基于BIM技術的基坑監測管理系統研究
(1.中國鐵道科學研究院,北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)
摘要 針對傳統基坑監測手段的不足，結合信息化發展，設計了基于BIM(Building Information Modeling)技術的基坑監測系統的流程架構。以鐵科院科研業務用房基坑工程監測為依托，建立基坑支護結構及周邊環境BIM模型，搭建了基坑監測信息化管理系統，實現了監測對象及監測結果的三維可視化、基坑監測技術的信息化和管理手段的升級化，同時探討了BIM技術在基坑監測方面的深化應用方向。研究成果可為類似基坑監測的實施提供借鑒。
關鍵詞 基坑工程;BIM;基坑監測;信息化;管理系統
1 基坑工程監測
隨著高層建筑、復雜地下工程、大跨度橋梁工程的迅猛發展，基坑工程在向“更深、更難、更險、更大”的方向發展。基坑的安全與穩定直接關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。《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497—2009)[1]規定：開挖深度超過5 m、或開挖深度未超過5 m但現場地質情況和周圍環境較復雜的基坑工程均應實施基坑工程監測。
1.1 監測基本要求
基坑工程的現場監測應采用儀器監測與巡視檢查相結合的方法。監測工作一般應從基坑工程施工前開始，直至地下工程完成為止。對有特殊要求的周邊環境監測應根據需要延續至變形趨于穩定后才能結束[2]。監測過程中，針對關鍵部位做到重點觀測，形成有效、完整的監測流程，保證監測數據的及時性和可靠性。當出現超限、嚴重開裂等異常情況時，應加強監測，提高監測頻率。
1.2 實施流程
基坑監測的一般實施流程如圖1所示。傳統的基坑監測[3]在實施方面存在一些可以改進的地方：①現場監測大多處于“測點埋設—數據監測—數據簡單處理—報表(報告)提交”的模式，面對復雜情況和大量監測信息，未形成規范化的監控管理體系。②數據處理及監測日報等多由人工完成，且源數據、報表、日志等多以word或excel形式保存，不利于數據查詢及變化規律的總結分析，導致處理效率低、反饋不及時，影響輔助決策。③監測多以報表配合曲線、圖形的方式針對某個測點展示其變形趨勢，不能方便地查閱整體變形情況，難以綜合其他測試信息預判發展趨勢及指導下一步施工。④施工過程中一旦出現超出預警值的情況，若不能直觀掌控危險發生位置、周邊環境及歷史監測數據變化情況，不利于應急方案的有效實施。
伴隨移動互聯網、物聯網、云計算、BIM等信息技術[4-5]的快速發展，基坑監測可通過融合多種信息化元素來實現流程的升級再造。從業主和監測方應用需求出發，結合工程實際，構建以數據庫為基礎，打造集可視化管理、基坑監測業務管理、狀態評估分析為一體的基坑監測信息管理系統，充分發揮基坑監測的工程效用，確保基坑和周邊環境的安全。
2 基于BIM技術的基坑監測管理系統
2.1 流程架構(見圖2)
圖2 基于BIM技術的基坑監測管理系統流程架構
系統通過物聯網、移動互聯等技術，將現場多種監測儀器串聯起來，通過自動采集、手動和批量錄入的方式實現監測數據信息入庫。對采集數據進行預處理，保證監測數據的有效性，自動計算單次變化量、累計變化量、變化速率等參數指標，并按照基坑監測的業務流程實現基于BIM模型的數據展示、圖形展示、報表輸出、報警的判定及消息推送，進而實現監測可視化、信息化以及管理的升級化。
2.2 工程概況
鐵科院科研業務用房包括1#,2#,3#樓。其中1#,2#樓地下室3層連成一體，基坑長174.10 m，寬57.60 m，深約14.50 m，安全等級為Ⅰ～Ⅱ級。3#樓地下2層，基坑長45.30 m，寬20.40 m，基坑深度10.70 m，安全等級為Ⅰ～Ⅱ級。2處基坑支護結構均采用樁錨支護方案，基坑場地及周邊布設多條地下管線(含電力、熱力、通信、給排水管線)。周邊有多幢辦公樓、精密檢測實驗室及市域繁忙道路。環境復雜，基坑開挖的穩定性和安全性對周邊環境影響大。
2.3 系統研發
1)數據庫設計。按照不同的監測設備和監測類型進行分類，在數據庫內創建不同的表。其中測點信息見表1。通過測點編號關聯查詢，進而實現監測數據的綜合應用。
表1 測點信息
字段名稱數據類型字段描述主鍵long項目編號nvarchar(10)基坑項目編號監測類型nvarchar(20)具體監測的類型測點編號nvarchar(10)每個測點的唯一編號測點X坐標decimal(10,4)每個測點在三維模型局部坐標系下的X坐標測點Y坐標decimal(10,4)每個測點在三維模型局部坐標系下的Y坐標測點Z坐標decimal(10,4)每個測點在三維模型局部坐標系下的Z坐標初始值decimal(10,4)每個測點的初始值監測日期datetime每個測點的監測日期控制值decimal(10,4)每種監測類型的控制值累計變化量報警值decimal(10,4)每種監測類型的累計變化量報警值變化速率報警值decimal(10,4)每種監測類型的變化速率報警值基坑支護等級nvarchar(5)不同剖面的基坑支護等級
2)基坑模型。BIM模型為監測數據的信息載體。按照設計圖紙創建場地、基坑護坡樁、錨桿、鋼腰梁、樁間支護、冠梁、周邊建筑、管線、道路的三維模型。添加相關屬性信息，包括幾何尺寸、材質信息、構件編號、標高數據、設計圖紙編號等內容，形成符合現場應用的基坑信息模型。院科研業務用房1#,2#基坑樁錨支護結構BIM模型如圖3所示。
3)測點模型。基坑監測實施過程中，測點破壞、遮擋、結構出現裂縫需增設測點等情況時有發生，導致實際布設的測點無法與設計圖紙完全相符。為避免重復修改測點模型，優化了測點BIM模型的生成方法：在基坑模型三維坐標系下，確定測點坐標，在管理系統中基于坐標直接生成測點模型(單個/批量添加)，并以測點分類結構樹的形式展現，實現監測數據的關聯和快速查詢。
4)功能設計。基坑監測管理系統擬整合信息化技術，以可視化的BIM模型作為監測信息載體，實現監測數據及巡檢記錄的及時上傳。通過數據分析，形成各類變化曲線和展示圖形，使監測成果“形象化”，方便各參與方隨時掌握施工期間基坑支護結構及周邊建筑管線的內力及變形情況。按規范要求輸出監測報表及監控報告，減少重復工作量，建立信息反饋機制，形成有效的信息推送、報警處理流程，進而降低施工風險，提升基坑監測的信息化水平。
綜上，基于BIM技術的基坑監測管理系統的設計功能包含基礎信息、可視化管理、基坑監測、檔案資料管理、系統管理和模塊管理6大部分。系統各功能采用插件式架構設計，各功能子模塊設計兼顧安全性和易用性，保證系統功能的可擴展性和可維護性。
2.4 系統應用
1)基礎信息。該模塊包括項目簡介、項目公告(如圖4)、施工階段、模型導入和圖紙管理等內容。結合工程實施特點，將1#,2#基坑及3#基坑劃分為2個項目單獨管理，在系統內可實現不同項目切換。
圖4 基礎信息管理
圖5 院科研業務用房3#基坑支護及周邊環境
2)可視化管理。對基坑支護結構模型(如圖5)、屬性信息、設計圖紙、測點模型及信息、監測數據進行可視化的展示及查詢。
3)基坑監測。該模塊為基于BIM技術基坑監測管理系統的核心功能模塊，主要包括測點管理、巡視記錄、監測數據、階段性報告、報警管理等子模塊。主要功能有添加測點(單個/批量)、日常巡視記錄錄入(后臺/移動APP)、監測數據查詢(數據列表/時程曲線，見圖6)、監測日報輸出、報警管理(報警列表/微信消息提醒,見圖7)。
圖6 監測數據的展示及分析
圖7 巡視APP界面及基于微信的消息推送(測試)
3 BIM深化應用探討
本系統的研發目前立足于基坑監測，著重于基坑監測業務數據的采集、展示、分析及報表輸出，隨著應用深入，可以開展以下方面的探索：
1)納入多方協同管理，涉及設計方、施工方、監理方等，此時系統將成為信息化綜合管理平臺。以基坑施工4D進度管理為例，基坑及支護結構的精細化建模、結構模型的分類編碼及WBS工項分解等內容需進一步考慮。
2)基坑支護BIM模型與有限元軟件有機結合，對基坑支護結構的變形、受力、穩定性進行準實時分析，直觀對比實際監測與設計工況的差異，驗證設計和施工方案的合理性，為基坑優化設計提供依據。
3)目前基坑監測按照規范依據變化速率、累計變化量進行指標報警。該處理方法具有廣泛適用性，但也存在一定的有效度，未必能真正反映復雜基坑的整體狀態。因此，未來應考慮不同的分析預測方法及模型，如回歸分析、指數平滑法、灰色理論模型等，根據測試結果采用多種方式綜合預測變形規律，為準確決策提供針對性的依據。
4)基坑監測結果不僅強調發展趨勢，一定時間范圍內更強調時效性，如雨期或夜晚施工。這就要求測試設備具有采集數據快、全天候工作的能力。因此，自動采集設備將會是一個發展趨勢，這將大大促進測試的自動化、流程化。
4 結語
結合鐵科院科研業務用房基坑監測的應用需求，設計了基于BIM技術的基坑監測流程架構，研發了基于BIM技術的基坑監測管理系統，實現了以下價值點：
1)模型可視化。基坑護坡樁、錨桿、鋼腰梁、樁間支護、冠梁等支護結構的三維可視化；周邊建筑、管線、道路等空間位置的可視化。
2)監測可視化。測點位置、監測類型、報警狀態的直觀化；監測結果、采集時間、累計變化量、變化速率的形象化(數據列表+時程曲線)。
3)設計屬性信息化。基坑支護結構BIM模型與設計屬性(幾何尺寸、材質、規格類型以及設計圖紙)的關聯。
4)基坑監測信息化。日常巡視、當日報表的信息化錄入及自動生成。
5)管理升級化。無紙化辦公，通過系統可隨時查看基坑的監測情況；基于微信的項目公告、報警消息的及時推送，方便管理人員及時掌控監控動態。
基于BIM的基坑監測信息管理系統實現了監測業務手段和管理模式的升級，未來不同參與方的協同工作機制形成后，預計將會有更廣闊的應用前景。
參考文獻
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