1 基坑工程监测

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。《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)[1]规定：开挖深度超过5 m、或开挖深度未超过5 m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工程监测。

1.1 监测基本要求

基坑工程的现场监测应采用仪器监测与巡视检查相结合的方法。监测工作一般应从基坑工程施工前开始，直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[2]。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。

1.2 实施流程

基坑监测的一般实施流程如图1所示。传统的基坑监测[3]在实施方面存在一些可以改进的地方：①现场监测大多处于“测点埋设—数据监测—数据简单处理—报表(报告)提交”的模式，面对复杂情况和大量监测信息，未形成规范化的监控管理体系。②数据处理及监测日报等多由人工完成，且源数据、报表、日志等多以word或excel形式保存，不利于数据查询及变化规律的总结分析，导致处理效率低、反馈不及时，影响辅助决策。③监测多以报表配合曲线、图形的方式针对某个测点展示其变形趋势，不能方便地查阅整体变形情况，难以综合其他测试信息预判发展趋势及指导下一步施工。④施工过程中一旦出现超出预警值的情况，若不能直观掌控危险发生位置、周边环境及历史监测数据变化情况，不利于应急方案的有效实施。

伴随移动互联网、物联网、云计算、BIM等信息技术[4-5]的快速发展，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。

2 基于BIM技术的基坑监测管理系统

2.1 流程架构(见图2)

图2 基于BIM技术的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。

2.2 工程概况

铁科院科研业务用房包括1#,2#,3#楼。其中1#,2#楼地下室3层连成一体，基坑长174.10 m，宽57.60 m，深约14.50 m，安全等级为Ⅰ～Ⅱ级。3#楼地下2层，基坑长45.30 m，宽20.40 m，基坑深度10.70 m，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(含电力、热力、通信、给排水管线)。周边有多幢办公楼、精密检测实验室及市域繁忙道路。环境复杂，基坑开挖的稳定性和安全性对周边环境影响大。

2.3 系统研发

1)数据库设计。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。其中测点信息见表1。通过测点编号关联查询，进而实现监测数据的综合应用。

表1 测点信息

字段名称数据类型字段描述主键long项目编号nvarchar(10)基坑项目编号监测类型nvarchar(20)具体监测的类型测点编号nvarchar(10)每个测点的唯一编号测点X坐标decimal(10,4)每个测点在三维模型局部坐标系下的X坐标测点Y坐标decimal(10,4)每个测点在三维模型局部坐标系下的Y坐标测点Z坐标decimal(10,4)每个测点在三维模型局部坐标系下的Z坐标初始值decimal(10,4)每个测点的初始值监测日期datetime每个测点的监测日期控制值decimal(10,4)每种监测类型的控制值累计变化量报警值decimal(10,4)每种监测类型的累计变化量报警值变化速率报警值decimal(10,4)每种监测类型的变化速率报警值基坑支护等级nvarchar(5)不同剖面的基坑支护等级

2)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。院科研业务用房1#,2#基坑桩锚支护结构BIM模型如图3所示。

图3 院科研业务用房1#,2#基坑桩锚支护结构BIM模型

3)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。

4)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。

综上，基于BIM技术的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6大部分。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。

2.4 系统应用

1)基础信息。该模块包括项目简介、项目公告(如图4)、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。

图5 院科研业务用房3#基坑支护及周边环境

2)可视化管理。对基坑支护结构模型(如图5)、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。

3)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)。

图6 监测数据的展示及分析

图7 巡视APP界面及基于微信的消息推送(测试)

3 BIM深化应用探讨

本系统的研发目前立足于基坑监测，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，可以开展以下方面的探索：

1)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。

2)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。

3)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。该处理方法具有广泛适用性，但也存在一定的有效度，未必能真正反映复杂基坑的整体状态。因此，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，为准确决策提供针对性的依据。

4)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。这就要求测试设备具有采集数据快、全天候工作的能力。因此，自动采集设备将会是一个发展趋势，这将大大促进测试的自动化、流程化。

4 结语

结合铁科院科研业务用房基坑监测的应用需求，设计了基于BIM技术的基坑监测流程架构，研发了基于BIM技术的基坑监测管理系统，实现了以下价值点：

1)模型可视化。基坑护坡桩、锚杆、钢腰梁、桩间支护、冠梁等支护结构的三维可视化；周边建筑、管线、道路等空间位置的可视化。

2)监测可视化。测点位置、监测类型、报警状态的直观化；监测结果、采集时间、累计变化量、变化速率的形象化(数据列表+时程曲线)。

3)设计属性信息化。基坑支护结构BIM模型与设计属性(几何尺寸、材质、规格类型以及设计图纸)的关联。

4)基坑监测信息化。日常巡视、当日报表的信息化录入及自动生成。

5)管理升级化。无纸化办公，通过系统可随时查看基坑的监测情况；基于微信的项目公告、报警消息的及时推送，方便管理人员及时掌控监控动态。

基于BIM的基坑监测信息管理系统实现了监测业务手段和管理模式的升级，未来不同参与方的协同工作机制形成后，预计将会有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50497—2009 建筑基坑工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]刘俊岩.建筑基坑工程监测技术规范实施手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]李世群.基坑监测系统的研究与实现[D].成都:电子科技大学，2011.

[4]闫志刚.沪通长江大桥BIM管理系统研发与应用[J].铁道建筑，2016,56(3):8-12.

[5]刘一鸣,刘国楠,顾问天.BIM可视化技术在基坑设计中的应用[J].铁道建筑，2016,56(6):125-128.