BIM技术在高桩码头监测中的应用研究∗

陈 静 杨 凯 马瑞鑫 戈广双 杨东远

（交通运输部天津水运工程科学研究所 天津 300456）

1 引言

建筑信息模型/管理（Building Information Modeling/Management，BIM）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，在统一的标准下，建立起建筑物实体的三维物理模型，并通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息［1～2］。

BIM技术的优势在于便于实现建筑物信息的展示、存储和共享等数据交互功能，并且可以通过信息加工实现建筑物模型化和可视化，利于设计的合理性校验，以及项目的精细化管理。目前，我国建筑业信息化率仅为0.03%［3］，尽管经过近几年的发展，在BIM方面取得了一些研究和应用成果，但基本还处于起步探索阶段，尤其在港口水工建筑物方面的应用维护中BIM技术的应用案例更是少之又少。

本文作者以我国北方的某一大型港口的高桩码头作为研究对象，探讨BIM技术在高桩码头监测应用的可行性及应用价值，编写了该码头建模规则，开发了BIM模型的接口并实现了模型与监测信息系统的对接，完成了高桩码头监测的合理性校验、数据采集、实时监测、数据分析、安全预警等功能，为BIM技术在港口码头监测应用领域做出有效的探寻［11～12］。

2 现状分析

2.1 码头现状

全国港口生产性泊位从建国初期的161个发展到2011年的31968个，增加了近198倍，其中沿海万吨级及以上泊位从133个增至1762个［6］。当前，这些码头多数技术状况不容乐观，很多码头是带病工作。特别是改革开放三十年以来，新建泊位数量急剧增加，吞吐量和相关配套服务能力空前提升。但是，在投资大，工期紧、任务多的情况下遗留了很多问题。许多码头技术状况不良，部分水工建筑物在远未达到设计使用寿命时，就出现了耐久性严重退化的现象［4～5］。

2.2 高桩码头传统的检测技术

目前，对于码头结构的检测评估，主要采用经验法，以传统的CAD图纸为依据，如通过目测巡视检测混凝土的外观是否损坏；通过全站仪和静力水准仪等测量仪器检测结构整体的不均匀沉降、水平位移和倾斜；对于高桩码头的相对位移、应力应变、振动和温度等重要检测指标，则是通过现场传感器的安装，收集数据，建立管理系统，并结合相关的检测指标进行对比，以此来判断码头的健康状况［7］。

现有的监测检测手段往往以数据为依据，不能将整个码头的安全运行状况直观地展示出来，对于整体的运维管理，有一定的制约性。运用BIM技术构建三维模型，并结合相关数据信息，可有效地实现与建筑物的信息交互，实时掌握码头结构的健康状态，精确定位、排查安全隐患，对港口的安全运营、科学发展起到了促进作用。

3 BIM在码头监测领域的应用及优势

3.1 高桩码头的结构特点

高桩码头的监测特点，主要体现在其对于精确性和容错性的需求，码头的振动幅度区别于桥梁和其他建筑物，结构不易发生变形，产生的震动振幅小且频率快，对于精度的需求很高；而当码头面板上的设施及车辆发生运动时，振幅会相对加大，部分传感器安装于水下，由于液体传播频率的影响，有时会出现非常规的监测数据，需要及时剔除错误数据，以免形成错误的报警信息。通过数据采集分析和实验研究，BIM建模以其高精度和容错性的设计需求，在这一点上完全满足高桩码头振幅监测的需要［8］。

使用Autodesk Revit建立了参数化的高桩码头原型，根据测绘、地质、线路等基础数据，设计人员利用参数化的族库，建立了高桩码头的面板及基桩的BIM模型。族库包括：面板、横梁、基桩、插桩、标识等（图1所示）［9］。

3.2 建立高桩码头BIM模型

对该高桩码头的整体结构进行系统的规划设计，运用BIM技术的参数化智能构建模型，通过直观的三维系统，有效地实现信息交互，并数字化，可视化地呈现整个高桩码头采集终端、线缆的序号以及安放位置，并根据需求模块化的划分功能区域，以提高管理效率。

数据存储系统选用的是SQL Sever系统，通过对其数据库系统的开发利用，建立了多级用户的数据访问系统，以实现了高桩码头BIM模型与其之间的数据存储和交互。

1）建模规则

BIM模型精度描述了一个模型构件单元从最低级的近似概念化的程度发展到最高级的演示级精度的步骤，需求不尽相同，其相应侧重的模型的精细度要求也就不同。

根据BIM模型对精细程度的定义标准LOD技术的要求（Levels of Detail），我们将该高桩码头的现场环境分为两个等级，码头整体、设备终端、线缆等参照LOD 300标准，而现场周边环境参照LOD 200标准。该高桩码头BIM模型的详细信息如表1所示［10］。

2）编码规则

建立BIM模型编码规则，对高桩码头整体及设施设备进行编码，是对其模型进行有效管理的基础。通过对模型编码，实现了数据采集监测系统与BIM模型系统的结合，即可通过模型查看设备信息，也可通过查询编号，快速定位该设备在模型中的位置。

高桩码头整体监测系统由码头整体结构以及检测系统两部分组成。码头整体系统包括：码头面板、横梁、纵梁、基桩和叉桩五部分组成；监测系统由现场采集终端，包括：位移传感器、振动传感器、应变传感器和加速度传感器四类传感器和线缆，包括网线和光纤组成。根据检测系统的组成，现将其整体分为两类（如表2），具体的编码规则如表3所示。

表1 高桩码头BIM建模规则

表2 高桩码头BIM模型层级划分

表3 高桩码头BIM模型设备编码规则

3.3 合理性冲突检查

1）码头健康监测指标分析

码头的健康状态是维持码头正常运行的首要条件。健康监测主要包括变形监测和相互作用力监测，通过数据采集分析确定位移、应力应变、振动和温度四个主要监测指标，以及码头结构的外观、设备设施等健康状态的监测，建立高桩码头的监测规律曲线，分析高桩码头状态的相对规律，为码头的维护与管理提供决策依据，必要时发出预警信息，以保证码头结构和作业人员的安全。

码头监测数据分析采用融合算法，对若干个测量数据进行一致性检验，然后将检验后的数据分成两组，对两组数据的平均值采用分批估计算法。

设被测数据的真值为S0，则测量值可表示为

式中：S为数据测量值，N为测量噪声。

设第一组一致性测量数据为

同时考虑第一、第二组的测量结果，测量方程式（1）可变成：

式中，N(1)、N(2)分别为1、的测量噪声，即剩余误差。此时，、为同一批的两个测量数据，此前无任何有关数据测量的统计资料，也就是说此前测量数据的方差∞ ，则 ()-1=0。

基于算术平均值与分批估计相结合的数据融合算法，导入BIM模型，测算出监测的高桩码头结构的虚拟数据（如图2），将测试数据的上限S0（绿色线段）与S1（黑色线段）通过融合算法得出的模拟检测数据Sa（黄色线段）与实测数据A（蓝色线段）进行对比，认定其满足高桩码头监测标准需求。

2）监测终端的合理性校验

传统的作业方式中，需由设计人员根据现场观测，绘制二维平面图纸。高桩码头现场条件复杂，平面很难直观地反映出现场的情况，后期采集终端的位置调整也会造成巨大的成本追加。选取高桩码头横纵梁与基桩为测试区域（如图3），利用BIM技术可在采集终端点位设计阶段进行合理性校验（如图4），对比分析数据，消除隐患，优化设计，减少在施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性。

3.4 开放数据接口，提高运维效率

开发高桩码头BIM模型的数据接口文件，使其与高桩码头实时监测系统相结合，构建实时监测平台（如图5），以实现高桩码头结构信息化操作管理、港口码头检测数据查询与统计分析监测数据在线实时显示与监控预警等功能，进一步体现了BIM技术的应用价值。

3.5 提高图纸的精确度

通过BIM技术建设三维模型，可导出二维平面图纸（图6），并标明传感器安防的位置，其优势在于模型与图纸的高度一致性，省去了图纸的位置和校准所浪费的时间，确保了图纸的准确性，为后期的设备维修和更换提供了保障。

4 结语

本研究结合高桩码头监测的特点及需求，基于BIM技术对其进行实时监测的研究，实现了监测管理的智能化和信息化水平，提高了设计质量以及监测效率，安全预警功能的开发也为码头的正常运营提供了技术保障。这一研究将有效提升高桩码头监测水平，对于现有的水工建筑物监测检测技术探寻了方向，提供了新的思路。