基于BIM的基坑工程监测施工工法

以银川市妇幼保健院新建产科大楼及配套地下停车场项目为例，基坑及支护结构监测报警值如表5.2.3-3、表5.2.3-4所示。基坑及支护结构监测报警值表5.2.3-3序号监测内容安全值(累计值)报警值（累计值）变化速率（mm/d）1围护墙顶部水平位移<±25mm≥±25mm2mm/d2围护墙顶部竖向位移<±10≥±10mm2mm/d3基坑周边地表竖向位移<±30mm≥±30mm3mm/d建筑基坑工程周边环境监测报警值表5.2.3-4序号监测内容安全值(累计值)报警值（累计值）变化速率（mm/d）1临近建筑位移<±60mm≥±60mm±3mm/d2地下水位变化<±1000mm≥±1000mm--≥±500mm/d前期准备模型中监测点布置根据自监测方案，在Revit模型中对应布置监测点。Navisworks工作集建立借助Navisworks作为平台软件。将基坑模型链接进Navisworks中已创建好的工作集里。当基坑模型中的各监测点族中的“监测值”数据重新输入后。Navisworks软件会提醒更新模型状态。每次在Revit中输入新监测值后，应在Navisworks软件中对应更新。为保证施工模拟与工程进度的一致，利用BIM系列软件中的Navisworks软件在3D模型数据模拟过程中插入时间轴，利用MicrosoftProject软件编制的进度计划导入工作集的时间轴，达到3D加进度计划的4D模拟效果。通过时间轴和不同施工段的模型状态的搭接完成监测数据的实时动态展示。根据工况建立基础曲线回归模型根据过往经验及查阅相关资料，通过对类似工况下数据的多种回归曲线的试拟合计算。基坑常见可选基础曲线回归模型有：指数函数、幂函数、线性回归模型等。设备、仪器、元件验收和监测点的保护监测开始前，应进行设备、仪器、元件验收。确定其满足以下要求：1）用于检验的仪器设备经国家标准计量单位检定合格，其参数在有效的使用期内。2）用于观测的二次直读式仪表按规范要求定期检验(校准)，并达到有关技术规范或厂说明书规定的要求。更换仪表前，先检验是否有互换性。3）监测仪器检验报告向监理提供，审核。监测点设置完成后，应进行定期检查，并清理周围杂物。做好清晰的标识和可靠的保护措施。监测测量仪器测量围护结构位移监测监测部位监测部位：冠梁顶部。监测方法水平位移采用平面导线测量，通过测量距离、方位角等参数，求出各点位的坐标，平差后计算得到水平位移值。竖向位移采用几何水准法。在基坑开挖前采集坐标点初始值，开挖全过程进行跟踪监测。各监测点与基准点应组成闭合环路。基准点布置方法与量测示意图如图5.2.6-1所示。图5.2.6-1水平位移测试点布置方法与量测示意图监测点的保护与维护用红漆喷射醒目编号。取土作业时，在测点上面用大小在0.1m2铁片盖至上面。挖机出土时清理在监测点上的泥土，作业队伍用人工进行清理。定期进行检查，标芯是否晃动，点号是否清晰，与观测点是否通视。沉降观测监测部位监测部位：根据《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009，布置在建筑物外侧桩体上。监测方法沉降观测工作采用精密几何水准测量方法进行，监测点每次测设的高程减前次高程的差值为当次沉降量。观测过程中，各项偏差控制及内业数据处理均按照国家《建筑物变形测量规范》JGJ8-2016中各项规定执行。监测点的保护与维护用红漆喷射醒目编号。定期进行检查，标芯是否晃动，点号是否清晰，并清理堵在下面、上面的泥土，石头。坑内、外水位监测监测部位监测部位：基坑内水位、基坑外水位监测方法利用观察备用井作为水位监测井，监测点可根据现场实际情况报监理确认后局部调整。在基坑开始降水前，连续观测水位并取得稳定初始值。通过水准测量测出孔口标高，再利用钢尺水位计测量地下水位初始值。利用各次测量值求差计算水位升降数值。监测点的保护与维护将水位管埋设低于地面约15cm，并在低于管盖下1cm用水泥密实。用红漆在窖井围栏上喷射醒目标识。定期进行检查，井口是否被压扁，点号是否清晰。并对点位进行清理。巡视监测巡视检查的检查方法以目测为主，可辅以锤、钎、量尺、放大镜等工器具以及摄像、摄影等设备进行；巡视检查应对自然条件、支护结构、施工工况、周边环境、监测设施等的检查情况进行详细记录；如发现异常，应及时通知委托方及相关单位；巡视检查记录应及时整理，并与仪器监测数据综合分析。数据处理、分析与信息反馈数据的提取在Revit软件中生成监测点族的监测值明细表（如图5.2.7-1），并将明细表导入至Excel中。图5.2.7-1监测值明细表导出至Excel回归曲线模型的建立回归曲线模型主要是利用数学模型回归法建立。数学模型回归分析法主要分为以下几步。根据提取的数据，使用Ecxcel软件绘制散点图。根据以往经验，原则对应工况及基坑种类下，变形数值曲线形式的基础数学模型（初等函数）。（Excel表格内选择）生成拟合回归曲线函数，计算回归曲线相关系数R2（0＜R2＜1）。根据过往经验，10个点以内相关系数大于0.5表示回归精度可信。如果R2＜0.5，调查现场工况。记录存档，重新拟合。以银川市妇幼保健新建产科大楼及配套地下停车场项目位移监测点W7为例说明回归曲线模型的建立步骤。表5.2.7-1为W7测点的冠梁顶部竖向位移变形测量结果：W7测点的冠梁顶部竖向位移变形测量结果记录表表5.2.7-1时间t（天）顶部竖向位移（mm）时间t（天）顶部竖向位移（mm）00330.2093.20410.30170.20490.10250.30580.30以时间为X轴，桩顶竖向位移为Y轴绘制的W7测点冠梁顶竖向位移-时间曲线如图5.2.7-2所示。图5.2.7-2W7测点冠梁顶竖向位移-时间曲线图根据过往经验及查阅相关资料，通过对类似工况下数据的多种回归曲线的试拟合计算，得出表5.2.7-1的位移变形为幂函数模型，其位移回归模型为：（5.2.7-1）式中u—时间t时的累计位移量；a、b—待求的系数。对（5.2.7-1）式两边取对数，得：（5.2.7-2）令（5.2.7-2）式中的,，得:（5.2.7-3）分析预测利用MicrosoftExcel的强大计算功能进行线性回归计算。将观测数据录入Excel表格，利用Excel表格的数据变化曲线分析功能，根据观测数据分别求取回归曲线模型公式中的系数。一般工程中施工方自测的监测数据分析曲线包括沉降量-时间分析曲线，水平位移-时间分析曲线，降水水位-时间分析曲线等。以银川市妇幼保健院新建产科大楼及配套地下停车场项目为例，W7测点冠梁顶竖向位移-时间回归模型（5.2.7-3）中的系数的求取过程如下：针对Revit导出到Excel的数据，利用Excel的计算功能对公式3中的x,y值进行计算。计算如下表5.2.8-1所示。W7测点冠梁顶竖向位移数据计算表表5.2.8-1时间t（天）顶部竖向位移u（mm)x=lnty=lnu00.00//93.2021.1632170.203-1.6094250.303-1.2040330.203-1.6094410.304-1.2040490.104-2.3026580.304-1.2040选择x,y值数据区域，插入x、y散点图。选择散点图中任意一点，选择添加趋势线，选择“线性”。得出如图5.2.8-1所示的线性回归图。及回归方程y=-1.2365x+2.9967,相关系数R2=0.5516。从而得出a=20.02,b=-1.2365带入到式（5.2.7-1）得（5.2.8-1）图5.2.8-1x、y线性回归图按（5.2.8-1）回归曲线方程理论计算所得位移值与检测位移值进行对比见图5.2.8-2。从图中可看出两条曲线拟合程度较好。图5.2.8-2实测位移值曲线与曲线模型计算值对比图幂函数的回归相关系数（R2）的绝对值超过0.5，表明其回归精度可信，故选用该方程代表冠梁顶位移情况是合理可行的。提交自监测结果和报告基本要求每开挖一层土方后均要提供本次开挖与基坑监测的阶段性报告；土方开挖与基坑支护完成后提交整个土方开挖与基坑支护的阶段性监测报告；恶劣天气后要提交阶段性监测报告；回填土后要提交完整的基坑监测总结报告。当日报表当日报表应包括下列内容：当日的天气情况和施工现场的工况；仪器监测项目各监测点的本次测试值、单次变化值、变化速率以及累计值等；对监测项目应有正常或异常的判断性结论；当日采集数据当天处理完成，于第二日报送项目技术负责人及其他相关部门负责人传阅，若出现局部监测变化量较大（及时未达到预警值）需立即电话告知项目技术负责人。安全报警为配合土建施工，确保基坑和周边环境安全，在基坑施工过程中随着基坑开挖深度逐渐加大、基坑暴露时间加长，影响基坑变形的因素增多，基坑安全可能会出现一些异常，为了能更客观、及时反应基坑的安全情况，指导基坑应急处理，应制定应急方案。监测报警流程主要分为下达报警指令、报警指令响应两部分两部分。详见安全技术控制。监测项目资料的汇总项目工作完成后，现场技术人员应编制详细的完整的基坑监测总结报告。用于验证原设计方案或局部调整施工参数、积累数据、总结经验、改进和提高原设计水平。通过统一规划和系统收集，建立地区性的数据网络和成果汇集，提高工程施工水平。材料与设备序号设备名称精度型号备注1全站仪±2mm+2ppm/±2″围护结构位移观测2电子经纬仪2″围护结构位移观测3水准仪及配套塔尺S1沉降监测4潜水泵S50-32-200型水位观测井施工5钢尺水位计XBHV-11水位监测6冲击钻Φ16mm布设监测点7BIM移动工作站i7以上处理器，8G以上内存，2G以上独显。动态模拟基站8照相机现场照片采集质量控制7.1.每次观测前按技术要求对仪器进行检查和校正，观测过程固定人员，测量仪器和测量路线制定要求，以保证观测结果精准。各项偏差控制及内业数据处理均按照国家《建筑变形测量规范》JGJ8-2016中各项规定执行。7.2监测期内每天应由专人进行巡视检查，由于支护结构的施工质量、施工条件的改变、基坑边堆载的变化、施工用水不适当排放、管道渗漏以及气候条件的改变，还有工程隐患如地面裂缝、支护结构的失稳、临近建筑物裂缝等都可在巡检工作中及时发现。7.3根据各个监测项的实际需要及时的将采集到的数据录入，如果测量数据有疑问，应及时复测。监测数据记录应使用正式的监测记录表格，任何原始记录不得涂改、伪造和转抄，监测记录应有相应的工况描述，监测记录和监测技术成果均应有责任人签字。当监测数据达到监测报警值时或结构变形过大或场地情况变化时应增加监测频率，有事故征兆时则需连续监测，并及时提交监测报告。由设计、施工及监测等单位进行会诊，对可能出现的各种情况做出估计和决策，并采取有效措施，不断完善与优化下一步的设计与施工。7.4.做出监测结果过程曲线，及时反馈给项目负责人，发现异常现象要及时汇报。当监测数据达到监测报警值时，要立即组织有关人员分析原因、研究对策，必要时采取果断措施，以防发生意外。形成“现场监测——信息反馈——方案修正——监测验证”的工作流程。7.5.为保证模型精度，在模型投入使用前应进行BIM审图。通过二次复审，专业间互审及时发现模型偏差并调整。7.6现场安排专职BIM技术员，及时根据现场情况调整工程进度。确保模拟画面的时效性，和数据分析的准确性。安全技术措施8.1监测当日作业完毕，要及时清理现场，并检查施工用器具，以免不必要的安全事故发生。8.2现场各岗位人员必须在现场，尤其是安全员随时巡视，做好一切应急措施，及时发现隐患，避免事故的发生。8.3配合管井班组做好降排水和边坡的防护，防止土方坍塌。装车时严禁装得过满，避免沿途抛洒。8.4项目部成立警报应急救援指挥系统，由技术部门牵头对基坑监测数据进行科学处理、分析、对比，建立监测报警等级（可参考下表8.0.4-1）监测报警等级表表8.4-1序号报警等级基坑状态监测指标1黄色预警临界危险指标满足1项1．某一项监测数据达到最大安全值；2．某一项监测数据变化速率达到预警变化速率。2橙色报警局部危险指标满足2项1．某一项监测数据大于最大安全值小于危险值；2．某一项监测数据变化速率达到预警变化速率。3红色报警危险指标满足2项1．某一项监测数据达到或大于危险值；2．某一项监测数据变化速率大于预警变化速率。黄色预警：表示某项基坑监测指标已达到方案确定的最大安全值，基坑某一部位已处于临界危险状态，需各方引起重视，监测工作将增加监测频次。预警解除：监测数据变化速率减小趋于收敛稳定状态。橙色预警：表示某项基坑监测指标已大于方案确定的最大安全值且监测数据变化速率达到预警变化速率，基坑某一部位已接近危险状态，各方要足够重视，采取必要措施，监测工作将增加监测频次直至监测数据变化速率小于预警变化速率。预警解除：施工处理措施实施完成，监测数据变化速率减小趋于收敛稳定状态。红色预警：表示某项基坑监测指标已达到方案确定的危险值且监测数据变化速率大于预警变化速率，基坑某一部位已处于危险状态，各方采取应急措施，监测工作将增加监测频次直至监测数据变化速率小于预警变化速率。预警解除：施工应急措施实施完成，监测数据变化速率减小趋于收敛稳定状态。同时根据基坑报警等级，确定应急措施，并向上级或有关部门报告，事后组织分析事故原因和调查处理。具体措施如下：加强巡视基坑工程整个施工期内，每天均应有现场当值人员进行巡视检查，如遇强降雨等恶劣天气和基坑出现险情等非常时期时，应加大巡视次数，及时掌握基坑现场信息。巡视检查的检查方法以目测为主，可辅以锤、钎、量尺、放大镜等工器具以及摄像、摄影等设备进行；巡视检查应对自然条件、支护结构、施工工况、周边环境、监测设施等的检查情况，如有异常进行详细记录。加密监测频率遇到紧急、可能有危险情况（大雨、有危险事故征兆）时加密观测。当危险情况（坑内严重的涌沙、冒水、结构严重变形）发生时，跟踪监测，直到险情排除。参加作业人员必须严格执行安全操作规程和技术要求，服从指挥，集中精力，认真操作。环保措施环境保护主要是对周边地表沉降及地下管线的重点保护，和对周边建筑沉降进行重点保护。将从以下两个方面进行控制和保护：基坑开挖方面对施工期间的固体废弃物应分类定点堆放，分类处理。施工期间产生的废钢材、木材，塑料等固体废料应予回收利用。对基坑内的水位观察井、钻探取样孔等必须用粘土等低透水材料回填防止造成涌水或流砂。周围环境的保护措施基坑监测过程发出警报时应查明其确切原因对基坑、相邻建筑物、道路及地下管线造成的危害程度以便采取有效措施进行抢救处理。基坑监测过程发出警报时应及时迅速组织抢救避免丧失抢救时机酿成更严重后果。警报处理后应在警报发生部位及相邻部位增加监测点加强监测及时进行预报工作严防事故再度发生。并应抓紧进行诱发事故原因的整治工作彻底清除事故隐患。工程桩或地下结构损坏时应根据损坏状况和其重要程度采取有效加固方法进行处理恢复正常使用功能。基坑监测要求要根据周围环境的重要性相应调整。特殊情况下的控制要求如下：基坑周边地面沉降不得影响相邻建筑物、构筑物的正常使用或差异沉降允许值基坑周边土体变位不得影响相邻各类管线的正常使用或变形曲率允许值当有共同沟、合流污水管道等重要设施存在时土体位移不得造成结构开裂发生渗漏。效益分析经济效益：采用BIM4D模拟的基坑监测方法，相比较传统测量的检测方式，将测量数据准确无误的反应到软件当中，软件自动分析基坑位移值，不用项目部技术人员对位移变化对比分析，从而大大节约了人工。本工法的应用主要为促进基坑工程施工期间的安全管理水平，应用本工法可有效减少生产事故及工伤事故，降低因此可能产生的经济损失。预防不安全状态的出现。应用本工法，由于其操作便捷，管理人员经简单培训即可实施。相较完全委托第三方成本较低，具体成本比较如下表10.1-1。施工方自测与施工方委托第三方监测费用比较表10.1-1方法类别委托第三方监测使用本工法单价单位：元/（次·点位）2400工程量单位：个5252设备购置费015000合计（单位：元）（施工周期3个月时，本工法的使用有利于项目产生良好的经济效益。通过这种有效的安全管理，为经济效益的获得提供了前提和保障，保证了正常的生产秩序。报警等级与可能存在事故及事故处理方法的经济指标如下表10.1-2。基坑工程施工过程报警等级及事故处理经济指标表10.1-2序号报警等级基坑状态经济损失/事故处理办法费用1黄色预警临界危险施工进度延缓加大监控频率忽略不计2橙色报警局部危险1.基坑支护结构局部失效支护结构加固按加固方式及市场价确定2.支护结构构件裂缝或轻微破坏支护结构加固按加固方式及市场价确定3.基底土失稳，局部隆起基底加固：采取压力注浆、搅拌桩、旋喷桩等方法加固按加固方式及市场价确定3红色报警危险1.支护结构整体失稳1.卸载法：挖除支护结构后部分土体（周围场地条件允许下可采用）；2.支挡法：加设支挡结构；3.注浆法：保护性加固，减小主动土压力按加固方式及市场价确定2.支护结构断裂破坏1.卸载法：挖除支护结构后部分土体（周围场地条件允许下可采用）；2.支挡法：加设支挡结构；3.注浆法：保护性加固，减小主动土压力按加固方式及市场价确定3.基坑周围产生较大沉降，周围建筑物、地下管线、道路的破坏1.设立隔断墙；2.卸载法：挖除支护结构后部分土体（周围场地条件允许下可采用）；3.支挡法：加设支挡结构；按加固方式及市场价确定周围环境赔偿费4.基坑底部隆起变形1.注浆法在土体内灌浆，处理基坑漏水、基坑底部流沙、基底隆起；2.降水法3.坑底加固法按加固方式及市场价确定5.流沙、管涌等1.注浆法在土体内灌浆，处理基坑漏水、基坑底部流沙、基底隆起;2.降水法3.坑底加固法按加固方式及市场价确定使用本工法可有效提早发现基坑危险状态，避免事故的发生。经济效益明显。社会效益：相较传统的基坑监测方式，采用基于BIM模型的动态模拟可以直观反应基坑的变形危险程度，方便施工现场快速定位危险源。有效预先消除了由于风险发展可能造成的工程冲突。缩短工期，优化施工，避免重大安全事故发生。延展了BIM技术在深基坑工程中的应用，通过4D演示，按顺序预先推演建造过程。通过计算机的动态模拟，推动施工的智能监控和信息化管理，提高数据资源利用水平和信息服务能力。增强企业信誉和核心竞争力。推广了新工艺、新技术在建筑业的发展，更有利于城市的环境保护。对深基坑的信息化监测，能够使施工现场的管理有效性增强，有利于施工现场周边环境在基坑施工阶段的保护。应用实例实例1：银川市妇幼保健院新建产科大楼工程及配套地下停车场项目位于银川市金凤区经一路南侧，经二路北侧，通达北街以东，满城