综合性超高层智能信息化施工平台研究与应用*

姜子麒

(中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

1 工程概况

西安绿地丝路全球文化中心项目位于西安市灞桥区，是第十四届全运会配套项目，包括2栋超高层、1栋高层、1栋多层商业及裙房和地下车库。2栋超高层对称设计，均为矩形钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，地下2层，地上36层，建筑高度160m。超高层建筑信息化施工平台在多维度信息获取与数值模拟的同时，为超高层建筑施工电梯运行管控、塔式起重机智能监控、信息化综合管理提供兼容信息交互环境。

2 建筑信息化施工平台基础技术

基于智能施工技术与信息化施工理念，结合BIM技术、数值模拟方法、倾斜摄影技术、智能监控等技术手段，搭建临时结构安全监测及施工电梯管控、塔式起重机智能监控、信息化管理等平台，实现超高层建筑施工信息全方位动态管控与智慧决策。

2.1 BIM技术

BIM技术以信息模型为载体，利用三维数字仿真技术，构建工程实体信息。其本质是以BIM技术为基础，建立一个兼容、广阔的信息交换环境，提高管理效率[4-7]。

2.2 数值模拟方法

目前工程领域常用的数值模拟方法包括有限元法、边界元法、离散单元法、有限差分法。本工程采用有限元法，基于MIDAS Gen[8]对塔式起重机柱状支撑及V形支撑进行计算模拟，将连续的求解域分割成有限个单元，用未知参数方程来表征单元特性，进而将各单元特征方程组合成大型代数方程组，最后求解方程组得到柱状支撑及V形支撑加固的核心筒模型最大位移(见图1)及结构承载梁单元应力，计算分析结果可为现场施工提供参考依据。

图1 数值模拟等值线位移云图(单位：mm)

2.3 倾斜摄影建模技术

倾斜摄影的三维实景建模技术与传统的正向摄影不同，倾斜摄影分别从1个竖直方向、4个相互垂直的倾斜方向获取目标区域的图像资料，通过建模软件生成三维实景模型。针对本项目测量区域范围较小的特点，采用单镜头无人机倾斜摄影、环绕型影像采集，以超高层垂直中轴线为环绕轴，借助Smart 3D软件建立精度高、模型更新速度快的建筑物内外部三维实景模型(见图2)。为提高模型实用性，搭建三维实景模型管理平台，现场施工人员通过手机将现场照片实时上传至平台，技术人员借助平台照片进行三维实景重建，并定期更新储存模型，为后期隐蔽工程的检查验收及其他工作提供可视化参考依据。

图2 建筑物三维实景模型

2.4 监测技术

2.4.1智能监测

自动化监测预警系统是以Web为基准的多路分布式光纤故障监控系统，由多个现场监测单元与测试系统主控计算机构成。子站和主站利用无线通信 GPRS 实现通信及数据交互，能实现远程自动化监控、终端与平台无线传输、测试数据信息化管理。登录平台或利用手机得到现场监测单元传回的监测数据，通过对比计算结果与系统分析，得出结构实时状态变化趋势。出现异常信息时，系统会自动报警，通过信息推送的方式及时报告给相关管理人员[9-11]。

俗话说：“兴趣是最好的老师。”因此，教师在小学阶段的数学课堂的教学活动中，应合理利用数字化的学习资源，将图片与文字进行结合，从而极大程度地激发学生对数学学科的兴趣，有利于学生对数学知识的接受。如教师在讲解“数字的乘除法”这一课时，由于学生的人生阅历有限，很难理解数学中抽象的数学知识，这时，教师可以利用数字化的信息资源进行一些知识的讲解， 利用数字化的资源将抽象的数学知识具体化，从而在一定程度上激发学生对数学知识的兴趣，从而高质量地完成教学活动[1]。

2.4.2监测设备

西安绿地丝路全球文化中心项目5，7号超高层办公楼采用钢结构+核心筒形式，采用内升式动臂塔机，整个施工阶段共顶升7次，为保证顶升过程中主体结构的安全，在顶升层横梁中间用钢管柱作为支撑。现场安装HZKJ-SV32静力水准仪和倾角传感仪，在顶升时实时监测钢管柱、横梁的沉降值和倾斜值，判断主体结构是否正常。

在21层A区东侧设置监测点，将拉绳传感器固定在监测点及周边相对固定位置，通过改变拉绳长度监测位移的变化。通过4G(5G)网络将监测数据发送到云平台，统计处理后自动生成相应的曲线和报表。2021年5月10—15日位移监测曲线如图3所示。

图3 位移监测曲线

3 超高层智能信息化施工平台

3.1 超高层智能信息化施工平台逻辑框架搭建

针对超高层建筑施工规模庞大、系统复杂、临时结构风险高、安全管控难度大、信息处理繁杂等特点，搭建基于智能监测、倾斜测量建模、数值分析、施工电梯监控等模块的多源信息处理逻辑框架。智能监测模块动态收集相关数据参数，为数值模拟模块参数修正提供基础数据，之后将数值模拟模块的分析结果集成于超高层智能信息化施工平台数据库中，并与倾斜摄影建模模块进行对比分析，得到可视化分析结果。同时智能监测模块动态监测数据和施工电梯监控模块采集数据均可集成于平台数据库，最终通过自动化数据分析、风险大数据识别、可视化实时安全评估与预测，形成施工建议。超高层智能信息化施工平台及其逻辑框架如图4,5所示。

图4 超高层智能信息化施工平台

图5 超高层智能信息化施工平台逻辑框架

3.2 超高层智能信息化施工平台组成

超高层智能信息化施工平台主要由施工电梯管控平台、塔式起重机智能监控平台、信息化管理平台组成，如图6所示。通过数值模拟、智能监控、进度计划软件、基于倾斜摄影的建筑物内外部三维实景模型、BIM模型及现场照片管理平台间的融合与链接，实现多源数据信息的开源化，有效提升本项目超高层建筑施工管理的信息化水平，为项目的施工技术管理、质量管理、安全管理、进度管理提供精确高效的支持与保障[12]。

图6 超高层智能信息化施工平台组成

3.2.1施工电梯管控平台

本项目基于建筑信息模型，将人脸识别数据和施工电梯监测数据整合到施工电梯管控平台中，建立一个可视化、数字化的实时施工电梯运行管控平台，有效提升施工电梯运行效率和现场安全管理能力。施工电梯状态监测系统由人脸识别模块、电梯运行监测模块、数据传输模块和已有项目建筑信息模型组成。人脸识别系统作为电梯搭乘人员识别装置，可提供电梯搭乘人员的详细信息。电梯运行监测系统分为速度、位置、载重测量模块，用于获得施工电梯的实时运行速度、所处位置及承载质量。该系统获取相关信息后将数据反馈至建筑信息模型进行数据处理，并在运行管控平台实时显示。

数据传输模块负责人脸识别模块、运行监测模块与建筑信息模型间的数据交换，施工电梯管控平台支持对实时监测数据库数据进行导入、导出、备份和还原操作。在BIM模型内可查询到施工电梯搭载人员信息和施工电梯运行参数监测数据，绘制施工电梯监测数据曲线。出现异常情况时，可通过BIM模型向相关人员及时发送异常报告，提醒施工电梯管理人员及时进行维修或救援。BIM模型如图7所示，施工电梯管控系统界面如图8所示。

图7 BIM模型

图8 施工电梯管控系统界面

3.2.2塔式起重机智能监控平台

西安绿地丝路全球文化中心项目密集施工作业多，存在塔式起重机碰撞风险。项目采用终端塔式起重机监控平台，包括终端设备、塔式起重机及各传感组件、报警组件控制装置(见图9)。各塔式起重机控制装置与终端设备通信连接，传送传感组件监测的信息，第1控制装置与第2控制装置通信连接，当活动区域有重叠，各报警组件将分别发出警示。

图9 塔式起重机智能监控平台

3.2.3信息化管理平台

3.2.3.1平台硬件运行环境

信息化施工平台硬件运行环境由处理器CPU、网络接口、用户接口、存储器、通信总线组成。存储器包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块及平台搭建程序。通信总线可实现各组件间的交互连接，网络接口用于对接后台服务器数据，用户接口对接客户端数据，处理器用于调用存储器中超高层建筑信息系统数据。硬件运行环境的终端结构如图10所示。

图10 硬件运行环境的终端结构

3.2.3.2平台软件交互程序

以建筑物三维实景模型、BIM模型、进度计划软件及照片管理平台为基础，通过模型与模型、模型与进度计划软件间的相互融合，链接而成超高层建筑信息化施工平台。利用Revit建模软件建立BIM模型，依托Project软件进行项目进度计划编制，在Navisworks中集成BIM模型和进度计划，形成项目进度计划模型。在Skyline平台，将建立的三维实景模型和BIM模型进行数据融合，建立数据库。收集并实时上传现场照片，进行模型更新，并将早期模型按时间顺序入库储存。

1)BIM模型与进度计划软件的链接 利用Revit建立BIM模型，依托Project软件进行项目进度计划编制；利用Revit导出功能，将BIM模型导出为.nwc后缀的数据文件，并导入Navisworks软件；将Project生成的项目进度计划导入Navisworks中，此种方式需准确对应Project各名称和各特征ID、项目开始时间和结束时间，否则导入的数据达不到链接的要求；最后在Navisworks中形成项目进度计划模型。

2)三维实景模型与进度计划软件的链接 将三维实景建模获得的点云数据转化为Civil 3D模型；利用Civil 3D建模平台与Revit建模平台可交互的特点，在Civil 3D中选择“转换Civil模型为AutoCAD文件”，导出模型为“R14”格式；然后在Revit中，选择“导入CAD”，将Civil 3D导出的“R14”格式文件导入Revit软件中；最后将Revit生成的三维实景模型与Project生成的项目进度计划在Navisworks中整合。

3)BIM模型与三维实景模型的融合 先将通过Smart 3D建立的三维实景模型以osgb格式导出；然后将通过Revit建立的BIM模型以fbx格式导出；最后在Skyline平台进行二者数据融合，并以3dml格式保存。

4)连接照片管理平台 照片管理平台主要服务于倾斜摄影技术的三维实景模型，该照片管理平台可分别在手机端和电脑端登录，现场施工人员通过手机将现场照片实时上传至平台，技术人员借助平台照片进行模型更新，并将早期模型按时间顺序入库储存，为后期隐蔽工程的检查验收及其他工作提供可视化参考依据。

4 结语

综合性超高层智能信息化施工平台在西安绿地丝路全球文化中心项目上的成功应用，解决了超高层建筑施工中临时结构安全监控数据发散性强、数据更新不及时、信息管理数据交互性差等问题。本文搭建适合于超高层建筑施工的一体化信息处理框架，提出了以下方法。

1)建立可视化动态施工电梯运行管控平台，将识别数据、运行监测与建筑信息模型一体化集成，同时在超高层建造中成功应用塔式起重机智能监测、分析、预警三位一体技术，保障生产安全，防范重大安全事故，提升智能化安防水平。

2)超高层智能信息化施工平台改变传统的管理模式，实现了宏观、微观场景相结合，工程内部结构与周边环境相结合的全方位控制管理，提高施工效率，缩短工期，有效控制了施工成本。

3)通过信息化施工平台将进度、质量、安全等多方位管理融合到一个平台中，形成以可视化施工平台为基础的多业务系统并存并联的超高层建设信息化整体解决方案，加强各专业之间协作能力。