基于BIM的考虑多源信息的超高层建筑结构智能监测方法

刘占省， 袁 超， 王宇波， 张安山， 史国梁

(1.北京工业大学城市建设学部， 北京 100124； 2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室， 北京 100124)

近些年，随着经济的发展以及土木工程领域理论与施工技术的完善，建筑结构逐渐向超高层的方向不断发展，我国先后施工完成了上海中心大厦、深圳平安金融中心等一大批超高层建筑结构.大多数超高层建筑结构的相关研究仅涉及结构响应的短期现场测量.然而，复杂超高层建筑结构的施工阶段可能比使用阶段更为关键，因为施工阶段的结构配置和边界条件与使用阶段有显著不同，施工阶段的缺陷也会导致使用阶段的额外应力和永久变形[1-2].因此需要在施工阶段中进行结构监测，分析结构关键位置的受力以及变形，实时了解超高层建筑结构施工过程的结构特征，对施工过程中结构状态进行安全评估[3].工程师通常手动评估这些结构，但传感器网络可以自动评估结构的完整性并定位损坏，这可以显著降低成本，同时提高公共安全[4].然而，在评估结构的过程中，所有原始的和预处理的数据可能会累积大量信息[5]，这可能会导致评估结果不一致.

随着建筑信息模型(building information modelling，BIM)技术的火热发展，它已经被应用在建筑施工[6]、安全疏散[7]、建筑抗震评估[8]、建筑标识系统优化[9]、结构安全评估[10-11]等领域中.现如今，在结构监测中如何应用BIM技术已是研究趋势[12]，BIM是结构物理和功能特征的数字表示，它不仅是一种计算机辅助设计工具，也是一种面向对象的三维建模和信息管理平台，使各类工程人员能够远程无缝地在同一个项目上工作.Zhang等[13]提出了一个BIM集成服务平台框架，可用于多个用户的数据集成和模型信息提取.而Wang等[14]的研究发现，在结构监测中应用BIM可以提高监测过程和决策的有效性.Del等[15]研究了BIM模型中数据与传感器的表示，并得出结论，BIM模型和结构监测数据的链接过程高度依赖于平台，且需要定制界面.虽然BIM被期望作为管理与建筑项目相关的所有数据的动态工作台，但是BIM和结构监测过程之间缺乏链接，结构安全状态的评估缺乏直观性[16].现阶段结构监测过程中多源信息的融合方法、如何应用BIM技术指导结构监测方案、施工模拟指导安装传感器以及结构监测数据和诊断分析结果的3D可视化，在以前的研究中并没有得到充分解决.

针对上述问题，本研究提出了一种基于BIM的考虑多源信息的超高层建筑结构智能监测方法.该方法将结构监测识别组件与BIM集成，对超高层建筑结构施工过程数据进行实时采集，并将结构监测的多源数据信息进行融合，从而更好地对关键结构构件进行安全评估.本文利用结构有限元分析结果和施工模拟结果进行监测方案的设计与优化，搭建了一个基于BIM的超高层建筑结构智能监测平台框架，可以显示完整的传感器信息以及结构监测的系统诊断结果.最后，通过对案例研究，验证了所提出方法的可行性.

1 多源监测信息分类

超高层建筑结构监测涉及多个渠道信息，包括结构化信息和非结构化信息，主要信息如图1所示，呈现出信息量大、管理难度较大等特点.其中结构化信息指结构在设计模型下，通过有限元分析得到的结构安全信息，可为结构监测数据的分析提供理论依据.非结构化信息指结构的安全响应信息，是通过多种类型结构传感器实际监测获取到的结构实时状态响应信息.结构BIM模型可以提供时间维度信息和几何位置关系信息，为结构监测过程中提供三维可视化的指导.多源信息各自独立工作，会造成信息的丢失和沟通不畅.而将结构化和非结构化信息进行融合，同时发挥BIM平台的信息共享、实时可视化等特性，实现基于BIM的对超高层建筑结构监测信息的实时获取、大数据分析、实时评估和智能预警决策，提升超高层建筑结构监测信息化和智能化水平.

图1 超高层建筑监测信息分类Fig.1 Super tall building monitoring information classification

2 多源信息融合方法

2.1 BIM模型信息集成

2.1.1 构件的类型属性和实例属性

BIM模型中，项目是由各个图元组成的，每个图元相当于一个构件，构件的属性分为类型属性和实例属性，类型属性是具有相同类型元素的所有构件的公共属性.构件的类型属性用于确定相同类型的公共属性构件，尤其包括构件截面定义、几何参数和有关信息的识别.实例属性决定每个构件的特定特性，包括约束、几何图形、构造、材质、高度和尺寸信息.类型属性和实例属性提供了结构构件安全监测的基本属性，而添加类型属性和实例属性的方法是：运用Revit建立三维模型，在结构构件生成的过程中，调用类型属性编辑器，打开编辑器，输入类型属性，为相同类型的构件添加公共信息，相同类型的构件可以共享和调用信息，以提高信息的使用效率.然后打开实例属性编辑框并将实例属性插入到相应的条目中，以匹配不同构件的特定信息.

2.1.2 构件的命名与编码方法

为解决施工阶段结构监测中关键结构构件在BIM三维模型中的快速定位和识别问题，在结构安全预警时，快速确定结构异常构件的准确位置，本研究提出结构模型构件的命名和编码方法：构件名称- 定位编码，即B- A.其中，构件名称B即当前的模型构件所组成的实际工程实体构件的名称；定位编码A是用模型构件的轴网和标高信息构成，或者根据具体工程的特点，进行构件定位标识，确定构件的详细位置.

2.2 传感器拓展信息集成

传感器的拓展信息集成是指在创建好的传感器族模型的基础上，增加相关的参数信息.可以用K1、K2，…Kn，这n个参数及其对应的参数值表示传感器拓展信息.其中，K1、K2、K3是必不可缺少的3个参数，是由传感器模型ID、族类型名称和传感器编号构成，如表1所示；K4、K5，…Kn是由具体项目确定的参数，如传感器的量程、分辨率、精度和使用年限等参数，如表2所示.这些参数可用作参数指标，以检查监测过程中传感器的正常运行.传感器模型ID是为传感器模型与实际结构监测构件创建映射关系，可用于识别构件测点、确定传感器位置及其安装，并显示安装在构件监测点的传感器的结构响应信息.如结构在施工过程中可能出现的构件水平和竖向偏移即(ΔX，ΔY，ΔZ)，表示为

F外框柱(ID，x，y，z，t，σ，ε)→F外框柱(ID，x，y，z，t，σ，ε)

(1)

F钢板墙(ID，x，y，z，t，σ，ε)→F钢板墙(ID，x，y，z，t，σ，ε)

(2)

表1 传感器拓展信息示例A

表2 传感器拓展信息示例B

2.3 结构安全信息集成

结构有限元信息是指通过有限元分析软件分析得到的可以反映超高层建筑在施工阶段和运营阶段下结构的受力和变形信息.而结构安全信息的文件类型包括施工过程中有限元模型的分析报告、实际传感器安装位置和线路排布图等信息，反映结构在施工阶段和使用阶段的安全性态.结构安全信息是包含文本、图片和视频等多类型格式的文件，所以结构安全信息的集成就是基于有限元信息中的结构ID编号与结构监测构件ID编号和结构BIM几何信息相对应，将文本、图片、视频等类型格式的信息集成到平台中.监测平台通过结构构件信息中的ID编号，实现安全信息关联到结构构件，从而使结构施工过程中产生的多类型结构安全信息都能够与平台中结构模型构件相关联.

超高层建筑施工过程中监测信息源复杂多样，主要包含结构BIM模型信息、传感器拓展信息和结构安全信息.本研究通过运用基于ID对应关系的方法，实现三者在同一平台的相互融合和映射.

3 基于BIM的考虑多源信息的超高层建筑结构智能监测方法

本研究提出了一个基于BIM的考虑多源信息的超高层建筑结构智能监测方法.在此方法下，BIM模型是由工程师在施工过程中开发，而传感器包含在BIM模型中.将BIM模型导入到平台中，从而在平台上实现建筑物模型和传感器模型的3D可视化.此外，传感器采集的结构信息被传输到平台上，实现结构监测信息的可视化.然后平台的处理模块对收集到的结构信息进行处理，得出结构诊断结果并在平台中显示，用于维护和决策.其中监测具体过程如图2所示.

图2 结构监测流程Fig.2 Structural monitoring process

首先，施工过程中的结构信息，由传感器收集，并发送至监测平台.其次，平台对收集的结构信息进行处理和结构分析.然后，如果没有发现潜在的危险，技术人员通过安装在结构上的传感器持续收集结构信息.但是，如果平台根据分析确定了结构故障的可能性，则有问题的部件将在平台BIM模型中突出显示，以供进一步调查或调整.同时，结构性能的警告和详细信息将通过平台向管理人员预警.最后，在与结构性能相关信息的帮助下，管理人员能够采取适当的措施来解决问题，从而防止出现危险事故.通过这种方式，可实现对结构实际性能的实时监控.

4 案例分析

4.1 工程概况

海口塔项目总建筑面积390 057.70 m2，其中地上277 806.70 m2，地下112 251.00 m2.地上塔楼264 213.40 m2，西配楼7 168.50 m2，东配楼6 424.80 m2.塔楼94层，建筑高度428.00 m，结构屋面高度402.80 m，结构立面图如图3所示，建成后，将是海南省地标建筑、海口市未来的城市形象名片.

图3 结构立面Fig.3 Structural elevation

4.2 智能监测平台框架

根据超高层建筑结构智能监测系统的功能需求以及设计原则，基于Revit模型和B/S架构，利用WebGL技术，进行了超高层建筑结构智能监测平台整体架构设计，从逻辑上将系统框架分为采集层、数据层、平台层及应用层，如图4所示.

图4 平台总体架构Fig.4 System architecture

1) 采集层是指对结构监测过程中的数据进行采集，主要有结构反应监测数据、结构荷载监测数据、结构沉降监测数据和材料性能监测数据等.数据主要通过传感器自动收集，也可通过人工进行录入.

2) 数据层则是在基础数据的基础上，对各类数据进行分类管理.主要有BIM模型数据、传感器数据和有限元分析数据等.

3) 平台层主要包括BIM模型子系统、传感器子系统、数据处理子系统以及有限元模型子系统.数据处理子系统可对传感器收集得的结构信息进行处理，得出结构诊断结果.

4) 应用层主要包括系统管理、信息录入、可视化展示和数据管理四大模块.系统管理模块是对用户和系统进行管理；信息录入模块是对系统中各类数据进行采集；可视化展示模块是展示系统各类信息，并利用传感器收集的信息实时更新界面，界面呈现如图5所示；数据管理模块是对采集到的各类信息和分析结果进行查看和管理.

图5 监测平台Fig.5 Monitoring platform

4.3 基于BIM的信息可视化展示

在数据传输方面，本研究运用LoRa技术，利用LoRa技术大容量的优势，可以实现将大量的传感器与LoRa网关相连接.传感器把结构监测信息利用LoRa技术通过无线网络将数据上传到平台，在平台中实现了对数据的记录和统计,如图6所示.

图6 平台数据采集及信息可视化Fig.6 Platform data acquisition and information visualization

图7 基于BIM的超高层建筑结构监测方案流程Fig.7 BIM-based process of structural health monitoring for super tall building

另外，本研究将BIM模型生成为IFC格式的文件，将其在JavaScript环境下解析读取，实现轻量化，再利用WebGL技术把BIM模型搭载在平台上,并把结构安全信息通过ID映射的关系搭载在BIM模型中.工程师运用BIM技术制定超高层建筑结构监测方案，如图7所示.

4.4 有限元模型建立

项目直接在Revit平台上建立模型，在MIDAS软件插件的辅助下，完成结构有限元模型的搭建，实现两种模型的转换，如图8所示.

图8 模型导入Fig.8 Model import

4.5 施工模拟

4.5.1 BIM4D施工计划

根据超高层BIM施工模型，用Microsoft Project 编制施工进度计划，运用Navisworks 软件将BIM 3D施工模型和施工进度信息关联，最终形成BIM 4D施工模型，如图9所示，可直观、准确地在平台显示超高层建筑结构施工计划.

图9 BIM4D施工计划Fig.9 BIM4D construction plan

4.5.2 施工模拟分析

超高层建筑在施工阶段中经受荷载、风载、偶然荷载等因素的影响容易发生位移形变，而位移变形是超高层建筑施工过程监测的关键.在考虑可行性的前提下，其测点布设原则为：测点应尽量选择变形较大、反应敏感的部位布设，所以在依据BIM模型完成结构监测点初步选取后，用MIDAS软件进行有限元分析，得出在温度、台风等荷载作用下的结构变形情况，如图10～12所示，根据分析结果，完成传感器位置优化，如图13所示.

图10 温度作用下结构水平位移Fig.10 Horizontal displacement of structure under the action of temperature

图11 台风作用下结构水平位移(mm)Fig.11 Horizontal displacement of structure under the action of typhoon

图12 腰桁架变形分析图Fig.12 Deformation analysis diagram of bell truss

图13 优化后监测方案Fig.13 Optimized monitoring scheme

框架柱施工模拟与一次加载的计算结果如图14所示.通过对结构进行施工模拟，发现框架柱的变形沿结构高度显示出鱼腹状变化趋势，竖向位移的最大值出现在结构的中部楼层，竖向变形峰值为21.36 mm左右，而按一次加载分析时，框架柱的竖向位移沿结构高度(或楼层)不断增大，最大变形发生在结构的顶层，竖向位移峰值为15.49 mm左右.主要原因是由于施工模拟计算时考虑了施工过程对楼层标高的补偿即施工找平，因此框架柱的竖向变形呈现“两头小，中间大”的规律，而一次加载模式未能考虑实际施工中荷载分层施加的影响，不能准确反映结构实际的竖向变形情况，无法对施工过程提供指导.

图14 框架柱一次加载和施工模拟竖向变形Fig.14 Vertical cumulative deformation of frame column under once loading and construction simulation of deformation

4.6 监测线路可视化预排布

二维图纸中排布监测线路不立体、不直观，如图15所示，很容易在施工中对线路造成破坏.运用BIM技术可对监测仪器以及监测线路进行提前布设，通过相关三维建模软件建立监测仪器以及监测线路的实体模型，并且嵌入到上述BIM模型中，重点是对监测线路的布设进行提前安排，如图16所示.施工时依据BIM模型进行监测线路的排布.

图15 二维图纸监测线路排布Fig.15 Drawings monitoring line arrangement

图16 BIM模型中监测线路预排布Fig.16 Pre-arrangement of monitoring lines in BIM model

5 结论

随着物联网、人工智能、建筑信息化的发展，越来越多的新兴技术被运用到建筑行业中，BIM技术和监测传感器相融合，可解决现阶段超高层建筑结构监测过程中遇到的诸多问题.本研究基于这个大前提，将BIM技术与超高层建筑结构监测相结合，研究结构监测过程中多源信息的融合方法，搭建基于BIM的考虑多源信息的超高层建筑结构智能监测平台框架，最后结合具体案例，为超高层监测建筑结构提供新思路.主要得到以下结论：

1) 超高层建筑监测过程中常见的信息源主要包含结构BIM模型信息、传感器拓展信息和结构安全信息，运用基于ID对应关系的方法，实现三者在同一平台的相互融合和映射.

2) 直接利用Revit模型完成结构有限元模型的搭建，研究了BIM模型和有限元模型转换的机制，并运用MIDAS软件进行了结构有限元分析.

3) 通过实际案例分析，提出在超高层建筑监测过程中运用BIM技术的方法，可以减少因人为因素导致的监测线路和传感器损坏等情况的发生.而基于BIM的结构监测平台可将监测数据和处理结果可视化.