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铁科院的BIM基坑监测方案(管理系统)

704 2020-06-10 11:14:09


随着高层建筑、复杂地下工程、大跨度桥梁工程的迅猛发展,基坑工程在向“更深、更难、更险、更大”的方向发展。基坑的安全与稳定直接关系到基坑本身及邻近建筑物、基坑周边道路和邻近地下管线的安全。

BIM基坑监测管理系统


《建筑基坑工程监测技术规范》规定:开挖深度超过5m、或开挖深度未超过5m但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑工程均应实施基坑监测


基坑工程现场监测采用仪器监测与巡视检查结合的方法,监测一般从工程施工前开始,至地下工程完成为止,对有特殊要求的周边环境监测应根据需要延续至变形趋于稳定后才能结束。监测过程中,针对关键部位做到重点观测,形成有效、完整的监测流程,保证监测数据的及时性和可靠性。当出现超限、严重开裂等异常情况时,应加强监测,提高监测频率。


基坑监测的实施流程

基坑监测的实施流程


伴随移动互联网、物联网、云计算、BIM等信息技术的发展,基坑监测可通过融合多种信息化元素来实现流程的升级再造。从业主和监测方应用需求出发,结合工程实际,构建以数据库为基础,打造集可视化管理、基坑监测业务管理、状态评估分析为一体的基坑监测信息管理系统,充分发挥基坑监测的工程效用,确保基坑和周边环境的安全。


铁路工程建设项目管理理论技术

系统通过物联网、移动互联等技术,将现场多种监测仪器串联起来,通过自动采集、手动和批量录入的方式实现监测数据信息入库。对采集数据进行预处理,保证监测数据的有效性,自动计算单次变化量、累计变化量、变化速率等参数指标,并按照基坑监测的业务流程实现基于BIM模型的数据展示、图形展示、报表输出、报警的判定及消息推送,进而实现监测可视化、信息化以及管理的升级化。

BIM基坑监测管理系统流程架构

BIM基坑监测管理系统流程架构


系统通过物联网、移动互联等技术,将现场多种监测仪器串联起来,通过自动采集、手动和批量录入的方式实现监测数据信息入库。对采集数据进行预处理,保证监测数据的有效性,自动计算单次变化量、累计变化量、变化速率等参数指标,并按照基坑监测的业务流程实现基于BIM模型的数据展示、图形展示、报表输出、报警的判定及消息推送,进而实现监测可视化、信息化以及管理的升级化。

中国铁道科学研究院集团有限公司(简称铁科院)科研业务用房包括1#~3#楼。其中1#、2#楼地下室3层连成一体,基坑长174.1m,宽57.6m,深14.5m,安全等级为Ⅰ~Ⅱ级。3#楼地下2层,基坑长45.3m,宽20.4m,基坑深度10.7m,安全等级为Ⅰ~Ⅱ级。2处基坑支护结构均采用桩锚支护方案,基坑场地及周边布设多条地下管线。周边有多幢办公楼、精密检测试验室及市域繁忙道路。环境复杂。


系统研发

数据库统计

按照不同的监测设备和监测类型进行分类,在数据库内创建不同的表。测点信息如下。通过测点编号关联查询,进而实现监测数据的综合应用。

测点信息

测点信息


基坑模型

BIM模型为监测数据的信息载体。按照设计图纸创建场地、基坑护坡桩、锚杆、钢腰梁、桩间支护、冠梁、周边建筑、管线、道路的三维模型。添加相关属性信息,包括几何尺寸、材质信息、构件编号、标高数据、设计图纸编号等内容,形成符合现场应用的基坑信息模型。

科研业务用房1#、2#基坑桩锚支护结构模型

科研业务用房1#、2#基坑桩锚支护结构模型


测点模型

基坑监测实施过程中,测点破坏、遮挡、结构出现裂缝需增设测点等情况时有发生,导致实际布设的测点无法与设计图纸完全相符。为避免重复修改测点模型,优化了测点BIM模型的生成方法:在基坑模型三维坐标系下,确定测点坐标,在管理系统中基于坐标直接生成测点模型(单个/批量添加),并以测点分类结构树的形式展现,实现监测数据的关联和快速查询。


功能设计

基坑监测管理系统拟整合信息化技术,以可视化的BIM模型作为监测信息载体,实现监测数据及巡检记录的及时上传。通过数据分析,形成各类变化曲线和展示图形,使监测成果“形象化”,方便各参与方随时掌握施工期间基坑支护结构及周边建筑管线的内力及变形情况。按规范要求输出监测报表及监控报告,减少重复工作量,建立信息反馈机制,形成有效的信息推送、报警处理流程,进而降低施工风险,提升基坑监测的信息化水平。


BIM基坑监测管理系统的设计功能包含基础信息、可视化管理、基坑监测、档案资料管理、系统管理和模块管理。系统各功能采用插件式架构设计,各功能子模块设计兼顾安全性和易用性,保证系统功能的可扩展性和可维护性。


系统应用

基础信息

该模块包括项目简介、项目公告、施工阶段、模型导入和图纸管理等内容。结合工程实施特点,将1#、2#基坑及3#基坑划分为2个项目单独管理,在系统内可实现不同项目切换。

基础信息管理

基础信息管理


可视化管理

对基坑支护结构模型、属性信息、设计图纸、测点模型及信息、监测数据进行可视化的展示及查询。

院科研业务用房3#基坑支护及周边环境

院科研业务用房3#基坑支护及周边环境


基坑监测

该模块为基于BIM技术基坑监测管理系统的核心功能模块,主要包括测点管理、巡视记录、监测数据、阶段性报告、报警管理等子模块。主要功能有添加测点(单个/批量)、日常巡视记录录入(后台/移动app)、监测数据查询(数据列表/时程曲线)见图6)、监测日报输出、报警管理(报警列表/微信消息提醒),见图7。

监测数据的展示及分析

监测数据的展示及分析

巡视app界面及基于微信的消息推送(测试)

巡视app界面及基于微信的消息推送(测试)


BIM深化应用

目前,系统研发立足于基坑监测,着重于基坑监测业务数据的采集、展示、分析及报表输出,随着应用深入,可开展以下探索:

  • 纳入多方协同管理,涉及设计方、施工方、监理方等,此时系统将成为信息化综合管理平台。以基坑施工4D进度管理为例,基坑及支护结构的精细化建模、结构模型的分类编码及WBS工项分解等内容需进一步考虑

  • 基坑支护BIM模型与有限元软件有机结合,对基坑支护结构的变形、受力、稳定性进行准实时分析,直观对比实际监测与设计工况的差异,验证设计和施工方案的合理性,为基坑优化设计提供依据

  • 目前基坑监测按照规范依据变化速率、累计变化量进行指标报警。该方法存在一定有效度,未必真正反映复杂基坑的整体状态。未来应考虑不同的分析预测方法及模型,如回归分析、指数平滑法、灰色理论模型等,根据测试结果采用多种方式综合预测变形规律

  • 基坑监测结果不仅强调发展趋势,一定时间范围内更强调时效性,如雨期或夜晚施工。这要求测试设备具有采集数据快、全天候工作的能力。自动采集设备将促进测试的自动化、流程化


结合铁科院科研业务用房基坑监测应用需求,研发了基于BIM的基坑监测管理系统,实现了模型可视化、监测可视化、设计属性信息化、基坑监测信息化、管理升级化等价值点。系统使监测业务手段和管理模式升级,不同参与方协同工作机制形成后,将会有更广阔的应用前景。



主要内容来源:

中国铁道科学研究院

廖志刚,蔡德钩,潘永杰,魏乾坤. 

基于BIM技术的基坑监测管理系统研究[J].