BIM监测信息管理案例研究

戎呈航,陶红雨

(绍兴文理学院土木工程学院,浙江 绍兴 312000)

近年来,建筑信息模型(Building Information Model, BIM)技术在国内快速推广,其应用方法与技术是当下研究热点。BIM应用的关键是工程信息的有机集成、共享与管理[1],通过对工程信息的有效组织与追踪,支持、反映各方的协同管理,辅助与优化项目决策,以发挥提高效益、降低成本、控制风险的作用。

监测信息是工程信息的重要组成部分,反映了工程在实施阶段的各项重要指标,其内涵信息与工程目标高度关联。BIM若无管理工程监测信息的能力,即无法实现对复杂工程信息的有效组织与追踪,影响BIM在工程实施阶段的应用成效。伴随BIM应用研究的深入发展,BIM监测信息管理受到业界的重视,在一些工程项目中进行了相关研究与应用,探索了多样化技术方案。收集整理相关案例,研究其理论、技术以及工作模式,分析其共性,对于该领域的进一步研究有重要参考意义。

1 BIM监测信息管理的内涵

BIM监测信息管理是BIM模型与监测信息的集成,是工程监测与BIM应用的业务整合，是通过关联BIM模型与工程监测信息,利用工程监测信息充实BIM内涵,利用BIM模型直观表达监测信息的策略与方法。BIM监测信息管理可充分挖掘工程信息价值,优化工程管理决策,强化工程风险管控能力。

BIM能够高效地组织工程信息组织,数字化的BIM模型可有机集成复杂工程信息,强化相关信息之间的联系,是提供信息传递、过程模拟、动态分析的高效工具；通过BIM模型标识转化抽象监测数据为可见信息,大幅提高信息表达的效率,形成整体化、动态化的监测信息模型,可强化监测对工程管理的指导作用。

BIM监测信息管理是工程监测活动与BIM应用的整合重塑,其内容包含监测数据采集、监测数据标准化管理、监测数据分析、BIM模型可视化等工作。 工作流程见图1。

图1 BIM监测信息管理工作流程

2 BIM监测信息管理的基础框架

2.1 BIM监测信息管理硬件基础

依据工作内容差异,BIM监测信息管理硬件框架(图2)可分为四个层面,即信息采集层、信息传输层、信息管理层、应用层。信息采集层设备负责工程信息的采集,主要硬件为工程测量设备,包含各专业传感器、测量仪器等；传输层设备负责传递、交换测量设备所取得的监测数据,主要硬件为传输介质与传输设备,例如调制解调设备、光纤、无线网络等。信息管理层是整个框架的核心层,该层设备负责监测数据的标准化处理与储存、监测数据的分析与判断、BIM模型的创建与维护、BIM动态模型以及相关管理信息的实时发送等重要工作,主要硬件为网络服务器与计算机；应用层设备负责信息的发布与反馈,利用计算机、手机等设备提供整体化的工程信息管理窗口,利用自动化设备根据监测信息进行对应调控。

图2 BIM监测信息管理硬件框架

2.2 BIM监测信息管理的软件基础

当前BIM监测信息管理处于探索性应用阶段,尚未有成熟软件方案,但BIM监测信息管理对于软件的需求基本是明确的(表1),包括以下几个方面：1)BIM建模能力,即BIM模型的创建与编辑,在模型层面上明确建筑内部结构、材质、几何、相对位置等关系信息,提供建筑信息管理的基本框架；2)监测数据库管理能力,将以各种手段取得的监测数据数字化、标准化管理的能力,便于其他软件调用；3)监测数据分析能力,根据相关标准和计算等方法内置数据分析逻辑,对于实时监测数据进行分析判断的能力；4)监测数据表达能力,对于监测数据的判断结果表达为可视化结果,并快速反映到BIM模型上的能力；5)模型展示能力,将BIM动态化模型快速发送给管理决策者,提供统一、透明、公开的协同管理平台。

表1 BIM监测信息管理常用软件

3 BIM监测信息管理案例分析

通过文献调查,收集BIM监测信息相关案例,分析案例对应的应用领域、技术要点、应用成效,挑选代表性案例进行介绍。

3.1 深基坑工程监测领域

深圳某地铁项目基坑[2]项目采用了基于Web与BIM的监测信息管理方案。通过web service技术搭建程序接口,数据以IFC标准形式存储于数据库,通过Revit IFC开源接口实现数据交互。采用Unity将对应数据生成三维模型,提供直观的基坑工程现场三维模型。通过点选监测点可查询、管理对应监测数据,输出监测数据报表。

汉口某航运中心临江基坑[3]项目通过Web系统管理监测数据,利用Revit软件条件语句族函数实现监测数据到构件材质颜色属性的映射,利用色差区分不同监测状态；利用Navisworks工具,将监测信息添加到时间轴上实现开挖过程的动态模拟。在监测信息可视化的基础上,对基坑监测信息的动态发展以模型形式进行直观表达。

昆明某高层建筑基坑[4]项目在Revit软件中利用Dynamo进行监测数据的参数化建模,将监测点的各向位移以三维柱状模型进行可视化表达,实现了监测信息直观化。

3.2 桥梁施工监测领域

虎门二桥[5]悬索桥项目以Tekla structure软件建立的BIM模型为基础,设置结构构件、传感器的标准编码,采用数据库集中管理结构信息与监测取得的构件偏差、标高等信息,通过Unity3D完成模型数据的三维直观表达,监测数据与模型构件对应关联,通过选定构件可查询该构件各阶段的监测数据,实现了链接式的监测信息模型注释。

怒江特大桥[6]钢桁拱桥项目利用Dynamo工具开发钢桁桥结构施工监控报警程序,以Midas软件计算结果为参照,对施工监测信息进行判定,将判定结果用色彩标识的形式赋予对应构件,实现了施工监测数据的可视化。

3.3 结构健康监测领域

江苏南部某钢桁桥[7]项目以桥梁三维模型为参照,确定实际结构病害位置的三维坐标,在钢桁桥BIM模型上将结构病害以色彩标记形式表达,建立模型构件与病害信息之间的链接,便于结构病害信息的快速查询。

沪通长江大桥[8]斜拉桥项目将监测数据采集后上传服务器统一管理,在程序分析处理后对结构状态进行自动评价,通过三维模型反映监测设备信息、监测数据、结构病害等信息,统一管理工程全寿命周期信息,提高了工程信息的利用率。

3.4 隧道工程监测领域

上海某地铁区间盾构隧道[9]项目结合GIS、BIM、自动化监测、有限元分析等技术形成工程监测综合管理系统。以GIS二维模型、BIM三维模型对隧道信息进行直观表达,将结构病害的位置表达在对应的模型位置上,通过点选模型可查询对应监测信息,提供隧道工程信息管理的全局视野。

大连金普铁路隧道[10]项目在Revit建立的隧道结构模型基础上,将BIM模型数据、监测信息、风险信息整合为IFC标准数据,由数据库统一管理并发布为Web,利用WebGL生成隧道三维模型,提供地质模型、监测数据、风险判定等信息的查询,形成基于Web的工程综合信息管理系统。

3.5 环境与能耗监测领域

台湾省北部地铁隧道项目[11]在轨道安装过程中对隧道内空气质量进行了监测,防范有害气体造成的施工风险。编写C#程序实现无线传感器网络与BIM模型的关联,实现有害气体的浓度、温湿度监测数据到BIM模型对应位置的映射,采用不同颜色动态显示隧道内有害气体风险状态,对于达到报警值的区域在模型上标志为红色,并远程启动隧道内的闪光灯进行报警。

Donghwan Lee等[12]在世宗市某小学教学楼项目中结合建筑能源管理系统(BEMSs)与BIM,搭建基于Web的建筑能耗监测管理系统,利用BIM模型表达建筑信息,将不同区域的能耗信息反映到模型对应位置,为建筑能耗的分析提供直观参照。

4 BIM监测信息管理要素分析

案例研究发现,BIM监测信息管理在各领域的探索性应用中取得了一定成效。尽管各案例在技术路线上存在差异,但BIM监测信息管理的实现是存在共同要素的,即：工程信息的标准化管理，监测数据与模型的动态关联，监测信息的可视化表达，与其他技术的集成创新。

4.1 工程信息的标准化集中管理

工程信息标准化集中管理是以充分挖掘工程信息价值为目标,对工程信息进行分类、处理、传输、存储,形成工程信息集合以便于各环节调用的策略。工程信息通常来源多样、形式各异,若无法化繁为简,则无法实现工程信息在各环节之间的顺畅流通,将限制BIM集成管理工程信息的能力。

工程信息的标准化集中管理包含三个方面:一是监测数据的标准化,即实现监测数据文件格式、报送方式、存储形式的标准化；二是工程信息的数字化,使工程信息适应BIM应用,保障信息稳定性、精确性、互用性；三是工程信息的集中管理,为工程管理各环节软硬件对工程信息的快速调用,为工程信息的关联分析提供通路。

4.2 监测信息与BIM模型的动态关联

BIM与工程监测信息是相对独立的信息集合,实现BIM监测信息管理的首要任务是建立两者之间的联系,实现动态关联。

分析案例中监测数据与BIM模型关联模式,主要有以下三种：一是基于IFC标准文件的关联,将监测数据转化为符合IFC标准的信息,将其添加到BIM模型文件中,作为属性信息即时赋予对应BIM构件；二是通过窗口链接的方式实现信息管理,通过设置BIM模型内部构件与对应监测信息查询窗口之间的链接,点击构件实现对应实时监测数据的查询；三是通过线索(如统一编号、时间轴)关联二者,赋予BIM模型与监测数据关联线索,在第三方窗口实现二者结合,以过程模拟的方法实现动态关联。

4.3 监测信息的可视化表达

BIM模型对监测信息的可视化表达是BIM监测信息管理的核心能力。监测数据可视化是对监测结果的可视化,是建立在监测信息分析的基础之上的。为此需集成对监测数据的分析能力,需依据设计、规范、计算、经验设定监测数据的判定逻辑,利用软件工具快速判断监测数据并输出结论。

监测数据可视化的常见表达形式有两种：一是以色彩区分的可视化,如色彩分阶的方式；二是几何表达的可视化,如三维柱状图。对于不同技术内核的方案,实现可视化方法也有很大区别,但整体上可分为两类：一类是直接对模型文件进行修改编辑的方法,可通过IFC标准文件编辑直接修改模型属性,也可通过参数化建模快速生成对应实体,实现监测信息可视化；另一类是在模型渲染的过程中将对应属性直接表达的方法,例如在图形引擎渲染模型过程中直接反馈监测信息。

4.4 与新兴技术的集成创新

BIM技术是BIM监测信息管理的核心,其数字化特性为整个体系提供了的高度开放性,使BIM监测信息管理能够与其他具备数字化特性的信息技术高度兼容,是BIM监测信息管理的关键优势。

BIM监测信息管理在监测信息采集方面可通过与无线传感器网络、点云扫描、倾斜摄影等先进信息采集技术的集成创新,在提高工作效率与数据质量方面取得显著成效。

数字化的BIM模型通过简单编辑与处理可导入专业分析软件,如ANSYS 、Abaqus,省去信息的重复输入。在此基础上,BIM监测信息管理可将CAE软件作为系统内的分析模块,以软件模拟工况,计算与推测监测数据指标,为监测数据设定参照指标；同时也能以软件分析监测数据,对相关参数指标的发展趋势进行推导与估测。BIM监测信息管理也能通过整合GIS等信息工具,通过功能互补, 实现能力扩展。

5 结 语

在BIM技术快速推广的当下,BIM监测信息管理作为BIM在工程实践阶段应用的关键部分,受到越来越多的关注。但案例分析发现,各项目在实际应用过程中,采用的技术方案及实现的应用效果有较大差异,尚未形成完整标准,整体而言,BIM监测信息管理目前仍处于探索阶段。在案例分析基础上,总结了实现BIM监测信息管理的四要素,为BIM监测信息管理实现的基础,也是其进一步发展的方向。相信随着相关技术与理论发展,BIM监测信息管理逐渐将形成统一标准,其内容与方法将不断丰富,逐渐将成为工程信息化管理的重要跳板。