CN113776593A - 基于物联网+与bim三维建模的深大基坑智能监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，属于深大基坑施工技术领域。本系统包括：检测子系统、数据传输子系统和数据汇总处理子系统，检测子系统用于检测基坑测斜、轴力、位移、水位和邻近建筑倾斜的数据信息并输出；数据传输子系统用于将检测子系统的数据信息传输给数据汇总处理子系统；数据汇总处理子系统用于对接收的数据信息自动保存与解析，并输出监测报表、自动发送预警信息。本系统时效性好、效率高、成本低且使用方便，实用性好。
Description
技术领域
本发明属于深大基坑施工技术领域，特别涉及一种基于物联网 +与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统。
背景技术
基坑工程是建筑项目中耗时最长、成本最高和危险系数最大的分项工程之一。据统计，2019年全国市政工程发生安全事故773 起、死亡904人，其中基坑工程相关事故占比超过70％，安全形势依旧十分严峻。为此，住建部发文特别强调将土方、基坑坍塌设定为重点防控对象。基坑施工十分复杂，存在众多未知隐患因素，很难做到本质安全，除在设计阶段的谨慎论证和施工阶段的科学管理外，及时的掌握基坑的变形监测数据，制定有效的应对方案，成为避免基坑安全生产事故的关键措施。
随着物联网技术的发展，基坑自动化监测成为了必然的发展趋势。Ruiz等和Timmons等研发了一种低功耗、低数据速率的双向无线通信技术，并将其应用于深大基坑的现场监测。王鹏等通过建立多种传感器融合的自动化监测系统初步实现了基坑变形的动态监测，赵尘衍等开发出地铁基坑自动化变形监测系统，实现了对多个监测项目的数据实时采集、传输、处理。姬方和张冬晓建立了具有一定预警功能的基坑监测信息管理系统。基坑自动化监测方法实现了对基坑变形的实时动态监测，解决了现有人工监测方法工作量大、反馈速度慢、应对突发工况能力差等缺点，但目前国内该技术仍处于起步阶段，仍有以下几个关键难题有待解决：1尚未建立起完善的基坑自动化监测系统，部分关键自动化监测设备仍有待研发； 2尚未建立起智能化的数据管理系统，数据分析和监测预警主要依靠人工进行，未能充分发挥监测数据的时效性；3监测数据利用率低，主要用于制作报表，未能应用于BIM三维可视化建模，不利于直观的掌握基坑的施工进程与变形信息。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，以实现对基坑变形数据的实时动态监测和智能预警。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种基于物联网+ 与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，包括：检测子系统、数据传输子系统和数据汇总处理子系统，所述检测子系统用于检测所述基坑测斜、轴力、位移、水位和邻近建筑倾斜的数据信息并输出；所述数据传输子系统用于将检测子系统的数据信息传输给所述数据汇总处理子系统；所述数据汇总处理子系统用于对接收的数据信息自动保存与解析，并输出监测报表、自动发送预警信息。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述检测子系统包括用于测量基坑围护结构或周围土体深部水平向位移的基坑测斜模块、用于测量基础、桩、支撑、梁等的长期应变的轴力监测模块、用于测量监测点的横向位移与竖向沉降参数的位移检测模块、用于测量液位高度的水位检测模块和用于测量邻近建筑物水平倾角数值的邻近建筑物倾斜模块。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述轴力检测模块采用埋入式或贴片式振弦应变计，所述轴力检测模块内置有温度传感器；所述位移检测模块为二维面阵激光位移计。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述检测子系统还包括降水模块，所述降水模块包括液位传感器和物联网通信控制器，用于控制基坑内水泵的运行以及实时传输水位数据。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述数据传输子系统包括无线自组网的ZigBee模块和/或 5G通讯模块，所述ZigBee模块用于将检测子系统采集的数据信息通过无线通信方式发往数据汇总处理子系统，所述5G通讯模块用于将检测子系统采集的数据信息实时传输至数据汇总处理子系统。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述数据汇总处理子系统包括能够进行交互的用户端和云端智能计算与服务平台，所述云端智能计算与服务平台中预存储有建立好的BIM模型，所述云端智能计算与服务平台接收检测子系统发送的数据信息并导入所述BIM模型，将其与基坑相应部位、测点相关联，利用BIM三维建模技术，自动建立基坑不同时段的变形模型与云图，向所述用户端输出可视化结果；且所述云端智能计算与服务平台基于大数据进行安全分析与预警，根据每个测点的允许变形阈值和变化速率阈值，分析评定其安全等级并及时反馈信息。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述反馈信息包括：若变形值和变化速率值超过阈值，则在模型和云图上红色高亮显示，并报警提醒；若预测此处有较大风险，则黄色高亮显示；若正常则绿色显示
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述用户端能够从所述云端智能计算与服务平台上执行标准化监测数据下载、一键导出生成施工报表，实现监测工况3D模型输入和一键导出。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述云端智能计算与服务平台接受客户端请求后执行以下独立运算：用户端根据标准化监测数据、工况BIM模型、基坑变形演化趋势，向云端智能计算与服务平台请求提供科学的施工建议，云端智能计算与服务平台收到请求及时反馈指导；应对突发工况，云端智能计算与服务平台及时发送和接收预警信息，制定应急措施，远程操控部分关键控制设备。
在上述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统中，所述用户端包括PC端和手机端，所述云端智能计算与服务平台连接有数据库。
与现有技术相比，本基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统具有以下优点：
1、解决了传统基坑监测方法时效性差、效率低、成本高等问题。
2、高精度、微功耗、智能化监测数据自动采集与无线传输系统，搭建云端智能计算与服务平台，利用BIM三维建模手段，多角度、多维度的反映施工进程与基坑变形情况，提高监测数据的可读性与时效性。
3、国产化的基坑自动化监测仪器产业链，主要涉及机械加工制造、自动化控制、电子技术、无线通讯、工程监测等行业。
4、数字化智能建造产业链，推动BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能和5G等技术在建造过程中的集成与创新应用。
5、采用物联网+与BIM相结合的基坑智慧监测系统，可大幅降低监测成本，布置更多的监测点，有效的保证施工质量与人员安全，打造更多优质工程，显著提升企业的行业竞争力。
附图说明
图1是实施例的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统的示意图。
图2是实施例的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统的拓展示意图。
图3是实施例的BIM基坑三维可视化动态建模示意图。
图中，1、检测子系统；2、数据传输子系统；3、数据汇总处理子系统；4、基坑测斜模块；5、轴力监测模块；6、位移检测模块；7、水位检测模块；8、邻近建筑物倾斜模块；9、降水模块；10、ZigBee模块；11、5G通讯模块；12、云端智能计算与服务平台；13、PC端；14、手机端；15、数据库。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-图2所示，本基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统由三个子系统构成，具体为：检测子系统1、数据传输子系统2和数据汇总处理子系统3，检测子系统1通过数据传输子系统2与数据汇总处理子系统3进行双向通讯连接。
第一子系统为高精度、微功耗、耐久性好的检测子系统1，其检测基坑测斜、轴力、位移、水位和邻近建筑倾斜的数据信息并输出。
第二子系统为数据传输子系统2，其利用物联网和5G传输技术将检测子系统1的数据信息实时、动态传输至数据汇总处理子系统3。
第三子系统为数据汇总处理子系统3，其基于B/S架构搭建，主要对接收的数据信息自动保存与解析，并输出监测报表、自动发送预警信息。
具体的说，检测子系统1包括基坑测斜模块4、轴力监测模块 5、位移检测模块6、水位检测模块7、邻近建筑物倾斜模块8和降水模块9。其中：
基坑测斜模块4：用于测量基坑围护结构或周围土体深部水平向位移。当待测区域发生形变，测斜管也跟随倾斜，带动其中的测斜传感器。通过分析测斜传感器的数据，模块拟合出测斜管的剖面，获取一段时间内剖面的变化，也即待测区域的位移变化量。
轴力监测模块5：用于测量基础、桩、支撑、梁等的长期应变。采用埋入式或贴片式振弦应变计，其中埋入式振弦应变计可直接埋入混凝土中。模块内置温度传感器可同时监测测点处的温度。
位移检测模块6：测量监测点的横向位移与竖向沉降等参数。主要为二维面阵激光位移计，二维面阵激光位移计利用激光发射点和光板采集仪之间的相对位移，主要测量建筑物或监测点的横向位移与竖向沉降等参数。
邻近建筑物倾斜模块8：采用MEMS加速度计和高分辨力差分数模转换器，通过数字信号方式直接输出水平倾角数值。
水位检测模块7：采用了基于压力传感技术的地下水监测传感器，该传感器经过温度补偿计算可以直接测得液位高度，可以运用于基坑、地铁等需要监测水位数据的场地。
降水模块9：该模块由液位传感器和物联网通信控制器组合而成，可自动控制水泵的运行，且能实时传输水位数据。
数据传输子系统2包括ZigBee模块10和/或5G通讯模块11。本实施例中优选采用ZigBee模块10和5G通讯模块11的组合实现。
ZigBee模块10基于物联网将检测子系统1采集的数据信息通过双向无线通信方式实时发往数据汇总处理子系统3。检测子系统 1的各个传感器模块通过数据采集器自动采集数据信息后，数据采集器内置ZigBee模块10将传感器模块产生的数字信号通过无线通信方式发往数据汇总处理子系统3，收发的速率可以达到 1Mbit/s；
5G通讯模块11用于将检测子系统1采集的数据信息实时传输至数据汇总处理子系统3。基于5G通讯传输技术，检测子系统1 的各个传感器模块将自动采集的数据信息，通过内置5G通讯模块11，将数据信息实时传输至数据汇总处理子系统3，实现基坑变形演化进程的多角度、多维度反映。
数据汇总处理子系统3包括能够进行交互的用户端和云端智能计算与服务平台12。其中，用户端包括PC端13和手机端14；云端智能计算与服务平台12中预存储有建立好的BIM模型，且云端智能计算与服务平台12连接有数据库15。
云端智能计算与服务平台12采用采用阿里云服务器架构。为了将基坑工程施工过程出现的大量数据进行条理化收集与汇总分析，云端智能计算与服务平台12采用大屏智慧监测系统展示，主要包含项目基本信息、项目数量统计、设备在线情况、监测传感器类型及实时数据，初步实现了利用云服务器对接收到的信号进行保存、数据解析和自动预警。
需要说明的是：在本发明的其他实施例中还可以采用腾讯云平台、百度云平台等架构。
为了工程人员对基坑监测结果的实时跟踪，手机端内设置APP 小程序。该APP小程序主页可查看各项目卡片，项目卡片中包含一些基本信息和功能，如：项目测点详细信息，可以看到该项目具体的测点数量，点击进入后可以查看测点的累计变化量和曲线图等简单的数据；降水测点详细信息，可以看到该项目具体的降水数据以及降水统计时间，降水统计可以直观的反映出所节约的电量。
主动隐患上报，PC端和手机端均可实现主动隐患上报功能，可以定位隐患位置，选择隐患类型以及详细隐患问题，在上报后将会推送给项目负责人进行处理。
自动隐患上报，在PC端对各类监测值进行按照技术要求规范来设置报警值。通过传感器收集的实时数据，系统会进行分析算法计算，对超过报警值的监测项目进行报警。推送到项目负责人及监管人员的手机微信和短信中。并且在系统中进行记录处理进度。
本实施例中，用户端和云端智能计算与服务平台12两者之间的交互具体包括以下三种情形:
(a)、构建用户端和云端智能计算与服务平台12的交互及最终可视化结果的输出系统：云端智能计算与服务平台12从数据传输子系统2接收检测子系统1发送的数据信息并实时导入BIM模型，将其与基坑相应部位、测点相关联，利用BIM三维建模技术，自动建立基坑不同时段的变形模型与云图，向用户端输出可视化结果，如图3所示。
另外，云端智能计算与服务平台12基于大数据进行安全分析与预警，根据每个测点的允许变形阈值和变化速率阈值，分析评定其安全等级并及时反馈。具体的反馈信息根据以下三种不同的情况分别进行不同程度的报警：
1、若变形值和变化速率值超过阈值，则在模型和云图上红色高亮显示，并报警提醒；
2、若预测此处有较大风险，但是变形值和变化速率值还未超过阈值，则黄色高亮显示；
3、若变形值和变化速率值均较小，表示为正常状态，则绿色显示。
(b)利用云平台建立客户端的应用逻辑功能：用户端能够从云端智能计算与服务平台12上执行标准化监测数据下载、一键导出生成施工报表，实现监测工况3D模型输入和一键导出。
(c)建立接受客户端请求后独立运算功能，该功能包括以下两种：
1、用户端根据标准化监测数据、工况BIM模型、基坑变形演化趋势，向云端智能计算与服务平台12请求提供科学的施工建议，云端智能计算与服务平台12收到请求及时反馈指导；
2、应对突发工况，云端智能计算与服务平台12及时发送和接收预警信息，制定应急措施，远程操控部分关键控制设备。
本发明将物联网+和BIM三维可视化建模技术相结合，建立深大基坑智慧监测系统，利用拟研发的一系列高精度、微功耗、智能化传感器系统，实现对基坑变形数据的实时动态监测，利用5G无线传输技术将监测信号传递至云服务器；搭建云端智能计算与服务平台，对监测数据进行动态保存与解析，自动导入BIM三维可视化平台，多角度、多维度地反映基坑变形演化进程，智能发布预警信息。有力地推动深大基坑智能监测行业“标准化、信息化、智慧化”，及时发现排除基坑安全隐患，有效避免重大人员伤亡事故，打造施工人员本质安全环境，提升质量安全整体智治水平，产生显著的经济效益和社会效益。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，包括：检测子系统(1)、数据传输子系统(2)和数据汇总处理子系统(3)，所述检测子系统(1)用于检测所述基坑测斜、轴力、位移、水位和邻近建筑倾斜的数据信息并输出；所述数据传输子系统(2)用于将检测子系统(1)的数据信息传输给所述数据汇总处理子系统(3)；所述数据汇总处理子系统(3)用于对接收的数据信息自动保存与解析，并输出监测报表、自动发送预警信息。
2.根据权利要求1所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述检测子系统(1)包括用于测量基坑围护结构或周围土体深部水平向位移的基坑测斜模块(4)、用于测量基础、桩、支撑、梁等的长期应变的轴力监测模块(5)、用于测量监测点的横向位移与竖向沉降参数的位移检测模块(6)、用于测量液位高度的水位检测模块(7)和用于测量邻近建筑物水平倾角数值的邻近建筑物倾斜模块(8)。
3.根据权利要求2所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述轴力检测模块采用埋入式或贴片式振弦应变计，所述轴力检测模块内置有温度传感器；所述位移检测模块(6)为二维面阵激光位移计。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述检测子系统(1)还包括降水模块(9)，所述降水模块(9)包括液位传感器和物联网通信控制器，用于控制基坑内水泵的运行以及实时传输水位数据。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述数据传输子系统(2)包括无线自组网的ZigBee模块(10)和/或5G通讯模块(11)，所述ZigBee模块(10)用于将检测子系统(1)采集的数据信息通过无线通信方式发往数据汇总处理子系统(3)，所述5G通讯模块(11)用于将检测子系统(1)采集的数据信息实时传输至数据汇总处理子系统(3)。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述数据汇总处理子系统(3)包括能够进行交互的用户端和云端智能计算与服务平台(12)，所述云端智能计算与服务平台(12)中预存储有建立好的BIM模型，所述云端智能计算与服务平台(12)接收检测子系统(1)发送的数据信息并导入所述BIM模型，将其与基坑相应部位、测点相关联，利用BIM三维建模技术，自动建立基坑不同时段的变形模型与云图，向所述用户端输出可视化结果；且所述云端智能计算与服务平台(12)基于大数据进行安全分析与预警，根据每个测点的允许变形阈值和变化速率阈值，分析评定其安全等级并及时反馈信息。
7.根据权利要求6所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述反馈信息包括：若变形值和变化速率值超过阈值，则在模型和云图上红色高亮显示，并报警提醒；若预测此处有较大风险，则黄色高亮显示；若正常则绿色显示。
8.根据权利要求6所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述用户端能够从所述云端智能计算与服务平台(12)上执行标准化监测数据下载、一键导出生成施工报表，实现监测工况3D模型输入和一键导出。
9.根据权利要求6所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述云端智能计算与服务平台(12)接受客户端请求后执行以下独立运算：用户端根据标准化监测数据、工况BIM模型、基坑变形演化趋势，向云端智能计算与服务平台(12)请求提供科学的施工建议，云端智能计算与服务平台(12)收到请求及时反馈指导；应对突发工况，云端智能计算与服务平台(12)及时发送和接收预警信息，制定应急措施，远程操控部分关键控制设备。
10.根据权利要求6所述的基于物联网+与BIM三维建模的深大基坑智能监测系统，其特征在于，所述用户端包括PC端(13)和手机端(14)，所述云端智能计算与服务平台(12)连接有数据库(15)。
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