保利大厦基坑5D 监测中的新兴呈现(Emerging)技术

赵华英 叶红华 陈 陟 陆 扬 石云轩 卢 旦 周 智 赵 亮 孙广礼 葛 琳 梁士毅

(1.上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海 200041;2.上海现代建筑设计集团技术中心，上海 200041;3.上海现代建筑设计集团申元岩土工程有限公司，上海 200040;4.上海宇溪文化传媒有限公司，上海 200331)

1 项目概况

(1)基坑规模:B 区基坑总面积约4 850m2，基坑延长米约为450m;

(2)基坑开挖深度:本工程±0.000=+5.450(吴淞高程)，自然地坪相对标高普遍区域标高为-1.300，考虑基底垫层厚度200mm，本工程基坑挖深为6.9m。基坑西侧为滨江绿化带，且绿化带地坪标高高于坑边地坪2.65m。由于与绿化带距离较近，约为3.2m。

图1 基坑位置示意图

(3)本工程基坑开挖深度为6.9m，属于二级安全等级基坑工程;

(4)本工程基坑开挖深度为6.9m，基坑西侧防汛墙距基坑边约10m，在1 倍开挖深度范围以外，环境保护等级定为二级。基坑北侧及南侧环境保护等级按三级考虑。

2 基于BIM 的基坑5D 监测及新兴呈现技术应用的意义

《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497 -2009)强制性条文规定:开挖深度大于等于5m 或开挖深度小于5m 但现场地质情况和周围环境较复杂的基坑工程以及其他需要监测的基坑工程应实施基坑工程监测［1］。

目前虽然对软土深基坑的研究有了一定的进展，但对其变形及力学性质的的研究还不够完善，使计算模型及假定与工程实际情况存在较大偏差，导致基坑支护工程的变形估算不太准确，从而影响了工程的安全和成本。因此，在施工工程中对基坑围护结构和周边环境的监测就显得十分重要。

然而，传统的基坑安全监测数据文件均以报表配合二维曲线、图形的方式表达变形趋势，当工程师查看变形情况时不能方便地整体查阅变形情况，对基坑支护结构的变形趋势难以准确判断。

图2 基坑BIM 整体模型

鉴于以上原因我们将BIM 技术引入基坑工程监理、监测、管理等工作，以解决以往在基坑围护结构变形监测过程中不能直观表现其变形情况和变形趋势的缺点，采用5D 技术(三维模型+时间轴+变形色谱云图)方便监理人员、工程师、管理人员、业主、施工人员等判断基坑围护结构的变形情况并指导开展相关工作;采用基于BIM 的地勘模型指导监理、施工、设计人员直观准确地判断地质情况，协助处理突发情况;采用三维激光扫描施工实际成型的围护形状，用以矫正基坑当初设计的理论位置，辅助监理、监测单位判断施工误差;BIM 结合GIS(地理信息系统)指导工程场地规划、场地环境管理等，结合半透明基坑及地勘模型，能从宏观上看清基坑与黄浦江等周围环境关系及基坑与持力层、软弱下卧层之间关系;采用彩色尼龙的3D 打印技术辅助项目参与人员了解基坑基本情况;采用基于AR、VR、Google Glass 的新型呈现技术全方位展现基坑的变形监测、地质情况以及指导基坑抢险和辅助基坑项目监理、监测、管理等日常工作。提高基坑工程的监理、管理、施工等各个环节的工作效率，减少危险情况遗漏。BIM(Building Information Modeling)在建筑业的应用能较好的解决建设工程项目全寿命周期内的信息断层问题，提高建筑业信息管理效率［2］。

3 基坑5D 变形监测

传统的基坑变形监测工作方式采用数据表格、二维变形曲线、文字描述的方式编制成监测报告，项目参与方对监测结果集中进行讨论，分析变形是否过大或是否趋于稳定，及时发现问题，及时反馈并分析，并确定是否需采取必要的补救、抢救措施，使基坑不发生意外破坏和变形。每天靠人工操作，翻阅大量Excel 表页中的成千个数据，得出每个测点的本次变形值和累计变形值，判断风险临界状态。如要知道变形速率，也只能将少量敏感点一一描绘出其单点时间变形轨迹，用以分析趋势，然后加以是否报警的标注。这样做，第一耗时费力，不利于基坑变形的快速判断，第二是靠人工大数据阅读，容易疏忽漏读，第三无法通览基坑大区段块状侧向变形与受监控管线线状垂直沉降之间的三维空间关系，第四更无法直观地看到整个基坑的变形时间趋势，迅速找到危险源。

在该项目中应用BIM 技术以3D +时间+变形值色阶的5D 技术将变形监测数据导入模型，自动计算后整个基坑呈现的是彩色变形立体状态，因此立即就可以看到临界区域，和超限危险点。这种可视化基坑变形监测方法，简单、准确、快速，为监理、监测人员提供了崭新的基坑监测管理方法。

图3 围护3D 模型+时间+变形值色谱

图4 变形历史

4 基于BIM 的地勘模型应用

以地勘报告为初始数据，将二维地勘资料转换成三维地勘模型，在Revit 中与基坑结构模型合并，可以实时、任意视角查看地下室结构构件(地下连续墙、底板、桩等)与不同深度土层之间的关系，快速查看土层属性信息，指导设计、施工，辅助监理、监测人员判断桩基持力层和有效桩长，对比开挖实际情况与地勘报告的符合度，辅助验槽工作。利用该地勘模型可以直观、清晰是看到土层的分布情况，是否存在暗沟、夹层等不利的地质情况以及不利地质情况的分布位置，有利于辅助监理、设计、施工等工作的开展。通过剖面视图可以准确判断桩端持力层，同时查看对应的静力触探曲线预估沉桩阻力，辅助确定沉桩施工方案。

该地勘模型不同于以往的地质模型，将地勘模型集成到Revit 中，并赋予土层属性，使监理、设计、施工人员能在Revit 平台上进行设计、校核工作，这种集成式模型更适合民用建筑的监理、施工、设计工作的开展，提高工作效率。同时可以对地勘模型进一步开发，当修改桩长或桩径等属性时能实时输出变化后的桩承载力、桩材料用量及单桩成本，对设计阶段的桩型选取、确定桩基方案有非常重要的实用价值。

5 基坑三维激光扫描检测施工误差

由于三维激光扫描的成果可以说是建筑物真实状态的体现，依据高精度的扫描点云进行建模，生成的三维模型最大程度上接近真实，其数据格式兼容性好，易存储。可以直接用于数据存档，工程应用，展示汇报，文物复建等方面。本项目首次将三维激光扫描技术用于基坑施工误差检测，解决实际施工与设计图纸之间存在的误差问题。为实现建筑物的快速可视化三维重建，对用地面激光扫描仪获取的建筑物点云数据进行可视化处理［3］。将完工的基坑围护结构与设计模型之间进行误差比对，以矫正设计理论空间形状，检验施工质量，使理论计算更符合现场实际工况。

图5 地勘模型

图6 地勘模型2D 剖面视图

6 3D GIS 在基坑施工中的应用

GIS 是以测绘测量为基础，以数据库作为数据存储和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术［4］。它可以对空间信息进行分析和处理(简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。GIS 与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

图7 扫描模型与设计模型比对

GIS(地理信息系统)可以实现空间图形显示与空间信息查询与分析。基坑施工变形监测所牵涉到的数据类型多样，既有每日的测定变形观测数据，又有测点布置图这样的图形数据。

图8 误差检验

在该项目中在GIS 环境中植入半透明的地下基坑和地勘土层BIM 模型，形成一个整体性的“上天入地模”，真实反映项目在三维数字城市中的情况，通过地理信息系统可以看清城市环境中的黄浦江防汛墙、受控管线与本基坑的关系，同时通过为项目全过程解决方案提供了三维可视化展示、数据可实时提取、多解决方案比选等提供了强大的三维可视化数据支持，通过地理信息系统各参与方从宏观角度分析项目、协同管理施工现场。

7 3D 打印技术

因基坑内外存在灌注桩、钢支撑、连续墙、水位检测管、煤气管、通讯电缆、上水管等大量不同的构件，用单一材料、颜色的3D 打印模型，不易辨识。同时在工地开会，需要非常频繁地转动模型。采用ABC 塑料材质的模型容易翘曲，石膏模型更很快就会折断。该项目采用最新的彩色尼龙弹性3D 打印模型，对基坑侧面的重要管线(煤气、给水、信息)采用不同颜色表达，以增强识别性。采用3D 打印技术辅助工程参与人员快速、直观了解项目情况，作为项目会议讨论、决策的辅助工具。随着3D 打印技术的日趋成熟，3D 打印的成本也在逐步降低，同时3D 打印有很好的灵活性、成型快速、准确，工程师可以对项目整体进行3D 打印生成缩尺模型，也可以选择局部位置生成大比例3D 打印模型。3D打印技术势必会成为项目建设过程中必不可少的技术手段之一。

图9 BIM 模型植入3D GIS 系统

图10 基坑3D 打印模型

8 AR(Augmented Reality)技术

该项目将AR 技术应用到基坑施工建设中，用新型呈现技术辅助项目管理、建设、监理等工作，提高项目的人机互动，模拟可预见的项目真实场景，使项目参与人员对将要进行的工作内容有基于现实场景的可视化预览，提高项目参与人员对项目工作内容的理解。同时通过AR 技术可以方便地用iPhone 智能手机、iPad 等平板电脑和谷歌眼镜等便携式移动进行基坑抢险培训、基坑抢险预案展示，提供监理、管理人员在不便进入基坑内部的情况下现场对施工、监测、抢险工作进行指导。

9 VR(Virtual Reality)技术

VR 技术与AR 技术的不同之处是VR 技术不需要项目参与人员与现场真实场景进行交互，所以在地点选择上比较灵活，这个特点对远离项目现场的项目参与人员提供了一个虚拟的施工现场的环境，各参与方可以通过VR 技术进行项目交流，辅助项目参与各方在重大施工方案决策及针对施工过程中的突发情况的预处理方案进行定案与模拟，基于BIM 的寖入式VR 技术改变了决策者以图纸、想象为基础的定案方式，VR 技术提供了不限地点、共享、直观、快速的讨论项目问题的新方法，同时也是对AR 技术在项目应用上的补充。

图11 基于AR 技术的基坑变形测量作业指导

10 Google Glass 技术

在对基坑进行变形监测的同时，基坑巡视是基坑安全必不可少手段。通过巡视，可以及时、直观地观察到地表裂缝、塌陷等表象，对基坑的局部稳定性的判断起着不可替代的作用。一旦发现异常应作好记录，严密观察其变化情况，同时及时向项目部汇报。项目部接到报告后应立即作出反应，分析其原因，并根据对基坑安全的影响程度制定有效控制措施，以防止形势恶化，危及基坑的安全。

该项目采用第二代Google Glass 硬件技术，自主开发了适合土木建筑应用的APP 软件，该项目采用的佩戴式的谷歌眼镜替代了传统的手持式便携媒体设备，使项目参与人员解放双手，能同时查看BIM 模型和现场实际情况。在指导、参与现场应急抢险工作时，Google Glass 结合AR 技术提供了针对不同情况、不同位置、不同条件下处置现场情况的触发机制，可以使监测员按上海市建筑工程安全质量管理条例的规定快速观看险情，快速调取应急预案，快速按预案中的复测操作动画进行复测。经过复测证实险情后，直接按眼镜中显示的报警电话号码语音拨打报警电话进行报警，然后再按眼镜中预存的抢险操作规程的操作分解动画作为指导，第一时间协同各参与方进入抢险工作状态。

图12 VR 场景

图13 查看基坑内部情况及调阅应急预案

11 总结

BIM 模型的建立是BIM 应用的基础，BIM 模型的应用才是BIM 技术的核心，只有对建立的BIM 模型结合项目特点进行有效地应用才能使BIM 技术具有生命力，才能使BIM 技术真正的融入到项目建设的全过程中。基于BIM 的基坑5D监测及3D 地质模技术的应用使基坑建设过程的安全监测依靠可视化手段提高了基坑监测的工作效率，有效地降低了安全监测过程中的人为遗漏。同时该项目采用的AR、VR、Google Glass 等新型呈现技术和移动媒体设备使项目管理、监理、监测人员对基坑施工过程的安全监控更加有效。BIM 技术在保利大厦基坑安全监测方面的拓展应用探索了基坑安全监测的新方法，为BIM 技术在基坑工程建设全过程的应用提供了具有实用价值的参考。

［1］GB50497 -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］靳家佳.建筑信息模型在建设工程项目中的应用模式研究［J］.数字技术与应用，2012(08):218-220.

［3］陈治睿，官云兰，杨鹏，胡晶晶.基于点云数据的建筑物快速三维重建方法［J］.江西科学，2011(05):603-606.

［4］曾吉吉.浅议信息系统对工程勘察设计的重要性［J］.黑龙江科技信息，2011(20):69.

［5］陶明星.上海某基坑事故原因分析及处理方法［J］.施工技术，2007(08):15-16.

［6］过俊.BIM 在国内建筑全生命周期的典型应用［J］.建筑技艺，2011(Z1):95-99.

［7］王刚，高燕辉.BIM 时代的项目管理［J］.建筑经济，2011(S1):6-9.

［8］陈继良，张东升.BIM 相关技术在上海中心大厦的应用［J］.建筑技艺，2011(Z1):104-107.