基于BIM虚拟技术的高速公路基坑变形监测方法研究

摘要：传统基坑变形监测方法是在二维平面设计图上布设的监测点，导致监测结果的精度较低，鉴于此，对基于BIM虚拟技术的高速公路基坑变形监测方法进行研究。采集并预处理高速公路基坑的点云数据，基于BIM虚拟技术建立高速公路基坑的BIM模型，将BIM模型转换成有限元模型，对高速公路基坑变形进行数值模拟分析。实例结果表明，设计方法下高速公路基坑变形量的模拟值与实测值之间平均误差仅1.75mm，在合理范围内，证实了该方法的可行性。

关键词：BIM虚拟技术；高速公路；基坑变形；监测方法

0 引言

近年来，经过信息化技术的快速发展，各行各业均出现了日新月异的变化，尤其是在建筑领域中，信息化技术为高速公路基坑变形监测带来了全新的生机，利用有限元分析软件进行基坑变形的数值模拟，不仅可以保障基坑变形监测的安全性，而且有效提高了监测效率。但在进行高速公路基坑变形的有限元分析时，基坑模型中监测点的布置位置难以确定，一定程度上影响了监测结果的精度，为解决该问题，本文针对高速公路基坑变形监测方法展开进一步地研究。

1 基于BIM虚拟技术的高速公路基坑变形监测技术

1.1 采集并预处理高速公路基坑点云数据

在本文设计的高速公路基坑变形监测方法中，为构建基坑的BIM模型，使用三维激光扫描仪采集基坑的点云数据（point cloud data），这是监测技术实施的前提和基础。为此本章重点介绍高速公路基坑点云数据的采集与预处理方法[1]。

1.1.1 扫描距离计算

三维激光扫描仪利用激光测距原理，对高速公路基坑进行测量定位。在扫描仪工作期间，可以根据记录器记录的信息掌握脉冲激光信号往返扫描仪与被测目标点之间的距离，其表达式如下：

（1）

式（1）中：D表示三维激光扫描仪与被测基坑目标点之间的扫描距离；Vc表示光速；tc表示脉冲激光信号往返扫描仪与目标点之间的时间。

1.1.2 扫描点坐标信息计算

在式（1）的基础上进行计算，即可得到高速公路基坑各个扫描点的坐标信息，其计算公式如下：

（2）

式（2）中：（X0，Y0，Z0）表示高速公路基坑上的扫描点空间坐标信息；α表示扫描点在水平方向上的投影夹角；β表示三维激光扫描仪相对于水平方向的扫描角度。通过上述步骤，即可采集到高速公路基坑全部扫描点的点云数据。

1.1.3 扫描点的标准差计算

受三维激光扫描仪自身与外界环境等因素的影响，采集的原始点云数据质量较差，存在大量噪声。如果直接用于建模，可能会造成基坑的BIM模型与实际相差较大[2]，因此需要对采集的原始点云数据做去噪处理。

综合考虑高速公路基坑点云数据的特点，采用统计滤波去噪方法，将数据中稀疏离群噪声点去除掉，仅保留有效点云数据。假设高速公路基坑点云数据集中某个扫描点数据，与其邻域内各点数据之间的平均距离为，根据平均距离即可计算出该扫描点的标准差，其表达式如下：

（3）

式（3）中：ε表示基坑点云数据的标准差；μ表示所有点云数据与其领域内点云数据之间平均距离的均值；n表示基坑扫描点i的邻域内所有点云的数量。

1.1.4 数据滤波去噪

在进行高速公路基坑点云数据滤波去噪时，先将原始点云数据输入滤波器中，从而得到各_{MGFR7SMuK2DZOkbZYQvMrA==}扫描点的平均距离；然后根据式（3）求出扫描点标准差，以标准差的倍数来确定滤波范围。如果平均距离L— i在此范围内，说明这是有效的点云数据需要保留。如果平均距离L— i在此范围外，说明这是噪声点需要剔除。最后按照上述步骤，对采集的全部高速公路基坑点云数据进行筛选[3]，从而得到去除噪声的高质量的点云数据，用于后续基坑建模之中。

1.2 基于BIM虚拟技术的基坑变形数值模拟

BIM国内直译为建筑信息模型[4]，能够以数字化、可视化的形式呈现多维建筑的信息数据，所以被广泛应用于我国建筑领域。在传统高速公路基坑变形数值模拟中，一般构建基坑有限元模型时难以精确掌握监测点的位置，导致监测结果误差较大，所以本文结合BIM虚拟技术的可视化特点，进行高速公路基坑变形数值模拟的研究。

1.2.1 构建BIM模型

构建基坑的BIM模型，需要在高速公路基坑点云数据的基础上，采用功能全面、性能稳定的Revit软件来实现[5]：

首先，根据高速工程基坑工程的实际情况，对项目中基坑与支护构件进行标准化命名。其中支护构件的名称包含着构件的位置、类别、尺寸等数据，所以每一个构件均有着独一无二的名称。

其次，分别绘制出基坑与支护构件的BIM模型，这里主要通过Revit软件中的系统族功能创建构件模型，并将其载入到工程项目中，形成高速公路基坑工程的整体BIM模型。

最后，在高速公路基坑的BIM模型中需要设置出监测点单元模型，从而实现基坑变形监测点的三维可视化。基坑监测点单元模型主要采用水准断面监测法绘制，也就是在基坑重点地段分别设置水平位移与沉降的监测断面，并在每一个监测断面上布置多个监测点，从而形成基坑变形监测点基元模型，与基坑单元和支护单元构成完整的高速公路基坑BIM模型。

1.2.2 有限元分析

在得到高速公路基坑的BIM模型后，需要将其转换为有限元模型[6]，从而进行数值模拟分析。本文利用BIM模型生成高速公路深基坑的有限元模型时，主要采用了ANSYS（大型通用有限元分析）软件，将BIM模型导入软件中，利用ANAYS APDL命令流转化功能，实现有限元分析模型的生成。

在高速公路基坑有限元模型生成过程中，本文通过DP材料来模拟基坑土体的本构行为，其计算公式为：

（4）

式（4）中：K1表示基坑土体材料应力的第一不变量；K2表示基坑土体材料应力的第二不变量；η表示土体材料粘结力参数；φ表示土体材料内摩擦角参数。

与此同时，为建模方便，将基坑常规钢管桩或混凝土桩等支护结构的刚度，转换为一定厚度的地连墙，其表达式如下：

（5）

式（5）中：W表示基坑支护桩的净距；H表示基坑地连墙的厚度；R表示基坑支护桩的桩径。

1.2.3 确定模拟基坑开挖施工工序和内容

当完成高速公路基坑BIM模型的转化之后，通过“激活”与“钝化”施工工序，来模拟高速公路基坑施工过程，并得到变形模拟值。根据我国高速公路基坑实际施工特点，确定模拟基坑开挖施工工序和内容如表1所示。

本文主要考虑了高速公路基坑工程中支护结构，在重力场的全开挖过程中的结构变形情况，不考虑降水等因素的作用，所以本文在ANAYS有限元分析模型中，将基坑开挖的分析类型设置为应力类型，然后加载有限元模型后，即可获得高速公路基坑变形监测模拟数据。

2 实例分析

为了验证本文所设计的基于BIM虚拟技术的高速公路基坑变形监测方法的实用性，将其应用于工程实例。将BIM虚拟技术所得基坑变形模拟数值，与实际监测数据进行对比，从而及时反馈设计方法应用效果。

2.1 测点布设

本文以高速公路工程一标段为例开展基坑变形监测。在进行高速公路基坑施工时，基坑设计深度为8.5m，基坑长度在20～24m之间，沿着高速公路基坑坡顶的周边均匀设置了26个监测点，分别命名标记为A1～A26，各监测点之间的间距为25m。

在该基坑施工期间，每天到施工现场实时观测土体的水平位移与沉降数据。施工过程中，对基坑边坡坡顶土体的变形情况进行实时监测。基坑边坡坡顶土体变形监测点平面布置如图1所示。

2.2 监测结果分析

2.2.1 监测参数选取

先建立高速公路基坑的BIM模型，再将其转化为有限元分析模型，展开基坑变形的数值模拟，确保模型上的各监测点与实际监测点编号一致、互相对应。为方便对比，本章从26个基坑变形监测点中选取A3、A10、A16、A23这4个具有代表性的监测点，然后分别获取6道施工工序下，这4个监测点处基坑边坡坡顶土体水平位移、沉降模拟值与实际监测值，然后进行对比。

2.2.2 监测结果分析

基坑坡顶水平位移模拟值与实测值对比结果如图2所示。基坑坡顶沉降模拟值与实测值对比结果如图3所示。从图2、图3可以看出，随着基坑开挖深度的不断增加，边坡坡顶土体的变形情况越来越严重，且在这6道工序下，土体水平位移与沉降的模拟值和实测值趋势一致。

将每一个监测点下的基坑变形模拟值与实测值分别进行对比可知，在工序6也就是高速公路基坑开挖与支护的最后一道工序中，基坑边坡坡顶土体形变达到最大值，其中基坑边坡土体最大水平位移的模拟值与实测值均出现在监测点A10，分别为18.1mm、19.9mm，绝对误差为1.8mm。基坑边坡土体最大沉降量的模拟值与实测值均出现在监测点A16，分别为22.5mm、24.2mm，绝对误差为1.7mm。

由此可以说明，在高速公路基坑工程中，本文设计方法不仅可以有效监测基坑变形情况，而且监测值与实际值之间的平均相对误差仅为1.75mm，在合理范围内。

3 结束语

基坑工程具有施工技术多、风险程度高等特点，为避免工程事故，本文研究一种高速公路基坑变形监测方法。首先利用三维激光扫描技术获取了基坑的点云数据，然后通过BIM虚拟技术对基坑变形进行了数值模拟分析，并依托实际项目对设计方法的有效性与正确性进行了验证。虽然本文已经取得一定研究成果，但基坑变形的模拟值仍小于实际值，这主要是因为利用BIM虚拟技术进行数值模拟分析时，对实际工程进行了简化，很多外界因素没有考虑进来，所以未来需对设计方法进行完善，进一步提升高速公路基坑变形的监测精度。

参考文献

[1] 乔丽平，李韵迪，杨超.填海区临地铁超大直径圆环撑基坑变形控制及监测分析[J].科学技术与工程，2022，22（7）：2838-2847.

[2] 宋健，李鸿盛，胡风明，等.砂泥岩互层区超深锚碇基坑施工技术与变形监测[J].施工技术，2021，50（7）：26-30.

[3] 黄莺，方中义，李学聪，等.上软下硬地层深基坑结构变形监测及分析[J].中国安全生产科学技术，2022，18（9）：203-209.

[4] 张增胜，王军，乔小雨，等.地铁基坑地下连续墙变形监测及数值模拟分析[J].建筑结构，2022，52（S2）：2459-2464.

[5] 贾瑞红，梁玉霞，孟秋燕，等.基于Usher模型的基坑围护结构受力变形监测仿真[J].计算机仿真，2022，39（12）：249-252+274.

[6] 芮勇勤，于晓莎.地铁站间临近联络线基坑施工过程变形力学特性数值模拟[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2022，38（1）：33-41.