基于Revit二次开发的基坑工程施工监测系统设计

高秀娟

(安徽新华学院 土木与环境工程学院，合肥 230088)

基坑施工工程的地质条件具有一定的复杂性与不确定性，如果不对现场环境进行有效监测，会造成施工数据不准确，影响基坑施工安全。因此，基坑工程施工监测系统对保证基坑稳定，以及周围土体和建筑物的安全具有重要意义。

文献[1]利用传感器采集施工数据，与中央处理器建立数据交换关系，安全预警基坑施工的超警戒参数，将预警信息回传到施工现场安装的声光报警器，对基坑进行三维可视化声、光预警，在内力较大的支撑上布置监测点，其传感器通信传输时延和通信最高频率分别为0.6 s和1.5 s/次，但该方法数据报文发布信息的字数较少，施工监测值与实测值偏差较大。文献[2]埋设与支护桩同长的测斜管，保证钢支撑心轴线与安装中心点对齐，螺丝刀固定监测仪器设备，测读标志始端的传感数据，但该方法的测量数据精度较差，即施工监测值与实测值偏差较大。

针对上述问题，为了提升基坑工程施工监测结果的准确性，降低监测结果偏差，本文设计基于Revit二次开发的基坑工程施工监测系统：首先，设计出监测系统的整个硬件架构，采集监测数据，并将监测数据传输至中央处理器进行北斗信息标记，再存储至数据库以分析基坑施工情况；然后，采用由整体到局部的原则布设基坑工程的监测点，优化Revit基坑开挖模型的流程；最后，根据Revit基坑开挖模型生成空间效应曲线和时空效应曲线，模拟基坑工程监测点数值变化，实现施工监测。

1 系统设计

1.1 硬件设计

选取监测设备仪器，设计基坑工程施工监测系统结构，如图1所示。

图1 基坑工程施工监测系统结构

安装北斗卫星接收机在监测点，通过数据采集模块和视频数据采集模块，提供监测点的三维位移信息，利用北斗短报文通信技术，把监测数据传输至中央处理器，北斗短报文通信可以实现系统与用户、用户与用户之间的双向报文通信[3]。采集模块选取的仪器设备如表1所示。

表1 采集模块选取仪器设备

选取GU739FR中央处理器，对采集监测数据进行北斗信息标记，并发送数据至数据库进行存储，分析基坑工程施工情况[4]。转换标记信息数据格式，令Revit模型读取数据，传输控制指令，导出数据库内的相应数据，将分析结果传输至移动终端的显示屏[5]。令虚拟动作器与Revit模型的各元素建立关联，把模型载荷、特性、单元作为参数，在指定范围内变动参数，改变模型节点的位置和方向，对Revit模型进行缩小、分解、放大、切割，对监测数据进行自动显示[6]。

1.2 软件设计

1.2.1 优化基坑工程施工监测流程

优化Revit基坑开挖模型的开发流程，即简化工程施工监测步骤。采用由整体到局部的原则[7]，基坑工程的监测点布置和监测方式如下：1)监测支护结构位移时，沿基坑冠梁方向，依照20 m的测点间距布置监测点[8]，选取视准线小角度、几何水准2种方式，分别用于水平位移和竖向位移监测；2)调整测斜仪孔号与现场测斜孔一致，将探头缓慢放至管内的最深处，当读数仪显示数值稳定后，测量深层位移，然后调整探头方向进行反测，在相同的深度标志处，测量对应数据[9]；3)监测支撑轴力时，对轴力计安装架进行焊接，把轴力计放在安装架的钢筒内，布设多个轴力监测点[10-11]，通过振弦频率读数仪，读取钢支撑轴力的频率值；4)针对基坑周边地表沉降监测，钻孔地面至指定深度，在孔内填入钢筋，布置监测点在钻孔四周[12]；5)针对地下水位监测，埋设钢尺水位仪，通过土工布对水位管进行无缝包扎，通过清水洗孔，读取水位仪刻度在管口处的数值[13]。

在开发环境下二次开发Revit程序，将基坑工程项目信息都放在Revit族群中，Revit基坑开挖模型选取基础梁族和承台族[14]，其中基础梁族采用Revit自带的族文件，承台族则运用族样板文件进行创建。

首先编写承台族创建代码，依照承台族轮廓，定义不同参考面的点和视图，然后创建拉伸体的二维轮廓，定义拉伸长度、轮廓、工作平面，修改尺寸，对齐拉伸体各个参考面，为承台族添加参数，在参考面的固定端点处，对两端点进行连接，构成尺寸线，确定尺寸线所在的位置，获得与尺寸标注绑定在一起的参考面，为承台族添加族类型，实现Revit基坑开挖模型的构建[15]。把监测数据输入Revit基坑开挖模型，生成空间效应曲线和时空效应曲线，分别表示监测数值推进变化和时间变化，将实测曲线与绘制曲线进行对比[16]。至此完成基坑工程施工监测流程的优化。

1.2.2 模拟基坑工程监测点数值变化

根据Revit基坑开挖模型的生成曲线，模拟基坑工程监测点数值变化。监测点沉降值ΔF为：

ΔF=F1-F2。

(1)

式中：F1、F2分别为监测点的实测高程和初始高程[17]。

监测点的水平位移X、竖直位移Y为：

(2)

式中：Δx、Δy分别为X方向和Y方向的位移量；A、B分别为X方向和Y方向的累积量[18]。

计算X方向和Y方向的测点i，应变读数正测和反测的差值ζi、Ii为：

(3)

基坑围护桩体的轴线测点平面坐标(X1、Y1)为：

(4)

式中：(X0、Y0)为基准点坐标；L为轴线测点总数；U为测斜仪标距[19]。

水位高程S为：

S=S1-S2。

(5)

式中：S1、S2分别为水位工程、管口高程[20]。

支撑轴力G为：

G=Di(C2-E2)。

(6)

式中：Di为测点i的轴力标定常数；C为轴力自振频率；E为轴力初始自振频率。统计各测点监测数据，完成基坑工程监测点数值变化的模拟。

2 实验论证分析

将本系统与2组常用基坑工程施工监测系统文献[1]和文献[2]系统进行对比实验，以比较基坑工程施工的监测值与实测值偏差大小。

2.1 实验准备

工程为某市区的下穿道基坑工程，施工方式为明坑顺做，所在场地土层从上至下依次为路基垫层、黏土、粉质黏土、卵石、黏土，基坑沿线地貌单一且地势平坦，周边28 m范围内，地表存在集中分布的构筑物，引道两端为开口引道，排桩支护采用旋挖灌注桩。基坑桩号范围为CK0+462.937～CK0+598.528，总长为362.482 m，净宽为14.928 m，下穿涵洞开挖深度为12.930 m，部分基坑深度为17.920 m，基坑标准段宽度为18.700 m，排桩挡墙支护结构，共分为8段，长度为238.400 m，钢管内支撑水平间距为7.500 m，轨排井段基坑的最大宽度为25.930 m，桩长为13.000 m，基坑钻孔嵌固深度为9.000 m，监测项目的总测点数量为183个，桩间距和桩径分别为130 cm和100 cm。

2.2 实验结果

2.2.1 支护结构位移监测偏差

当基坑支护顶板浇筑完成后，在每个支护段取典型监测点，监测不同深度下的支护结构水平位移，统计监测值与实测值的偏差，测试结果如表2所示。由表2可知，支护结构顶部水平位移最大，水平位移量随着深度的增加而减小，本系统、文献[1]系统、文献[2]系统的水平位移平均监测偏差分别为0.07，0.69，0.68 mm。相比2组常用系统，本系统的监测偏差分别减小了0.62，0.61 mm。

表2 支护结构水平位移监测结果

竖向位移测试结果如表3所示。由表3可知，本系统、文献[1]系统、文献[2]系统的竖向位移平均监测偏差分别为0.10，0.57，0.66 mm。相比2组常用系统，本系统监测偏差分别减小了0.47，0.56 mm。

表3 支护结构竖向位移监测结果

2.2.2 钢支撑轴力监测偏差

基坑工程施工过程中，在钢支撑拆除前，3组系统分别监测钢支撑轴力，分析支撑轴力随时间的变化规律，不同监测周期下的轴力数据如图2所示，其监测周期为3 d。

图2 钢支撑轴力时间变化曲线

由图2可知，在第1～5周期，基坑开挖速度快，支护结构变形不断增加，钢支撑轴力也随之增加，达到最大值，第5周期后，基坑开挖结束，钢支撑轴力有所下降。

钢支撑轴力监测偏差如表4所示。

由表4可知，本系统钢支撑轴力平均监测偏差为5.64 kN，文献[1]系统和文献[2]系统监测值整体偏大，钢支撑轴力平均监测偏差分别为16.75 kN和16.47 kN，相比2组常用系统，设计系统监测偏差分别减小了11.11，10.83 kN。

表4 钢支撑轴力监测结果

2.2.3 基坑地表沉降监测偏差

当基坑工程第1层开挖完毕后，3组系统分别对地表沉降监测点进行监测，统计不同距坑边距离下的地表沉降值，地表沉降与坑边距的变化规律如图3所示。

图3 地表沉降坑边距变化曲线

由图3可知，距离基坑边缘外5 m处左右，地表沉降达到最大，沿这一位置向两边递减。

地表沉降监测偏差如表5所示。

表5 地表沉降监测结果

由表5可知，本系统、文献[1]系统、文献[2]系统的地表沉降平均监测偏差分别为0.09，0.88，0.64 mm。相比2组常用系统，本系统监测偏差分别减小了0.79，0.55 mm。

3 结语

本设计充分发挥了Revit二次开发的技术优势，减小了基坑工程施工监测值与实测值的偏差，提高了监测精度。但此次设计系统仍存在一定不足，在今后的研究中，会将基坑土体流变性、动态载荷等因素考虑在内，进一步保证系统监测结果的规律统一性。