基于建筑信息模型的地铁车站深基坑工程孪生仿真云平台的研发与应用*

姚湘静

(上海申通地铁建设集团有限公司,200070,上海∥高级工程师)

在大型商业广场与既有城市轨道交通车站的接驳项目中,深基坑施工的风险很大。为保证施工过程中支护结构及周边建(构)筑物的安全,深基坑开挖与支护的实时监测、分析及信息反馈尤为重要。

文献[1]将BIM(建筑信息模型) 技术与GIS(地理信息系统)技术相集成,研发了深基坑监测信息共享系统;文献[2]应用BIM技术对超大型复杂基坑工程进行了施工过程的全程模拟与分析;文献[3]引入四维、五维的可视化方法,通过数字化BIM模型与监测数据的交互,实现了施工过程的精细化管理;文献[4]以某深基坑为例,介绍了深基坑三维模型的建立、基坑检测数据实时查看、复杂节点配筋及施工进度模拟等内容;文献[5]将基坑监测数据与BIM技术相结合,详细介绍了依托云平台进行施工监测的整体解决方案;文献[6]通过创建基坑工程BIM模型,实现了BIM技术在支护结构设计、土方开挖及基坑监测等方面的深度应用;文献[7]基于Revit软件平台,对复杂基坑开挖中的地形、地坪、承台及基础梁等进行了二次开发,并提供了开发计算的开源模块。

综上,BIM技术在深基坑施工模拟、动态管控及监测预警等方面发挥越来越重要的作用,但上述研究大多仅聚焦了基坑工程的部分功能。本文将BIM三维模型信息、基坑施工信息及基坑变形监测信息等信息,同预报预警机制、孪生模型与数值仿真分析模型转化等模型进行有机融合,进而构建基于BIM技术的深基坑工程数字孪生-数值仿真Web(万维网)协同云平台(以下简称“深基坑孪生仿真云平台”)。

1 深基坑孪生仿真云平台系统的研发

1.1 系统的架构

深基坑孪生仿真云平台的系统架构由数据层、服务层、业务层及应用层4层架构组成。其中:数据层由中心数据库组成,用于存储采集得到的用户数据、BIM模型数据及监测数据,并将服务和应用层分析产生的数据进行固化;服务层基于云端服务器搭建,通过Web服务的形式,实现数据和模型的接入、分析及预警服务,该层是深基坑孪生仿真云平台系统的核心功能层;业务层将数据层的操作进行组合,以实现视图控制与预警消息分发;应用层提供基于B/S(浏览器/服务器)架构的Web应用,用于对数据层信息进行处理,对测点数据进行分析汇总,以实现对深基坑的预警计算与监测报警,为用户作出合理、精准的决策意见。

1.2 系统的主要功能

深基坑孪生仿真云平台系统的主要功能包括信息收集、统计管理、基坑建模、数据处理、报警管控等,如图1所示。

图1 深基坑孪生仿真云平台系统的主要功能

1.3 系统与数值计算软件的接口

仿真生成深基坑孪生轻量化模型,并将模型转化为ANSYS数值计算软件可运行的结构分析模型,其模型数据转换流程如图2所示。首先在平台模型项目中遍历框选到的目标模型图元,判断图元类型是否为实体族类型,并过滤掉点、线、面等不需要转换的类型;然后对采集到的族类型模型进行分类,并读取每个族实例的几何信息、材质信息并进行编号;最后将整合数据转换为数值分析软件可读取的脚本文件。

图2 深基坑模型与ANSYS软件结构分析模型间数据转换流程图

2 深基坑孪生仿真云平台的应用

2.1 案例工程背景

上海某发展项目地块东西跨度约为225 m,南北跨度约为170 m,总建筑面积约为43万m2。该项目由I区两栋办公塔楼(T1和T2)及II区商业裙房两个部分构成,其中:塔楼为33层,高度约170 m,底板底面埋深约20.0 m;裙房为地上7层的商业楼,高度为55.0 m,底板底面埋深约为18.5 m。

该项目的地下空间与城市轨道交通车站接驳,其基坑开挖深度为19.20～20.85 m,施工风险等级高。根据DG/TJ 08-61—2018《基坑工程技术标准》,确定该基坑安全等级为一级。

2.2 深基坑孪生轻量化模型的建立

根据设计单位提供的施工图纸,利用Revit软件建立基坑的BIM模型,并采用C#语言构建基于Revit API(应用程序接口)的二次开发环境[8],将.rvt模型文件转为.json格式并导入深基坑孪生仿真云平台中,生成的深基坑孪生轻量化模型如图3所示。

基于图3的轻量化模型,利用BIM技术信息关联性、可视化及可协调性等优势,根据工程监测需求在深基坑轻量化模型上创建监测点专用族库。再根据不同监测类型,在模型中布设变形监测点三维构件,在监测点添加相应参数,以满足监测数据与模型的关联需求。采用四维技术(即在三维模型中添加时间轴),以实现BIM模型的日常监测与管控。

2.3 监测点模型族库的建立

基于该工程拆分出监测点的模型族库,根据监测方案与测点布置图,通过参数化设计添加各模型测点的编码属性,并在模型中快速定位和布设变形监测点三维构件,从而为后续在深基坑孪生仿真云平台系统中监测点模型的布置与数据的关联提供实现途径。本工程的孪生监测点模型族库界面如图4所示,主要包括基坑外地下潜水水位监测孔模型、围护墙体测斜监测孔模型、地面沉降监测点模型、围护墙顶变形监测点模型、支撑轴力监测点模型、支撑立柱隆沉监测点模型及围护地墙内力监测点模型等。

图4 孪生监测点模型族库界面截图

模型测点编辑界面通过Web端深基坑轻量化模型与后台采集到的测点数据进行交互,对数据变化速率、累计量及预报警事件等内容进行可视化反馈。图5为深基坑孪生仿真云平台数据监测模块模型测点编辑的界面截图。如图5所示,通过鼠标左键单击事件,点击“添加预警测点标签”即可关联轻量化模型中的测点族,此时可选取相应类型数据测点,将数据结合至预警测点标签中。双击鼠标左键事件即可实现测点标签的删除。

图5 数据监测模块模型测点编辑界面截图

2.4 监测预警方案

深基坑孪生仿真云平台可三维展示整个基坑、周边环境、场地布置及测点的信息。报警点使用颜色测点模型进行定位和级别划分,当监测到超出预警值时,该平台系统可用不同的警示声音来达到预警的目的:①监测值达到允许限值的60%时,用时长3 s的“嗡”提示音警示;②监测值达到允许限值的80%时,用时长5 s的“滴”提示音警示;③监测值达到允许限值的100%时,用时长1 s的连续“滴”提示音警示。

根据GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》的规定,若支护结构监测项目的变化速率连续3 d超过该点位规定限值的70%,触发预警。图6为深基坑孪生仿真云平台中深层墙体测斜监测预警界面。单击测点模型,模型视角会自动拉近到预警点位置,同时右侧会弹出显示该报警点的当日监测数据及累计监测数据的图表信息。

2.5 孪生模型与数值模型的转化

由于基坑模型体量较大,本文现仅以地下连续墙结构为例对孪生模型与数值模型的转化进行说明。图7是该工程地下连续墙部分构件孪生模型与数值模型的转化界面。

图7 地下连续墙部分构件孪生模型与数值模型转化界面截图

2.6 算例应用

仍以地下连续墙为例说明基于深基坑孪生仿真云平台的算例应用。计算各地下围护结构主体采用弹性本构模型,地基各层岩土体采用弹塑性本构模型进行计算。基坑开挖深度按20 m计算,基坑围护结构地下连续墙深度按40 m计算,厚度为1.0 m。设开挖深度为h,图8为该项目在不同开挖深度下的地下连续墙水平位移等值云图。

图8 不同开挖深度下的地下连续墙水平位移等值云图

由图8可知:基坑开挖过程中,围护结构水平横向与纵向两个方向的变形均是一个不断增加的过程;不架设支撑体系时,地下连续墙的墙体向基坑内侧产生变形;地下连续墙顶部的位移最大,随着深度增加逐渐变小,且沿深度方向呈悬臂式分布;在考虑支撑体系的情况下,地下连续墙墙体发生最大水平位移的位置逐渐下移,均出现在各开挖工况前一个开挖面的附近。

3 结语

本文依托实际项目研发了基于BIM技术的深基坑孪生仿真云平台。该平台系统在深基坑信息管理、监测管控等方面均取得了良好的收效,构建了基于实际工程的数字孪生模型及各类孪生监测点。随着数据的更新与累积,该平台系统能形象、直观地自动生成多种类型的数据报表和分析曲线,能较好地满足了深基坑监测数据快速处理及信息反馈的需要。

此外,本文研发了孪生平台与ANSYS有限元软件之间的数据交互端口,提出了数字孪生模型与数值模型数据交互的方法,这为深基坑有限元模型的实时分析提供了实现途径。基于该平台,可得到基坑开挖过程中围护结构的变形规律,进而为工程施工选择合理的支护方案提供依据。