交通监测项目的安全管理及风险管理水平得到了一定提升。监测平台的可视化技术在监测仪器埋设、线缆敷设、监测数据采集以及风险识别等方面应用效果较好。在项目的组织管理中,该平台发挥了一定作用,如信息化的即时共享、管理流程的便捷性等,这不仅能够提升监测数据采集与分析的效率,还能够加强项目的组织协调能力。采用GIS+BIM技术还能够高效地实现建立资源计划、控制项目成本、提高生产效率等,很大程度上改变了传统监测项目的管理理念,引领轨道交通安全监测信息化水平走向更高的层次,从而为城市轨道交通开启新的建设模式。

5 结 语

本文通过集成GIS和BIM技术构建SaaS智慧监测平台,项目管理人员可以通过施工期监测的前、中、后期3个阶段对整体进度进行严格把控,同时对于施工成本以及安全质量控制进行及时调整和预防。该系统在创业路站施工期监测中的实施效果较为显著,但由于BIM监测建模的工作量较大,建模精细程度有待改进,目前只能参考类似项目管理的应用研究,不通用于所有的城市轨道交通监测项目。随着技术数据和相关标准的深入、软件层面数据交换与数据共享的深度融合共享、智慧城市理论的更新迭代,GIS+BIM技术未来在我国轨道交通、水利水电等工程安全监测领域,一定能够实现更高层次、更高程度的集成化与智慧化应用。