基于GIS+BIM技術的城市軌道交通施工期監測管理平臺構建及應用

程宇航,汪 林,趙鵬輝

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

中國正處于軌道交通建設快速推進的時期,截至2022年12月31日,已開通的城市軌道交通線路共計290條。未來軌道交通的建設環境會更加偏重于經濟及人口相對密集的沿海、沿江地區。復雜的施工環境和地質條件必然對項目的施工技術提出新的問題和挑戰,因此在建及運營線路需實時掌握監測數據,從而對結構進行有效的評價和預測,以確保工程本體結構和周邊環境的安全[1]。

GIS+BIM技術融合利用可實現多方協同管理,達到質量、安全、進度等聯動管理,滿足工程管理可視化、智能化、信息化和精細化的管理需要。羊權榮等[2]以青島地鐵8號線海底隧道為例,基于GIS和BIM技術創建了信息管控平臺,實現了施工監測數據的統籌管理,便于直觀、多樣地查詢并展示數據,解決監測數據量大、流轉速度快的難題;何高峰等[3]利用GIS技術對隧道穿越的巖溶塌陷區域進行風險評價,并將結果呈現在BIM平臺,進而發布相關預警預報信息,保障了施工過程中的安全監測。

鑒于近年來軌道交通業務快速發展,不論是施工的復雜環境還是結構的復雜程度都不斷上升[4]。雖然也有學者致力于二者在不同應用環境的交叉研究,但依然沒有針對軌道交通安全監測的結合方式,因此本文將依托深圳市軌道交通安全監測工程,將GIS+BIM技術相融合,建立SaaS智慧監測平臺,實現管理的信息化和智能化。

1 GIS+BIM技術的集成優勢

GIS和BIM技術之間有著密切聯系,兩者各有優缺。BIM技術能夠提供豐富的軌道交通內部模型數據,為安全監測數據采集做出預警和遠程分析,為管理人員做出問題的預判,同時提供數據和模型支撐,及早發現問題、做好預防;GIS技術滿足了在地理環境空間信息下城市軌道交通周圍立體空間的可視化分析應用,為地鐵內部結構的區域管理以及安全監測管理提供宏觀信息,為監測預警、安全管理和應急管理做好規劃[5]。本文所述項目施工期監測是較為復雜的工程項目,其工程量龐大、責任重大且施工風險較高,各工序之間的關系錯綜復雜,且需要熟悉相關監測業務的專業技術人才,迫切需要一種切實有效的管理方法來全面組織,進而高效實施監測作業。因此,將信息化管理技術應用于創業路站施工期監測項目中,結合監測業務自身特點,按照統一規劃部署、分布實施管理的原則[6],通過GIS+BIM技術制定行之有效的監測管理辦法,對本項目施工期監測進行系統管理,及時有序地開展各分布單元監測工作,對監測儀器的采購、安裝、數據采集與整編分析進行統一管理,形成一套完善的監測管理體系,最終實現創業路站施工期監測作業的圓滿完成,并在保證項目安全和質量的前提下達到利益最大化,為軌道交通施工期監測作業的管理模式探索一條新思路[7-8]。

2 SaaS智慧監測平臺

2.1 平臺優勢

SaaS智慧監測平臺主要解決創業路站安全監測項目對信息化技術需求、企業總部對于日益增多的項目的管理需求,實現項目的粗放管理到精細管理、單一運作到協作共享、被動響應到主動預見、風險處理到風險防范的轉變。在設計層面,SaaS智慧監測平臺能夠實現監測數據的自動采集、數據分析、生成報告及監測預警等功能;在管理層面,該平臺能夠將溝通效率提升約40%;在體系層面,將GIS技術與BIM技術相融合后建立了軌道交通工程監測協同管理體系,全線協同施工、規劃、監測與運營的接口。該平臺主界面如圖1所示。

2.2 整體架構

SaaS智慧監測平臺充分運用物聯網、云計算、三維GIS與BIM技術,對工程安全監測涉及的傳感器、儀器設備、數據整編分析技術、數據可視化呈現方式、風險預警、報告編制等內容進行系統全面的設計,實現各項目監測數據、管理信息、風險管控情況的集中管理、實時共享、綜合分析和遠程輔助決策,為相關各方提供統一的信息平臺[9]。平臺建設突出以地鐵及其部位實體為三維操作單元、以時空數據為基礎、以數學分析模型為核心,發揮監測領域知識驅動能力,在數字空間對工程項目監測對象及其業務進行全要素、全過程的數字化模擬、可視化呈現以及智能化分析[10]。該平臺整體架構設計如圖2所示。

圖2 SaaS智慧監測平臺整體架構

3 工程應用

3.1 工程概況

創業路站是深圳地鐵12號線的中間站,東南接南油站,西北連南山站,是12號線的第7個車站,車站位于南山區創業路與南光路交叉路口處,線路穿行于創業路地下,東西向斜切創業路。車站總長250 m,標準段基坑寬21.2～22.0 m,盾構擴大端基坑寬約25.8 mm,車站基坑開挖深度為19.0～21.0 m。本車站基坑在開挖過程中的監測項目有:圍護墻體水平位移、墻頂豎向水平位移、支撐軸力、建筑物沉降、地表沉降、管線沉降、地下水位。

3.2 工程應用

3.2.1GIS+BIM技術具體應用

利用GIS+BIM技術能夠提前對監測點位埋設以及施工期監測進行動態模擬,選擇更加合理的測點埋設位置、時間節點和儀器保護方法(受后續各施工方影響),進一步提高監測儀器的埋設質量和效率,保證測點保存完好,避免不必要的返工。SaaS智慧監測平臺具備較為可靠的項目管理和報表生成等功能,目前在創業路站已穩定運行。該監測系統內部已經錄入各測點信息,如測點名稱、測值狀態(是否正常)、最新測值等,能夠自動對監測數據進行計算與分析,并且可隨時調出其變化曲線。如圖3所示為本項目的關鍵信息界面。

利用GIS+BIM技術進行監測作業模擬的步驟一般如下:

(1) 結合設計圖紙利用Revit軟件進行三維建模,同時對監測點位進行三維建模;

(2) 結合相關規范規程,熟悉監測點埋設方法及土建施工工藝流程,進行模擬施工,選定合理的監測點埋設位置和時間;

(3) 針對不同的施工工藝,模擬出土建施工對監測點位造成的影響,進行碰撞檢測,提供可視化參考,最大限度地減小測點的破壞及損失。

3.2.2GIS+BIM內業資料應用

軌道交通施工周期長、工藝多并且施工條件極其復雜,每進行一道工序,都會產生與其相關的資料。隨著項目周期拉長,監測資料的增多使得項目管理較為困難。由于監測數據實時更新,管理人員可以通過SaaS智慧監測平臺將相關資料進行歸納總結,在系統中設置多級目錄,將其按照監測部位、監測時間以及重要程度進行分類存儲,同時可以將施工期中產生的設計變更圖紙鏈接至地鐵模型,避免資料缺失。

通過SaaS監測平臺能夠實現數據自動采集、傳輸、計算分析、告警及生成報告等。管理人員可以定時查看某一部位的監測數據以及相應周期內的變化趨勢,通過相關功能對其進行偏差分析,剔除離散性較大的監測數據,使其可信度更高。對于某些特定部位,需要設置閾值使其實現自動告警的功能,并且通過接收短信實時了解監測情況,同時生成監測報告,具體應用界面如圖4所示。

圖4 SaaS智慧監測平臺應用功能

3.2.3GIS+BIM平臺具體功能

SaaS智慧監測平臺的關鍵技術及核心要點主要是全方位協同管理、全要素數據沉淀及數據應用與增值。該平臺共分為8個模塊,分別為綜合展示、資料管理、進度管理、綜合管理、系統管理、質量管理、模型管理及移動APP模塊。

(1) 綜合展示模塊包含GIS+BIM技術沙盤、二維及三維工程概況;

(2) 資料管理模塊包含文件管理、文檔收集、文檔報審及文檔檢索;

(3) 進度管理模塊包含監測進度展示及計劃報審;

(4) 綜合管理模塊包含信息公告、視頻管理、任務管理、周月報管理等;

(5) 系統管理模塊包含監測項目單元、現場管理及人員結構管理等;

(6) 質量管理模塊包括質量單元劃分和質量驗收;

(7) 模型管理模塊包含模型管理、二維碼管理及模型展示;

(8) 移動APP模塊包含模型瀏覽、通訊錄、任務管理及消息收發等。通過以上模塊能夠高效便捷地實現SaaS智慧監測平臺的運維對接。

待各部位施工結束后,基于BIM模型進行相關質量驗收,對各施工工序的成果性資料進行匯總分析,保證進度計劃的實際完成,實現質量與進度的聯動管理。

3.2.4GIS+BIM運維對接應用

(1) 資產維護

通過BIM模型,項目能夠充分發揮運營維護管理的作用,在創業路站項目運維階段,通過制定可視化的運維計劃,借助智慧監測平臺進行可視化空間管理,便于快速找到監測儀器或電纜位置,了解附近施工、設備的空間關系。鑒于BIM是構件化的三維模型,監測儀器的新增速度較快,產生的數據也在不斷變化,通過該平臺能夠快速統計資產信息,實現地鐵項目運營維護目標。

(2) 竣工移交

竣工資料是項目監測驗收的重要依據,對于竣工資料的整理與歸檔,SaaS智慧監測平臺能夠將龐大、繁重的工作簡潔化?？⒐べY料不僅需要歸納完整、準確性高,更加應該便于管理與查詢以GIS+BIM技術建立的地鐵模型為依托,將所有相關聯的監測文件,如設計圖紙、設計變更、監測儀器到貨及驗收清單、儀器率定表、項目結算等資料與地鐵工程相關模型構件進行關聯,使監測工作滿足竣工驗收的管理要求。GIS+BIM竣工模型中包括豐富的信息數據,這些數據模型不僅能夠將繁瑣的竣工資料進行有序管理、方便查詢,而且能夠順利向運維管理階段移交,實現軌道交通監測數據到運營數據的平穩過渡,為地鐵建設安全鑒定提供有力支撐。

3.2.5GIS+BIM項目管理應用

施工過程中,監測技術人員分析了解現場施工情況、數據采集以及相關工作記錄等信息,實時掌握現場土建施工進度,預測各部位監測變化趨勢,發現監測信息反映出的實際問題,進而合理安排現場監測工作,針對工程安全風險較高的點位提出預警建議,供業主開展現場管理工作。同時,通過巡視檢查對現場監測工作進行復核和監督,對各作業面的監測范圍、頻次、儀器損壞以及數據準確性等實時掌控。

SaaS智慧監測平臺通過成立負責人牽頭的安全管理領導小組,明確自身分工,分別從設備安全管理、安全教育管理以及監測預警管理等方面,實現城市軌道交通施工期監測過程中的安全管理。

(1) 設備安全管理

城市軌道交通監測項目中設備種類多、功能各異,通過智慧監測平臺可以建立一個設備數字化管理模塊,管理人員便可實時查看監測儀器的運行狀態,及時做出正確處理。在日常運營維護過程中,管理人能夠通過輸入設備相關信息,獲得其保修服務及維修常識等信息,將其作為定期檢定的依據,從根本上減輕由設備原因導致的安全隱患問題。

(2) 安全教育管理

安全問題應該以日常預防為主,對于現場人員的安全教育培訓極其重要,安全教育的目的是使監測人員能夠對各類危險環境作出及時判斷,培養其在作業過程中具備處理危險的能力。

(3) 監測預警管理

通過采集監測作業現場的測點信息、隱患排查信息以及施工現場視頻信息,基于GIS和BIM技術,將各類信息進行可視化展示,并根據分級分類的預警體系,將達到閾值的監測點位及時發出報警信息。SaaS智慧監測平臺預警功能主要包括:

1) 施工安全風險管理

實現對本項目土建工程安全風險的日常監控及應急輔助,能夠快速查看與集中查看現場監測信息與巡查信息,提高安全風險管理與控制的工作效率。

2) 施工現場視頻監控

能夠對施工現場監測作業面進行實時監控,隨時調用各測點的視頻信息,并且管理人員能夠通過手機或電腦客戶端進行實時查看,可單畫面、多畫面隨意切換,有權限的用戶還可對監控云臺進行遠程控制。

3) 安全質量隱患管理

根據不同層級用戶的安全隱患排查與治理的相關工作設置權限,匯總該監測區域的所有隱患信息,以及待審核上報及違規信息等。

4) 綜合預警管理

通過錄入現場實際監測數據實現對施工現場作業面、地面沉降以及周邊環境等多種風險源的監測,通過實時報警的方式提醒管理人員關注現場監測情況,并對相應部位進行統計分析。

4 管理總結及效果分析

SaaS智慧監測平臺利用GIS+BIM技術使得創業路站軌道交通監測項目的安全管理及風險管理水平得到了一定提升。監測平臺的可視化技術在監測儀器埋設、線纜敷設、監測數據采集以及風險識別等方面應用效果較好。在項目的組織管理中,該平臺發揮了一定作用,如信息化的即時共享、管理流程的便捷性等,這不僅能夠提升監測數據采集與分析的效率,還能夠加強項目的組織協調能力。采用GIS+BIM技術還能夠高效地實現建立資源計劃、控制項目成本、提高生產效率等,很大程度上改變了傳統監測項目的管理理念,引領軌道交通安全監測信息化水平走向更高的層次,從而為城市軌道交通開啟新的建設模式。

5 結 語

本文通過集成GIS和BIM技術構建SaaS智慧監測平臺,項目管理人員可以通過施工期監測的前、中、后期3個階段對整體進度進行嚴格把控,同時對于施工成本以及安全質量控制進行及時調整和預防。該系統在創業路站施工期監測中的實施效果較為顯著,但由于BIM監測建模的工作量較大,建模精細程度有待改進,目前只能參考類似項目管理的應用研究,不通用于所有的城市軌道交通監測項目。隨著技術數據和相關標準的深入、軟件層面數據交換與數據共享的深度融合共享、智慧城市理論的更新迭代,GIS+BIM技術未來在我國軌道交通、水利水電等工程安全監測領域,一定能夠實現更高層次、更高程度的集成化與智慧化應用。