Towards BIM-based model integration and safety analysis for bridge construction
譯爲《基於BIM的橋樑建設期模型數據集成和安全分析》
清華大學 張曉洋《ICCCBE 2016》
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Towards BIM-based model integration and safety analysis for bridge construction
0 寫在前面
文章首先指出工程建設是一項具有挑戰性的任務，因爲它涉及到多個利益相關方、且需要多個學科領域的專家相互協作。但是目前的現狀是項目在設計、建造、維護階段的信息集成十分匱乏，這給項目管理帶來了諸多不便。
1 內容摘要
那麼這篇文章呢就是以這個背景爲出發點，探討了可能的挑戰和需求；然後對比了不同的模型和軟件，比如說Tekla模型（它是一個建築信息化模型）和 Midas Civil 模型（它則是一個結構分析模型）；接着作者提出了一個基於BIM的統一模型和基於區域的特徵點匹配算法（RFPMA）來實現不同模型的集成以及實測數據和理論計算數據的動態集成機制；繼而闡述瞭如何實現這一方法，包括一個C/S平臺和集成應用的工作流；最後作者將其運用於實際項目中，驗證其價值。
2 建築信息模型和結構分析模型的對比
如圖1所示，建築信息模型主要包括幾何和部件信息，無法直接提取出軸和截面特性，而 Midas Civil 模型主要描述的是結構信息，包括節點、元素、材料、截面、荷載、約束等等，這些數據通常是從建築信息模型中抽象出來的，然後由結構工程師手動進行定義。
建築信息模型對於施工模擬、工程量計算和自動出圖有着重要意義，而 Midas Civil 模型則是施工安全的重要保障，所以兩者的組合有助於集成管理，提高工作效率。
3 信息建模和數據集成的方法
3.1 基於BIM的統一信息模型
這個模型是建築信息模型和結構分析模型結合的產物，並集成了施工過程中由應變計和全站儀採集的數據。其框架如圖2所示。其中 BEID (the ID of ‘BuildingElement’)，通過BEID來關聯建築信息模型元素和結構分析元素。現場測量數據被動態地集成至MonitorPoint中，同樣是通過BEID與建築信息模型元素關聯，並獲取在該元素上的準確位置。
3.2 基於區域的特徵點匹配算法
爲了實現建築信息模型與結構分析模型的集成，提出了基於區域的特徵點匹配算法來組合不同的模型。其工作流如圖3所示。首先需要計算用於模型分割的特徵點，考慮到建築信息模型部件的複雜性，採用BoundingBox的中心點作爲建築元素的特徵點。Midas 結構分析的單元主要有三種類型（樑、桁架和板單元），我們可以爲他們定義不同層級的特徵點以達到精確匹配（元素的中心點作爲第一層的特徵點，元素的四分之一和四分之三點作爲第二層的特徵點）。由於橋樑模型的縱向是Y軸方向，那麼模型可以基於特徵點劃分爲不同的區域，比如說，X軸方向可以劃分爲5個部分，Z軸方向可以劃分爲4個部分，那麼總共就是20個區域（看圖3左上角的圖），在相同的區域內去組合建築信息模型的組件和結構分析模型的組件。因此，每一個組件都有它自己的區域編號，這個編號是由特徵點計算出來的，從而對提升匹配精度和操作速度有很大幫助。
對於每一個元素，我們首先需要去收集所有包含第一層次特徵點的合格組件，並將合格的組件添加到Ce集合中，count of Ce的不同所代表的結果也不同：
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值爲1時，表明匹配成功，獲得該組件的ID；
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值爲0時，匹配失敗；
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值大於1時，意味着需要執行第二層級的匹配來排除干擾。
3.3 動態集成現場測試數據和理論計算結果
施工過程中會產生大量的監測和理論數據，這些數據應該被集成至統一模型中去。監測數據動態地集成在MonitorPoint中，MonitorPoint與Tekla模型通過BEID關聯。理論數據，尤其是單元應力結果，是通過ElementID集成至 Midas Civil 模型中的。基於之前的模型集成，數據的集成和轉變如圖4所示，並能夠提供以下幾點優勢：
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實測數據與理論數據的對比更加便捷；
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提供了一種便捷的施工數據收集、管理和查看方式；
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依照施工工況，同步模型更新和數據可視化；
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實現了實測與理論分析之間的數據轉換
4 集成系統
基於前面提出的方法，開發了“4D-BIM信息集成系統”，用於模型和數據的集成。不同工況的結構分析模型可以從Tekla模型中獲得，這避免了重複建模工作。
5 案例分析
6 總結
本文提出了恰當的方法並開發了對應的平臺來簡化多學科交叉帶來的難題，有利於施工管理和評估。