BIM監測技術和3D激光掃描技術在深基坑監測中的應用

李偉文

珠海市建設工程質量監測站，廣東 珠海 519000

建筑信息模型也稱BIM，是一種數據化信息工具，可以以信息為基礎模擬建筑物的屬性，并廣泛應用于工程設計、施工、運營和維護。近年來，隨著BIM技術在國內工程中的不斷普及應用，建筑業進入了信息發展的新階段。應用BIM技術，可實現項目的整個生命周期控制。在基坑監測項目中，可通過BIM模型生成二維設計圖，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。通過施工過程運動仿真，對施工方案進行可行性分析，完全控制施工過程，合理優化現有施工方案，提高施工效率。3D激光掃描技術是一種基于計算機技術的新型測繪技術，可以快速準確地獲取相關的云數據，其可以代替水準儀和全站儀準確掃描測量圍護樁體傾斜誤差、平面位移監測誤差等。

1 BIM監測技術

基坑周圍環境復雜，開挖深度大，基坑的開挖深度至少為15m，這類基坑其支護結構剛性要好，否則容易出現坍塌現象，因此必須嚴格控制基坑支護設計和施工階段的變形。借助BIM軟件構建三維支護模型，能夠及時發現結構問題。在施工過程中，可以使用三維模型來集成基坑的實時監控數據并及時處理問題。基于BIM的基礎設計是通過創建包含各種信息的三維基礎模型，將二維設計轉換為三維動態可視化結構，然后根據三維支護模型自動生成各種圖表和文檔，從而生成與之對應的模型。當模型更改時，相關的圖形和文檔將自動更新，在BIM模型中創建的對象具有內置的邏輯關系，當對象更改時，關聯的對象也將相應更改。所有專業系統都可以從信息模型中獲得所需的設計參數和相關信息，且無須重復輸入數據，從而避免了數據冗余、歧義和錯誤，實現各個監測功能之間的協作以及相關方之間的信息交換，應用基于BIM的監測技術是建立項目中央信息數據庫的過程，包括與支護強度信息有關的所有實體和功能特征基礎及周圍環境。項目的所有實體和功能都存儲在此數據庫中，這有助于項目團隊成員之間的信息交換，并有可能改善項目的集成和協作。

2 3D激光掃描監測技術

通常情況下，在建設項目的實際施工過程中，深基坑對地質條件要求較高。如果無法及時收集相關的地理空間數據，則需要執行分布掃描，然后收集該數據信息。為了確保實際的掃描數據結果覆蓋整個監視區域，還應該選擇相對布局少的測量站，這樣可以確保后續數據處理過程的簡易性，并允許在掃描過程中獲得最大范圍的相關地理信息。在完成每個站點的掃描后，應準確掃描目標，以確保之后的數據完全匹配，并且目標的實際距離應合理，以最大限度地減少誤差。由于基坑支護體系結構復雜，3D激光掃描儀在掃描操作過程中只會獲取部分區域數據信息。為了獲得相對完整的3D數據，需要從多個位置進行掃描。由于每次掃描獲得的數據都在局部坐標系中，因此有必要在掃描區域中設置控制目標并執行相應的數據匹配，以確保支護關聯部位測繪區域能夠形成完整的體系。

3 BIM監測技術在復雜深基坑工程中的應用

3.1 BIM技術建模

BIM信息模型是貫穿基坑整個周期的模型，在基坑設計、施工和監控的整個階段都可以提供豐富的參考信息。如在施工階段，該模型可用于構造3D模型和時間軸仿真。在成本控制監測階段，可以將動態監視結果輸入BIM模型中，并將測量數據與虛擬模型相結合，以實現虛擬與現實的比對。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，然后將其導出為結構計算模型格式文件，并將其導入符合IFC標準的特殊基坑有限元分析軟件，分析基坑支護結構穩定性、變形、支撐、加固程度等，并在必要時執行人機交互，以抵消可能引起該問題的軟件功能不足。當發生錯誤時，將獲取的信息返回并存儲在BIM信息模型中，然后使用導出的二維工程圖功能導出計算表。

3.2 BIM技術動態數據監測

在深基坑施工監測中，BIM技術的多維可視化通過Revit軟件構建，該軟件具有集成、構造仿真和完整參數的優勢，內置深基坑多維安全監控模型，可實現深基坑施工安全動態警告與監控。在BIM安全監控模型中建立多維基坑應變監視族表，并將監視數據中的信息添加到族表中，包括不同類型的監視數據，例如基坑支護強度、支護內部支撐力、土體剪切強度和地下水位變化，監視數據和動態模型之間的相關性，并通過建立控制監視參數屏幕，實現跟蹤數據的響應。當基坑周圍的土壤表層沉降時，監測深層結構的水平位移、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度不足，還是基坑支護支撐強度不足，如果是土體抗剪切強度不夠，則要監測土壤成分含量，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體變形失穩，則需用導管或水泵引出坑底的積水；如的基坑支護支撐強度不夠，則可以更改其結構并通過模型受力分析修正支護薄弱位置，達到一次成型，避免頻繁返工更改，造成拖長工期。當監測沉降等項目超過預警值時，將發出警報聲音，通過不同的警告聲音來指示監視警報的問題種類，通過警報聲音的緊急程度來反映監視項目警報等級。將深基坑施工實時監測數據傳輸到BIM模型上，可以隨時直觀地反映基坑監控區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，實現對深基坑支護結構變形和受力趨勢的預測，動態調整深基坑施工計劃，以快速準確地清除危險節點，消除施工過程中的沖突和風險，避免出現安全事故。

3.3 監測過程管理

通過使用BIM技術，可以有效保證深基坑的測量精度，減少人工深坑作業危險和材料成本，并且可以實現全過程和遠程監控。為了確保對深基坑的持續監控，施工人員必須在應用BIM技術時嵌入高精度測量組件，以確保實時測量和加載連續監測的工作數據，包括支護和土體內部組織和強度。BIM技術可用于實時監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。應用BIM技術可在監視深基坑的同時收集數據，然后組織計算，并且將測量數據自動上傳到平臺，自動導入模型以提高工作效率。同時，還可以設置各種動態顯示方法，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造的動態。

4 3D激光掃描技術在深基坑監測中的應用

4.1 監測過程

測量站主要采用強制支護結構對中裝置，以有效降低出錯的可能性。激光掃描儀可用于全面掃描，掃描得到的相關數據是具有三維坐標的點云數據，將數據信息輸入軟件并通過軟件工具進行過濾，可刪除一些多余的信息數據，有效提高了支護后續處理的效率及技術精度。將處理后的點云數據導入3D建模軟件后，可建立支撐結構的3D模型，并通過相關軟件對點云數據進行全面分析。

4.2 監測結果

經過多次觀測，通過監測設備獲得基坑支護結構的真實變形數據，并通過地理數據分析和比較，可以獲得基坑沉降位移數據，及時指導修復基坑中存在的薄弱點和危險點，避免監測人員深入基坑底進行危險作業，維持了基坑支護結構的穩定。

5 結束語

基坑監測工作是建設項目安全管理的重要組成部分，但是傳統的基坑監測不能使管理人員快速有效地識別基坑的變形。將基坑監測設備與BIM技術及3D激光掃描技術相結合，基于現有基坑監測添加信息管理，有效彌補了現有方法的不足，提高了基坑的安全性，降低了基坑施工的風險。應用3D激光掃描技術可以快速獲取相關信息和數據，實現非接觸式測量，還可以充分監控深基坑的危險區域，以確保監控人員的安全，相信未來的BIM技術及3D激光掃描技術將在深基坑等難度較大的施工中發揮更大的作用。