基坑支护变形监测与可视化模型的结合应用

基坑支护变形监测与可视化模型的结合应用

高艳军 王鑫 陈子琪

天津市水利工程集团有限公司

摘要：本文研究了基坑支护变形监测与可视化模型的结合应用。通过采用BIM技术，项目在施工前期有效进行了基坑支护设计与变形预测，实现了高精度的监控与管理。文章详细介绍了基坑监测的过程，包括监测数据的实时采集、分析及其与BIM模型的集成，通过三维可视化展示基坑变形情况，提高了监测数据的解析能力和实时性。研究表明，该技术不仅提升了基坑工程安全管理的效率，也为其他复杂地下工程提供了技术参考。此外，通过案例分析，验证了BIM与监测技术结合的有效性，为工程监控提供了新的方法论。

关键词：BIM技术，基坑支护，变形监测，可视化模型，工程安全

引言：

在当前建设项目中，基坑工程的安全性一直是工程管理的重点和难点。随着建筑信息模型（BIM）技术的发展与应用，其在工程管理中的作用日益突显。特别是在基坑支护和地下工程中，BIM技术的集成应用提供了一种新的解决方案。本文围绕BIM技术与基坑变形监测的结合应用进行深入探讨，旨在通过技术融合，提升工程安全监控的实效性和预警能力。

一、基坑支护的常见问题与BIM技术的必要性

（一）基坑工程风险与挑战

基坑工程具有特殊性，其地理位置和结构特性经常使工程面临多种风险与挑战。这些工程常处于复杂的水文地质环境中，如土体不稳定、地下水位高动态变化以及不均匀的土层分布等，这些因素极易引起基坑支护结构的变形或崩塌，导致重大的安全事故。此外，基坑工程常伴随着大规模的土方开挖，容易发生滑坡或土体松动，对邻近建筑物和公共设施构成潜在威胁。

（二）传统监测方法的局限性

在传统基坑监测方法中，多依赖于人工观测和简单机械设备进行数据收集，如测斜仪、沉降板、水准仪等。这些方法虽然能够提供基本的监测数据，但存在诸多局限性。人工观测的数据更新频率低，难以实现实时监测和快速响应。数据通常需要人工处理，效率低下且易出错，这在紧急情况下可能导致延误处理，增加风险【1】。这些设备往往只能提供有限的数据类型，难以全面反映基坑的整体稳定性和潜在的复杂问题。

（三）BIM技术的集成与优势

建筑信息模型（BIM）技术的应用，为基坑工程监测提供了革新的解决方案。BIM技术能够创建精确的三维模型，将设计、施工到监测各阶段的信息进行有效集成，为工程师提供一个全面的视图和实时数据支持平台。如图1。通过实时监测系统的集成，BIM能够实现高级的数据分析和预测。例如，BIM系统可以集成土体力学模型和结构分析，预测不同工程阶段可能出现的风险区域，并在问题成为威胁之前提供预警。这种预警机制基于算法分析，能够识别微小的变化趋势，显著提高基坑工程的安全管理水平。同时，BIM的可视化功能强化了决策者对工程状态的理解和控制，优化了资源配置和风险管理，确保了基坑工程的安全、高效进行。

图1:建筑模型

二、BIM与基坑变形监测技术的集成应用

（一）传感器数据采集与实时监控

基坑变形监测系统的核心是高效的数据采集和实时监控。现场安装的多种传感器，如倾斜计、应变计和水位计，负责监测基坑的关键指标。这些传感器能够实时捕捉到基坑的位移、应力和水位等变化，并通过先进的无线通信技术将数据实时传输至监控中心。倾斜计可以测量基坑壁的倾斜角度变化，当倾斜角度超过安全阈值时，系统会立即警报。这种高频率的数据更新使得监控人员能够即时获得基坑状态，及时响应潜在的风险和变化。

（二）数据集成与模型分析

在数据集成阶段，所有实时采集的监测数据被导入到BIM模型中进行详细分析。BIM模型内置的智能算法可以与监测数据进行对比，识别出任何偏离预设参数的异常情况。BIM模型会根据实际监测到的位移数据与设计阶段的预测模型进行比较，评估结构的实际安全状况【2】。这种集成不仅提升了数据处理的效率，还增强了分析的准确性。通过实时数据与模型的对比分析，工程师能够更精确地预测基坑的行为，及时调整和优化工程方案。

（三）应对策略与决策支持

BIM技术的最大优势之一是其能够模拟和预测基坑在不同工况下的反应，为决策提供科学依据。通过BIM模型，工程师可以在虚拟环境中测试不同的支护方案，评估其对基坑稳定性的影响。这种模拟不仅包括物理参数的变化，如应力和位移，还包括不同天气条件和临近施工活动的影响。此外，基于BIM的可视化平台，项目团队可以直观地查看每一个变化的影响，从而制定出更为有效的风险管理和应急响应计划。

表1：基坑监测关键指标与安全阈值示例

表1展示了基坑监测系统在实时监控中所依赖的关键数据。通过这些数据的实时跟踪和比较，结合BIM技术的深入分析，工程团队能够确保基坑工程的稳定性，并在必要时采取有效的应对措施。

三、案例分析：BIM技术在基坑支护变形监测中的实际效果

（一）设计阶段的数据集成与优化

在华东地区的一项大型商业地下综合体工程中，BIM技术在设计阶段被引入以优化基坑支护结构。该项目地处繁华市区，周边建筑密集，地下水位较高，基坑深达20米，工程难度与风险极高。通过BIM技术，设计团队能够在虚拟环境中集成地质勘查数据和历史监测数据，对不同支护结构方案进行模拟和分析【3】。这一过程中，通过调整墙体厚度和支撑间距，成功优化了设计方案，减少了钢材等支护材料的使用量，预计节约材料成本达15%，同时降低了潜在的施工风险。

（二）施工阶段的实时监测与响应

施工过程中，BIM模型与现场安装的传感器系统进行了全面集成，形成了一个实时动态监测体系。该系统实时收集基坑墙体位移、周围建筑沉降、地下水位变化等关键数据，通过无线网络传输回监控中心并实时更新BIM模型。在工程施工的某一阶段，监测到南侧基坑墙体位移速率异常增加，系统自动触发预警。工程团队迅速响应，调整了南侧的支护结构，并加固了临近的地下水位抽排设施，有效控制了位移，避免了可能的基坑坍塌事故【4】。

（三）项目总结与效益分析

在华东地区大型商业地下综合体工程的BIM技术应用案例中，项目总结与效益分析揭示了BIM技术对工程安全与效率的显著提升。具体来看，通过实时数据监测与分析，该技术使得项目团队能够即时掌握基坑的动态变化，及时识别并响应风险，从而有效预防了基坑变形相关的安全事故。此外，BIM技术优化了资源配置，加速了决策过程，使得工程项目在保证高安全标准的同时，还成功压缩了工期，具体表现为总工期的缩短达10%。这不仅减少了工程成本，同时也提高了施工效率，展示了BIM技术在促进现代工程管理中的实际和潜在价值。这种技术的深入应用，为同类工程提供了宝贵的参考和实践经验。

结语:

本文通过分析BIM技术在基坑支护变形监测中的应用，展示了这一技术如何有效地解决传统基坑监测中存在的问题。通过实时数据集成和三维可视化模型，BIM技术不仅提高了监测的精确性和效率，还加强了项目管理的科学性和系统性。通过具体的工程案例分析，进一步验证了BIM技术在提高基坑工程安全性和管理水平方面的实际效果。此研究表明，BIM技术的应用可以为其他复杂工程的安全监控提供有力的技术支持和解决方案。

参考文献：

[1]汤妙吉,邱跃.面向大数据的政府舆情监测分析可视化模型与方案设计[J].图书情报导刊,2021,6(01):72-79.

[2]葛世超,董军,丁克良,等.三维可视化控制技术在基坑支护中的应用[J].施工技术(中英文),2022,51(10):78-81+86.

[3]李启怀,王荣邦,戴红梅.BIM技术可视化与参数化在复杂逆作深基坑工程中的应用[C]//《施工技术》杂志社,亚太建设科技信息研究院有限公司.2020年全国土木工程施工技术交流会论文集（上册）.云南建投第四建设有限公司;,2020:4.

[4]翁邦正,李元,王文渊,等.BIM技术在复杂深基坑内支撑拆除过程中的应用[J].施工技术(中英文),2021,50(18):118-121.