基于BIM虛擬技術(shù)的高速公路基坑變形監(jiān)測方法研究

摘要：傳統(tǒng)基坑變形監(jiān)測方法是在二維平面設(shè)計(jì)圖上布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果的精度較低，鑒于此，對基于BIM虛擬技術(shù)的高速公路基坑變形監(jiān)測方法進(jìn)行研究。采集并預(yù)處理高速公路基坑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于BIM虛擬技術(shù)建立高速公路基坑的BIM模型，將BIM模型轉(zhuǎn)換成有限元模型，對高速公路基坑變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。實(shí)例結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法下高速公路基坑變形量的模擬值與實(shí)測值之間平均誤差僅1.75mm，在合理范圍內(nèi)，證實(shí)了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：BIM虛擬技術(shù)；高速公路；基坑變形；監(jiān)測方法

0 引言

近年來，經(jīng)過信息化技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)均出現(xiàn)了日新月異的變化，尤其是在建筑領(lǐng)域中，信息化技術(shù)為高速公路基坑變形監(jiān)測帶來了全新的生機(jī)，利用有限元分析軟件進(jìn)行基坑變形的數(shù)值模擬，不僅可以保障基坑變形監(jiān)測的安全性，而且有效提高了監(jiān)測效率。但在進(jìn)行高速公路基坑變形的有限元分析時(shí)，基坑模型中監(jiān)測點(diǎn)的布置位置難以確定，一定程度上影響了監(jiān)測結(jié)果的精度，為解決該問題，本文針對高速公路基坑變形監(jiān)測方法展開進(jìn)一步地研究。

1 基于BIM虛擬技術(shù)的高速公路基坑變形監(jiān)測技術(shù)

1.1 采集并預(yù)處理高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在本文設(shè)計(jì)的高速公路基坑變形監(jiān)測方法中，為構(gòu)建基坑的BIM模型，使用三維激光掃描儀采集基坑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（point cloud data），這是監(jiān)測技術(shù)實(shí)施的前提和基礎(chǔ)。為此本章重點(diǎn)介紹高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理方法[1]。

1.1.1 掃描距離計(jì)算

三維激光掃描儀利用激光測距原理，對高速公路基坑進(jìn)行測量定位。在掃描儀工作期間，可以根據(jù)記錄器記錄的信息掌握脈沖激光信號往返掃描儀與被測目標(biāo)點(diǎn)之間的距離，其表達(dá)式如下：

（1）

式（1）中：D表示三維激光掃描儀與被測基坑目標(biāo)點(diǎn)之間的掃描距離；Vc表示光速；tc表示脈沖激光信號往返掃描儀與目標(biāo)點(diǎn)之間的時(shí)間。

1.1.2 掃描點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算

在式（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，即可得到高速公路基坑各個(gè)掃描點(diǎn)的坐標(biāo)信息，其計(jì)算公式如下：

（2）

式（2）中：（X0，Y0，Z0）表示高速公路基坑上的掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)信息；α表示掃描點(diǎn)在水平方向上的投影夾角；β表示三維激光掃描儀相對于水平方向的掃描角度。通過上述步驟，即可采集到高速公路基坑全部掃描點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.1.3 掃描點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

受三維激光掃描儀自身與外界環(huán)境等因素的影響，采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，存在大量噪聲。如果直接用于建模，可能會(huì)造成基坑的BIM模型與實(shí)際相差較大[2]，因此需要對采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)做去噪處理。

綜合考慮高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用統(tǒng)計(jì)濾波去噪方法，將數(shù)據(jù)中稀疏離群噪聲點(diǎn)去除掉，僅保留有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)。假設(shè)高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)集中某個(gè)掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)，與其鄰域內(nèi)各點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的平均距離為，根據(jù)平均距離即可計(jì)算出該掃描點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差，其表達(dá)式如下：

（3）

式（3）中：ε表示基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；μ表示所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其領(lǐng)域內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間平均距離的均值；n表示基坑掃描點(diǎn)i的鄰域內(nèi)所有點(diǎn)云的數(shù)量。

1.1.4 數(shù)據(jù)濾波去噪

在進(jìn)行高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波去噪時(shí)，先將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入濾波器中，從而得到各_{MGFR7SMuK2DZOkbZYQvMrA==}掃描點(diǎn)的平均距離；然后根據(jù)式（3）求出掃描點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差，以標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)來確定濾波范圍。如果平均距離L— i在此范圍內(nèi)，說明這是有效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要保留。如果平均距離L— i在此范圍外，說明這是噪聲點(diǎn)需要剔除。最后按照上述步驟，對采集的全部高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選[3]，從而得到去除噪聲的高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于后續(xù)基坑建模之中。

1.2 基于BIM虛擬技術(shù)的基坑變形數(shù)值模擬

BIM國內(nèi)直譯為建筑信息模型[4]，能夠以數(shù)字化、可視化的形式呈現(xiàn)多維建筑的信息數(shù)據(jù)，所以被廣泛應(yīng)用于我國建筑領(lǐng)域。在傳統(tǒng)高速公路基坑變形數(shù)值模擬中，一般構(gòu)建基坑有限元模型時(shí)難以精確掌握監(jiān)測點(diǎn)的位置，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果誤差較大，所以本文結(jié)合BIM虛擬技術(shù)的可視化特點(diǎn)，進(jìn)行高速公路基坑變形數(shù)值模擬的研究。

1.2.1 構(gòu)建BIM模型

構(gòu)建基坑的BIM模型，需要在高速公路基坑點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用功能全面、性能穩(wěn)定的Revit軟件來實(shí)現(xiàn)[5]：

首先，根據(jù)高速工程基坑工程的實(shí)際情況，對項(xiàng)目中基坑與支護(hù)構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化命名。其中支護(hù)構(gòu)件的名稱包含著構(gòu)件的位置、類別、尺寸等數(shù)據(jù)，所以每一個(gè)構(gòu)件均有著獨(dú)一無二的名稱。

其次，分別繪制出基坑與支護(hù)構(gòu)件的BIM模型，這里主要通過Revit軟件中的系統(tǒng)族功能創(chuàng)建構(gòu)件模型，并將其載入到工程項(xiàng)目中，形成高速公路基坑工程的整體BIM模型。

最后，在高速公路基坑的BIM模型中需要設(shè)置出監(jiān)測點(diǎn)單元模型，從而實(shí)現(xiàn)基坑變形監(jiān)測點(diǎn)的三維可視化?；颖O(jiān)測點(diǎn)單元模型主要采用水準(zhǔn)斷面監(jiān)測法繪制，也就是在基坑重點(diǎn)地段分別設(shè)置水平位移與沉降的監(jiān)測斷面，并在每一個(gè)監(jiān)測斷面上布置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，從而形成基坑變形監(jiān)測點(diǎn)基元模型，與基坑單元和支護(hù)單元構(gòu)成完整的高速公路基坑BIM模型。

1.2.2 有限元分析

在得到高速公路基坑的BIM模型后，需要將其轉(zhuǎn)換為有限元模型[6]，從而進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本文利用BIM模型生成高速公路深基坑的有限元模型時(shí)，主要采用了ANSYS（大型通用有限元分析）軟件，將BIM模型導(dǎo)入軟件中，利用ANAYS APDL命令流轉(zhuǎn)化功能，實(shí)現(xiàn)有限元分析模型的生成。

在高速公路基坑有限元模型生成過程中，本文通過DP材料來模擬基坑土體的本構(gòu)行為，其計(jì)算公式為：

（4）

式（4）中：K1表示基坑土體材料應(yīng)力的第一不變量；K2表示基坑土體材料應(yīng)力的第二不變量；η表示土體材料粘結(jié)力參數(shù)；φ表示土體材料內(nèi)摩擦角參數(shù)。

與此同時(shí)，為建模方便，將基坑常規(guī)鋼管樁或混凝土樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，轉(zhuǎn)換為一定厚度的地連墻，其表達(dá)式如下：

（5）

式（5）中：W表示基坑支護(hù)樁的凈距；H表示基坑地連墻的厚度；R表示基坑支護(hù)樁的樁徑。

1.2.3 確定模擬基坑開挖施工工序和內(nèi)容

當(dāng)完成高速公路基坑BIM模型的轉(zhuǎn)化之后，通過“激活”與“鈍化”施工工序，來模擬高速公路基坑施工過程，并得到變形模擬值。根據(jù)我國高速公路基坑實(shí)際施工特點(diǎn)，確定模擬基坑開挖施工工序和內(nèi)容如表1所示。

本文主要考慮了高速公路基坑工程中支護(hù)結(jié)構(gòu)，在重力場的全開挖過程中的結(jié)構(gòu)變形情況，不考慮降水等因素的作用，所以本文在ANAYS有限元分析模型中，將基坑開挖的分析類型設(shè)置為應(yīng)力類型，然后加載有限元模型后，即可獲得高速公路基坑變形監(jiān)測模擬數(shù)據(jù)。

2 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于BIM虛擬技術(shù)的高速公路基坑變形監(jiān)測方法的實(shí)用性，將其應(yīng)用于工程實(shí)例。將BIM虛擬技術(shù)所得基坑變形模擬數(shù)值，與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而及時(shí)反饋設(shè)計(jì)方法應(yīng)用效果。

2.1 測點(diǎn)布設(shè)

本文以高速公路工程一標(biāo)段為例開展基坑變形監(jiān)測。在進(jìn)行高速公路基坑施工時(shí)，基坑設(shè)計(jì)深度為8.5m，基坑長度在20～24m之間，沿著高速公路基坑坡頂?shù)闹苓吘鶆蛟O(shè)置了26個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別命名標(biāo)記為A1～A26，各監(jiān)測點(diǎn)之間的間距為25m。

在該基坑施工期間，每天到施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)觀測土體的水平位移與沉降數(shù)據(jù)。施工過程中，對基坑邊坡坡頂土體的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。基坑邊坡坡頂土體變形監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖1所示。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 監(jiān)測參數(shù)選取

先建立高速公路基坑的BIM模型，再將其轉(zhuǎn)化為有限元分析模型，展開基坑變形的數(shù)值模擬，確保模型上的各監(jiān)測點(diǎn)與實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)編號一致、互相對應(yīng)。為方便對比，本章從26個(gè)基坑變形監(jiān)測點(diǎn)中選取A3、A10、A16、A23這4個(gè)具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)，然后分別獲取6道施工工序下，這4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處基坑邊坡坡頂土體水平位移、沉降模擬值與實(shí)際監(jiān)測值，然后進(jìn)行對比。

2.2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑坡頂水平位移模擬值與實(shí)測值對比結(jié)果如圖2所示?；悠马敵两的M值與實(shí)測值對比結(jié)果如圖3所示。從圖2、圖3可以看出，隨著基坑開挖深度的不斷增加，邊坡坡頂土體的變形情況越來越嚴(yán)重，且在這6道工序下，土體水平位移與沉降的模擬值和實(shí)測值趨勢一致。

將每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)下的基坑變形模擬值與實(shí)測值分別進(jìn)行對比可知，在工序6也就是高速公路基坑開挖與支護(hù)的最后一道工序中，基坑邊坡坡頂土體形變達(dá)到最大值，其中基坑邊坡土體最大水平位移的模擬值與實(shí)測值均出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)A10，分別為18.1mm、19.9mm，絕對誤差為1.8mm?；舆吰峦馏w最大沉降量的模擬值與實(shí)測值均出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)A16，分別為22.5mm、24.2mm，絕對誤差為1.7mm。

由此可以說明，在高速公路基坑工程中，本文設(shè)計(jì)方法不僅可以有效監(jiān)測基坑變形情況，而且監(jiān)測值與實(shí)際值之間的平均相對誤差僅為1.75mm，在合理范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

基坑工程具有施工技術(shù)多、風(fēng)險(xiǎn)程度高等特點(diǎn)，為避免工程事故，本文研究一種高速公路基坑變形監(jiān)測方法。首先利用三維激光掃描技術(shù)獲取了基坑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過BIM虛擬技術(shù)對基坑變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并依托實(shí)際項(xiàng)目對設(shè)計(jì)方法的有效性與正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。雖然本文已經(jīng)取得一定研究成果，但基坑變形的模擬值仍小于實(shí)際值，這主要是因?yàn)槔肂IM虛擬技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，對實(shí)際工程進(jìn)行了簡化，很多外界因素沒有考慮進(jìn)來，所以未來需對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行完善，進(jìn)一步提升高速公路基坑變形的監(jiān)測精度。

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