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1 基坑工程監(jiān)測(cè)

隨著高層建筑、復(fù)雜地下工程、大跨度橋梁工程的迅猛發(fā)展，基坑工程在向“更深、更難、更險(xiǎn)、更大”的方向發(fā)展。基坑的安全與穩(wěn)定直接關(guān)系到基坑本身及鄰近建筑物、基坑周邊道路和鄰近地下管線的安全。《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)[1]規(guī)定：開挖深度超過5 m、或開挖深度未超過5 m但現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和周圍環(huán)境較復(fù)雜的基坑工程均應(yīng)實(shí)施基坑工程監(jiān)測(cè)。

1.1 監(jiān)測(cè)基本要求

基坑工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)采用儀器監(jiān)測(cè)與巡視檢查相結(jié)合的方法。監(jiān)測(cè)工作一般應(yīng)從基坑工程施工前開始，直至地下工程完成為止。對(duì)有特殊要求的周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)需要延續(xù)至變形趨于穩(wěn)定后才能結(jié)束[2]。監(jiān)測(cè)過程中，針對(duì)關(guān)鍵部位做到重點(diǎn)觀測(cè)，形成有效、完整的監(jiān)測(cè)流程，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和可靠性。當(dāng)出現(xiàn)超限、嚴(yán)重開裂等異常情況時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，提高監(jiān)測(cè)頻率。

1.2 實(shí)施流程

基坑監(jiān)測(cè)的一般實(shí)施流程如圖1所示。傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測(cè)[3]在實(shí)施方面存在一些可以改進(jìn)的地方：①現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)大多處于“測(cè)點(diǎn)埋設(shè)—數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)—數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理—報(bào)表(報(bào)告)提交”的模式，面對(duì)復(fù)雜情況和大量監(jiān)測(cè)信息，未形成規(guī)范化的監(jiān)控管理體系。②數(shù)據(jù)處理及監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)等多由人工完成，且源數(shù)據(jù)、報(bào)表、日志等多以word或excel形式保存，不利于數(shù)據(jù)查詢及變化規(guī)律的總結(jié)分析，導(dǎo)致處理效率低、反饋不及時(shí)，影響輔助決策。③監(jiān)測(cè)多以報(bào)表配合曲線、圖形的方式針對(duì)某個(gè)測(cè)點(diǎn)展示其變形趨勢(shì)，不能方便地查閱整體變形情況，難以綜合其他測(cè)試信息預(yù)判發(fā)展趨勢(shì)及指導(dǎo)下一步施工。④施工過程中一旦出現(xiàn)超出預(yù)警值的情況，若不能直觀掌控危險(xiǎn)發(fā)生位置、周邊環(huán)境及歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，不利于應(yīng)急方案的有效實(shí)施。

伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、BIM等信息技術(shù)[4-5]的快速發(fā)展，基坑監(jiān)測(cè)可通過融合多種信息化元素來實(shí)現(xiàn)流程的升級(jí)再造。從業(yè)主和監(jiān)測(cè)方應(yīng)用需求出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)際，構(gòu)建以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，打造集可視化管理、基坑監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)管理、狀態(tài)評(píng)估分析為一體的基坑監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，充分發(fā)揮基坑監(jiān)測(cè)的工程效用，確保基坑和周邊環(huán)境的安全。

2 基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

2.1 流程架構(gòu)(見圖2)

圖2 基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)流程架構(gòu)

系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)多種監(jiān)測(cè)儀器串聯(lián)起來，通過自動(dòng)采集、手動(dòng)和批量錄入的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息入庫。對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，自動(dòng)計(jì)算單次變化量、累計(jì)變化量、變化速率等參數(shù)指標(biāo)，并按照基坑監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的數(shù)據(jù)展示、圖形展示、報(bào)表輸出、報(bào)警的判定及消息推送，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)可視化、信息化以及管理的升級(jí)化。

2.2 工程概況

鐵科院科研業(yè)務(wù)用房包括1#,2#,3#樓。其中1#,2#樓地下室3層連成一體，基坑長(zhǎng)174.10 m，寬57.60 m，深約14.50 m，安全等級(jí)為Ⅰ～Ⅱ級(jí)。3#樓地下2層，基坑長(zhǎng)45.30 m，寬20.40 m，基坑深度10.70 m，安全等級(jí)為Ⅰ～Ⅱ級(jí)。2處基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用樁錨支護(hù)方案，基坑場(chǎng)地及周邊布設(shè)多條地下管線(含電力、熱力、通信、給排水管線)。周邊有多幢辦公樓、精密檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室及市域繁忙道路。環(huán)境復(fù)雜，基坑開挖的穩(wěn)定性和安全性對(duì)周邊環(huán)境影響大。

2.3 系統(tǒng)研發(fā)

1)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。按照不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)類型進(jìn)行分類，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)創(chuàng)建不同的表。其中測(cè)點(diǎn)信息見表1。通過測(cè)點(diǎn)編號(hào)關(guān)聯(lián)查詢，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用。

表1 測(cè)點(diǎn)信息

字段名稱數(shù)據(jù)類型字段描述主鍵long項(xiàng)目編號(hào)nvarchar(10)基坑項(xiàng)目編號(hào)監(jiān)測(cè)類型nvarchar(20)具體監(jiān)測(cè)的類型測(cè)點(diǎn)編號(hào)nvarchar(10)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的唯一編號(hào)測(cè)點(diǎn)X坐標(biāo)decimal(10,4)每個(gè)測(cè)點(diǎn)在三維模型局部坐標(biāo)系下的X坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)Y坐標(biāo)decimal(10,4)每個(gè)測(cè)點(diǎn)在三維模型局部坐標(biāo)系下的Y坐標(biāo)測(cè)點(diǎn)Z坐標(biāo)decimal(10,4)每個(gè)測(cè)點(diǎn)在三維模型局部坐標(biāo)系下的Z坐標(biāo)初始值decimal(10,4)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始值監(jiān)測(cè)日期datetime每個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)日期控制值decimal(10,4)每種監(jiān)測(cè)類型的控制值累計(jì)變化量報(bào)警值decimal(10,4)每種監(jiān)測(cè)類型的累計(jì)變化量報(bào)警值變化速率報(bào)警值decimal(10,4)每種監(jiān)測(cè)類型的變化速率報(bào)警值基坑支護(hù)等級(jí)nvarchar(5)不同剖面的基坑支護(hù)等級(jí)

2)基坑模型。BIM模型為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息載體。按照設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建場(chǎng)地、基坑護(hù)坡樁、錨桿、鋼腰梁、樁間支護(hù)、冠梁、周邊建筑、管線、道路的三維模型。添加相關(guān)屬性信息，包括幾何尺寸、材質(zhì)信息、構(gòu)件編號(hào)、標(biāo)高數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)圖紙編號(hào)等內(nèi)容，形成符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的基坑信息模型。院科研業(yè)務(wù)用房1#,2#基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)BIM模型如圖3所示。

圖3 院科研業(yè)務(wù)用房1#,2#基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)BIM模型

3)測(cè)點(diǎn)模型。基坑監(jiān)測(cè)實(shí)施過程中，測(cè)點(diǎn)破壞、遮擋、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫需增設(shè)測(cè)點(diǎn)等情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致實(shí)際布設(shè)的測(cè)點(diǎn)無法與設(shè)計(jì)圖紙完全相符。為避免重復(fù)修改測(cè)點(diǎn)模型，優(yōu)化了測(cè)點(diǎn)BIM模型的生成方法：在基坑模型三維坐標(biāo)系下，確定測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，在管理系統(tǒng)中基于坐標(biāo)直接生成測(cè)點(diǎn)模型(單個(gè)/批量添加)，并以測(cè)點(diǎn)分類結(jié)構(gòu)樹的形式展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和快速查詢。

4)功能設(shè)計(jì)。基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)擬整合信息化技術(shù)，以可視化的BIM模型作為監(jiān)測(cè)信息載體，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及巡檢記錄的及時(shí)上傳。通過數(shù)據(jù)分析，形成各類變化曲線和展示圖形，使監(jiān)測(cè)成果“形象化”，方便各參與方隨時(shí)掌握施工期間基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑管線的內(nèi)力及變形情況。按規(guī)范要求輸出監(jiān)測(cè)報(bào)表及監(jiān)控報(bào)告，減少重復(fù)工作量，建立信息反饋機(jī)制，形成有效的信息推送、報(bào)警處理流程，進(jìn)而降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提升基坑監(jiān)測(cè)的信息化水平。

綜上，基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能包含基礎(chǔ)信息、可視化管理、基坑監(jiān)測(cè)、檔案資料管理、系統(tǒng)管理和模塊管理6大部分。系統(tǒng)各功能采用插件式架構(gòu)設(shè)計(jì)，各功能子模塊設(shè)計(jì)兼顧安全性和易用性，保證系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用

1)基礎(chǔ)信息。該模塊包括項(xiàng)目簡(jiǎn)介、項(xiàng)目公告(如圖4)、施工階段、模型導(dǎo)入和圖紙管理等內(nèi)容。結(jié)合工程實(shí)施特點(diǎn)，將1#,2#基坑及3#基坑劃分為2個(gè)項(xiàng)目單獨(dú)管理，在系統(tǒng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目切換。

圖5 院科研業(yè)務(wù)用房3#基坑支護(hù)及周邊環(huán)境

2)可視化管理。對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型(如圖5)、屬性信息、設(shè)計(jì)圖紙、測(cè)點(diǎn)模型及信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的展示及查詢。

3)基坑監(jiān)測(cè)。該模塊為基于BIM技術(shù)基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的核心功能模塊，主要包括測(cè)點(diǎn)管理、巡視記錄、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、階段性報(bào)告、報(bào)警管理等子模塊。主要功能有添加測(cè)點(diǎn)(單個(gè)/批量)、日常巡視記錄錄入(后臺(tái)/移動(dòng)APP)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢(數(shù)據(jù)列表/時(shí)程曲線，見圖6)、監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)輸出、報(bào)警管理(報(bào)警列表/微信消息提醒,見圖7)。

圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示及分析

圖7 巡視APP界面及基于微信的消息推送(測(cè)試)

3 BIM深化應(yīng)用探討

本系統(tǒng)的研發(fā)目前立足于基坑監(jiān)測(cè)，著重于基坑監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、展示、分析及報(bào)表輸出，隨著應(yīng)用深入，可以開展以下方面的探索：

1)納入多方協(xié)同管理，涉及設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方等，此時(shí)系統(tǒng)將成為信息化綜合管理平臺(tái)。以基坑施工4D進(jìn)度管理為例，基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化建模、結(jié)構(gòu)模型的分類編碼及WBS工項(xiàng)分解等內(nèi)容需進(jìn)一步考慮。

2)基坑支護(hù)BIM模型與有限元軟件有機(jī)結(jié)合，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力、穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析，直觀對(duì)比實(shí)際監(jiān)測(cè)與設(shè)計(jì)工況的差異，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和施工方案的合理性，為基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)目前基坑監(jiān)測(cè)按照規(guī)范依據(jù)變化速率、累計(jì)變化量進(jìn)行指標(biāo)報(bào)警。該處理方法具有廣泛適用性，但也存在一定的有效度，未必能真正反映復(fù)雜基坑的整體狀態(tài)。因此，未來應(yīng)考慮不同的分析預(yù)測(cè)方法及模型，如回歸分析、指數(shù)平滑法、灰色理論模型等，根據(jù)測(cè)試結(jié)果采用多種方式綜合預(yù)測(cè)變形規(guī)律，為準(zhǔn)確決策提供針對(duì)性的依據(jù)。

4)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果不僅強(qiáng)調(diào)發(fā)展趨勢(shì)，一定時(shí)間范圍內(nèi)更強(qiáng)調(diào)時(shí)效性，如雨期或夜晚施工。這就要求測(cè)試設(shè)備具有采集數(shù)據(jù)快、全天候工作的能力。因此，自動(dòng)采集設(shè)備將會(huì)是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，這將大大促進(jìn)測(cè)試的自動(dòng)化、流程化。

4 結(jié)語

結(jié)合鐵科院科研業(yè)務(wù)用房基坑監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)流程架構(gòu)，研發(fā)了基于BIM技術(shù)的基坑監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下價(jià)值點(diǎn)：

1)模型可視化。基坑護(hù)坡樁、錨桿、鋼腰梁、樁間支護(hù)、冠梁等支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維可視化；周邊建筑、管線、道路等空間位置的可視化。

2)監(jiān)測(cè)可視化。測(cè)點(diǎn)位置、監(jiān)測(cè)類型、報(bào)警狀態(tài)的直觀化；監(jiān)測(cè)結(jié)果、采集時(shí)間、累計(jì)變化量、變化速率的形象化(數(shù)據(jù)列表+時(shí)程曲線)。

3)設(shè)計(jì)屬性信息化。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)BIM模型與設(shè)計(jì)屬性(幾何尺寸、材質(zhì)、規(guī)格類型以及設(shè)計(jì)圖紙)的關(guān)聯(lián)。

4)基坑監(jiān)測(cè)信息化。日常巡視、當(dāng)日?qǐng)?bào)表的信息化錄入及自動(dòng)生成。

5)管理升級(jí)化。無紙化辦公，通過系統(tǒng)可隨時(shí)查看基坑的監(jiān)測(cè)情況；基于微信的項(xiàng)目公告、報(bào)警消息的及時(shí)推送，方便管理人員及時(shí)掌控監(jiān)控動(dòng)態(tài)。

基于BIM的基坑監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)手段和管理模式的升級(jí)，未來不同參與方的協(xié)同工作機(jī)制形成后，預(yù)計(jì)將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

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