BIM監(jiān)測技術(shù)和3D激光掃描技術(shù)在深基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

李偉文

珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站，廣東 珠海 519000

建筑信息模型也稱BIM，是一種數(shù)據(jù)化信息工具，可以以信息為基礎(chǔ)模擬建筑物的屬性，并廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、施工、運(yùn)營和維護(hù)。近年來，隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)工程中的不斷普及應(yīng)用，建筑業(yè)進(jìn)入了信息發(fā)展的新階段。應(yīng)用BIM技術(shù)，可實現(xiàn)項目的整個生命周期控制。在基坑監(jiān)測項目中，可通過BIM模型生成二維設(shè)計圖，并以三維形式顯示，從而使項目各參與方都能直觀地感受項目的全貌。通過施工過程運(yùn)動仿真，對施工方案進(jìn)行可行性分析，完全控制施工過程，合理優(yōu)化現(xiàn)有施工方案，提高施工效率。3D激光掃描技術(shù)是一種基于計算機(jī)技術(shù)的新型測繪技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確地獲取相關(guān)的云數(shù)據(jù)，其可以代替水準(zhǔn)儀和全站儀準(zhǔn)確掃描測量圍護(hù)樁體傾斜誤差、平面位移監(jiān)測誤差等。

1 BIM監(jiān)測技術(shù)

基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，開挖深度大，基坑的開挖深度至少為15m，這類基坑其支護(hù)結(jié)構(gòu)剛性要好，否則容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，因此必須嚴(yán)格控制基坑支護(hù)設(shè)計和施工階段的變形。借助BIM軟件構(gòu)建三維支護(hù)模型，能夠及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題。在施工過程中，可以使用三維模型來集成基坑的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)并及時處理問題?；贐IM的基礎(chǔ)設(shè)計是通過創(chuàng)建包含各種信息的三維基礎(chǔ)模型，將二維設(shè)計轉(zhuǎn)換為三維動態(tài)可視化結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)三維支護(hù)模型自動生成各種圖表和文檔，從而生成與之對應(yīng)的模型。當(dāng)模型更改時，相關(guān)的圖形和文檔將自動更新，在BIM模型中創(chuàng)建的對象具有內(nèi)置的邏輯關(guān)系，當(dāng)對象更改時，關(guān)聯(lián)的對象也將相應(yīng)更改。所有專業(yè)系統(tǒng)都可以從信息模型中獲得所需的設(shè)計參數(shù)和相關(guān)信息，且無須重復(fù)輸入數(shù)據(jù)，從而避免了數(shù)據(jù)冗余、歧義和錯誤，實現(xiàn)各個監(jiān)測功能之間的協(xié)作以及相關(guān)方之間的信息交換，應(yīng)用基于BIM的監(jiān)測技術(shù)是建立項目中央信息數(shù)據(jù)庫的過程，包括與支護(hù)強(qiáng)度信息有關(guān)的所有實體和功能特征基礎(chǔ)及周圍環(huán)境。項目的所有實體和功能都存儲在此數(shù)據(jù)庫中，這有助于項目團(tuán)隊成員之間的信息交換，并有可能改善項目的集成和協(xié)作。

2 3D激光掃描監(jiān)測技術(shù)

通常情況下，在建設(shè)項目的實際施工過程中，深基坑對地質(zhì)條件要求較高。如果無法及時收集相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)，則需要執(zhí)行分布掃描，然后收集該數(shù)據(jù)信息。為了確保實際的掃描數(shù)據(jù)結(jié)果覆蓋整個監(jiān)視區(qū)域，還應(yīng)該選擇相對布局少的測量站，這樣可以確保后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程的簡易性，并允許在掃描過程中獲得最大范圍的相關(guān)地理信息。在完成每個站點的掃描后，應(yīng)準(zhǔn)確掃描目標(biāo)，以確保之后的數(shù)據(jù)完全匹配，并且目標(biāo)的實際距離應(yīng)合理，以最大限度地減少誤差。由于基坑支護(hù)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3D激光掃描儀在掃描操作過程中只會獲取部分區(qū)域數(shù)據(jù)信息。為了獲得相對完整的3D數(shù)據(jù)，需要從多個位置進(jìn)行掃描。由于每次掃描獲得的數(shù)據(jù)都在局部坐標(biāo)系中，因此有必要在掃描區(qū)域中設(shè)置控制目標(biāo)并執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)匹配，以確保支護(hù)關(guān)聯(lián)部位測繪區(qū)域能夠形成完整的體系。

3 BIM監(jiān)測技術(shù)在復(fù)雜深基坑工程中的應(yīng)用

3.1 BIM技術(shù)建模

BIM信息模型是貫穿基坑整個周期的模型，在基坑設(shè)計、施工和監(jiān)控的整個階段都可以提供豐富的參考信息。如在施工階段，該模型可用于構(gòu)造3D模型和時間軸仿真。在成本控制監(jiān)測階段，可以將動態(tài)監(jiān)視結(jié)果輸入BIM模型中，并將測量數(shù)據(jù)與虛擬模型相結(jié)合，以實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的比對。首先，在3D建模軟件中建立幾何模型，獲取BIM集成軟件以提供信息，例如材料的物理和機(jī)械性能、組件類型、土層的重量、黏附力、支撐樁上的混凝土及鋼種等，然后將其導(dǎo)出為結(jié)構(gòu)計算模型格式文件，并將其導(dǎo)入符合IFC標(biāo)準(zhǔn)的特殊基坑有限元分析軟件，分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形、支撐、加固程度等，并在必要時執(zhí)行人機(jī)交互，以抵消可能引起該問題的軟件功能不足。當(dāng)發(fā)生錯誤時，將獲取的信息返回并存儲在BIM信息模型中，然后使用導(dǎo)出的二維工程圖功能導(dǎo)出計算表。

3.2 BIM技術(shù)動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測

在深基坑施工監(jiān)測中，BIM技術(shù)的多維可視化通過Revit軟件構(gòu)建，該軟件具有集成、構(gòu)造仿真和完整參數(shù)的優(yōu)勢，內(nèi)置深基坑多維安全監(jiān)控模型，可實現(xiàn)深基坑施工安全動態(tài)警告與監(jiān)控。在BIM安全監(jiān)控模型中建立多維基坑應(yīng)變監(jiān)視族表，并將監(jiān)視數(shù)據(jù)中的信息添加到族表中，包括不同類型的監(jiān)視數(shù)據(jù)，例如基坑支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)內(nèi)部支撐力、土體剪切強(qiáng)度和地下水位變化，監(jiān)視數(shù)據(jù)和動態(tài)模型之間的相關(guān)性，并通過建立控制監(jiān)視參數(shù)屏幕，實現(xiàn)跟蹤數(shù)據(jù)的響應(yīng)。當(dāng)基坑周圍的土壤表層沉降時，監(jiān)測深層結(jié)構(gòu)的水平位移、擋土樁上表面的水平位移和垂直軸向位移、軸徑向支撐力、水平土壤位移，著重分析是土體抗剪切強(qiáng)度不足，還是基坑支護(hù)支撐強(qiáng)度不足，如果是土體抗剪切強(qiáng)度不夠，則要監(jiān)測土壤成分含量，包括水分占比、黏度和添加料的含量；如果是基坑底部水壓過高而土體隆起使支護(hù)體變形失穩(wěn)，則需用導(dǎo)管或水泵引出坑底的積水；如的基坑支護(hù)支撐強(qiáng)度不夠，則可以更改其結(jié)構(gòu)并通過模型受力分析修正支護(hù)薄弱位置，達(dá)到一次成型，避免頻繁返工更改，造成拖長工期。當(dāng)監(jiān)測沉降等項目超過預(yù)警值時，將發(fā)出警報聲音，通過不同的警告聲音來指示監(jiān)視警報的問題種類，通過警報聲音的緊急程度來反映監(jiān)視項目警報等級。將深基坑施工實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹IM模型上，可以隨時直觀地反映基坑監(jiān)控區(qū)域的危害源和變形危害程度，確定深基坑的工程危害因素等，實現(xiàn)對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力趨勢的預(yù)測，動態(tài)調(diào)整深基坑施工計劃，以快速準(zhǔn)確地清除危險節(jié)點，消除施工過程中的沖突和風(fēng)險，避免出現(xiàn)安全事故。

3.3 監(jiān)測過程管理

通過使用BIM技術(shù)，可以有效保證深基坑的測量精度，減少人工深坑作業(yè)危險和材料成本，并且可以實現(xiàn)全過程和遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了確保對深基坑的持續(xù)監(jiān)控，施工人員必須在應(yīng)用BIM技術(shù)時嵌入高精度測量組件，以確保實時測量和加載連續(xù)監(jiān)測的工作數(shù)據(jù)，包括支護(hù)和土體內(nèi)部組織和強(qiáng)度。BIM技術(shù)可用于實時監(jiān)控與制訂合理的異常問題解決方案，以提高深基坑的安全性。應(yīng)用BIM技術(shù)可在監(jiān)視深基坑的同時收集數(shù)據(jù)，然后組織計算，并且將測量數(shù)據(jù)自動上傳到平臺，自動導(dǎo)入模型以提高工作效率。同時，還可以設(shè)置各種動態(tài)顯示方法，例如閃爍顏色、圖形和聲音，使用終端實時查看并捕獲基坑構(gòu)造的動態(tài)。

4 3D激光掃描技術(shù)在深基坑監(jiān)測中的應(yīng)用

4.1 監(jiān)測過程

測量站主要采用強(qiáng)制支護(hù)結(jié)構(gòu)對中裝置，以有效降低出錯的可能性。激光掃描儀可用于全面掃描，掃描得到的相關(guān)數(shù)據(jù)是具有三維坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息輸入軟件并通過軟件工具進(jìn)行過濾，可刪除一些多余的信息數(shù)據(jù)，有效提高了支護(hù)后續(xù)處理的效率及技術(shù)精度。將處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D建模軟件后，可建立支撐結(jié)構(gòu)的3D模型，并通過相關(guān)軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析。

4.2 監(jiān)測結(jié)果

經(jīng)過多次觀測，通過監(jiān)測設(shè)備獲得基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的真實變形數(shù)據(jù)，并通過地理數(shù)據(jù)分析和比較，可以獲得基坑沉降位移數(shù)據(jù)，及時指導(dǎo)修復(fù)基坑中存在的薄弱點和危險點，避免監(jiān)測人員深入基坑底進(jìn)行危險作業(yè)，維持了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

基坑監(jiān)測工作是建設(shè)項目安全管理的重要組成部分，但是傳統(tǒng)的基坑監(jiān)測不能使管理人員快速有效地識別基坑的變形。將基坑監(jiān)測設(shè)備與BIM技術(shù)及3D激光掃描技術(shù)相結(jié)合，基于現(xiàn)有基坑監(jiān)測添加信息管理，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法的不足，提高了基坑的安全性，降低了基坑施工的風(fēng)險。應(yīng)用3D激光掃描技術(shù)可以快速獲取相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸式測量，還可以充分監(jiān)控深基坑的危險區(qū)域，以確保監(jiān)控人員的安全，相信未來的BIM技術(shù)及3D激光掃描技術(shù)將在深基坑等難度較大的施工中發(fā)揮更大的作用。