CN113914386A - 基于bim+3s技术的深基坑支护安全智能监测方法 - Google Patents

基于bim+3s技术的深基坑支护安全智能监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，属于深基坑支护安全监测领域，解决了深基坑支护在施工过程中不能提前监测预警的问题。本发明方法：在基坑内布设自动采集感应模块，将自动采集感应模块与通信设施模块连接，通信设施模块包括BIM+3S集成技术系统和商用卫星，BIM+3S集成技术系统连接办公管理设施模块；计算基坑开挖拟定长度、深度、基坑稳定安全系数值、总侧向水平力、最大开挖自稳定高度、自稳时间；二次计算稳定安全系数；BIM+3S集成技术系统进行数据分析整合，同步生成三维可视化模型。本发明能够自动监测和预警深基坑支护施工中周围场地岩土工程的真实情况，并能即时定位各施工工序。

Description

基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法
技术领域
本发明属于深基坑支护安全监测领域，具体涉及一种基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法。
背景技术
近些年城市地下空间的高度开发和大量高层建筑的兴建，具有建设周期长、工程技术复杂、深基坑支护问题难度大、不可预见风险因素多等特点，给工程带来一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，以解决深基坑支护在施工过程中不能提前监测预警的问题。
本发明的技术方案是：一种基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，包括以下步骤：
A、在基坑内布设自动采集感应模块，将自动采集感应模块与通信设施模块连接，通信设施模块包括BIM+3S集成技术系统和商用卫星，商用卫星与BIM+3S集成技术系统相连，BIM+3S集成技术系统连接办公管理设施模块；
B、根据深基坑支护施工方法开发的计算软件集成至BIM软件系统，输入岩土工程地质相关物理计算数据，首先假设拟定初次开挖基坑的长度和开挖深度，软件初步计算结果显示基坑开挖拟定长度、深度、基坑稳定安全系数值、总侧向水平力、最大开挖自稳定高度、自稳时间；
C、根据初次拟定开挖长度、深度数值，计算出基坑稳定安全系数值，再结合最大自稳开挖深度、自稳时间，调整适合现场场地开挖的最大长度、深度、自稳时间，进行第二次稳定安全系数的计算；
D、若第二次计算的稳定安全系数合理，开挖长度、开挖深度、自稳安全系数满足场地支护施工需要，则计算可行；否则，按照步骤C再次拟定开挖长度、深度，直至计算结果达到施工要求为止；
E、将以上合理的稳定安全系数加载至BIM+3S集成技术系统，进行数据分析整合，同步生成三维可视化模型，对深基坑支护监测特征点的材料构件和施工过程进行精准定位，并根据计算的稳定安全系数进行分级预警，实时智能监测施工安全和进度。
作为本发明的进一步改进，在步骤E中，根据计算的稳定安全系数进行分级预警的方法如下：
当稳定安全系数<1时，则不能开挖；
当稳定安全系数为1-1.05时，则开挖自稳定时间≤1小时，要求及时开挖，每施工单元长度为0-5m，每施工单元深度为2m；
当稳定安全系数为1.05-1.2时，则开挖自稳定时间≤24小时，要求完成支护时间≤12小时，每施工单元长度为5-10m，每施工单元深度为2-3m；
当稳定安全系数为1.2-1.5时，则开挖自稳定时间≤7天，要求完成支护时间≤7天，每施工单元长度为10-15m，每施工单元深度为3-4m；
当稳定安全系数为1.5-2时，则开挖自稳定时间≤30天，要求完成支护时间≤7天，每施工单元长度为15-20m，每施工单元深度为4-5m；
当稳定安全系数为>2.5时，则要求施工工期内完成支护工作，每施工单元长度>20m，每施工单元深度为5m。
作为本发明的进一步改进，地下自动采集感应模块包括自动化数据采集仪以及多个应力计、位移计、取土仪、土压力计、轴力计、测斜管，应力计、位移计、取土仪、土压力计、轴力计和测斜管分别通过自动化数据采集仪与BIM+3S集成技术系统相连。
作为本发明的进一步改进，在基坑的每一施工单元内，水平方向布设有一个应力计，竖直方向布设有两个应力计。
作为本发明的进一步改进，测斜管随应力计错位布设。
作为本发明的进一步改进，在基坑的每一施工单元内，水平方向布设有一个位移计，竖直方向布设有两个位移计。
作为本发明的进一步改进，在基坑坡顶和组合支护构件之间间隔埋设有取土仪和土压力计。
作为本发明的进一步改进，在基坑的竖向工字钢内侧安装轴力计。
作为本发明的进一步改进，BIM+3S集成技术系统内设有地质数据模块、设计数据模块和施工数据模块。
作为本发明的进一步改进，办公管理设施模块包括互联网、计算机、投影大屏和移动设备， BIM+3S集成技术系统通过互联网与计算机相连，投影大屏和移动设备分别与计算机相连。
三维模型可视化智能监测和指导施工的技术方法，已成为深基坑支护安全施工和管理亟待解决的重要内容。本发明提供一种基于BIM+3S（RS、GIS、GPS）技术的深基坑支护安全智能监测方法，实现了深基坑支护施工过程的可视化智能监测。该系统能够自动监测和预警深基坑支护施工中周围场地岩土工程的真实情况，并能即时定位各施工工序，实时对深基坑施工和支护区域范围内有疑点的部位进行预判，以三维可视化的方式把支护范围、岩土工程地质、土压力、位移、轴力及稳定安全系数等数值和判断结果直观及时地传输至终端显示屏幕和移动通讯设备（手机APP），供现场管理人员直观实时发现并采取针对性的有效处理措施，从而预防和避免深基坑支护垮塌事故的发生并能指导施工的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、建立深基坑支护三维模型，将施工现场自动地下自动采集感应模块与BIM+3S模型关联，实现基坑支护施工的可视化。
2、埋设的传感器与BIM+3S系统关联，实时显示深基坑支护结构的变形、位移、轴力、基坑土压力变化以及施工支护构件准确位置等信息，即时反映深基坑支护施工进度及支护变形或不稳定情况的分析判断和准确定位。
3、建立深基坑支护施工全过程三维模型，随时动态计算深基坑支护施工过程中的稳定安全系数、一次施工安全稳定长度和高度，智能监测和指导安全施工。
附图说明
图1为本发明所使用装置的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明中的地下自动采集感应模块在基坑内的布设平面图；
图4为本发明中的地下自动采集感应模块在基坑内的布设立面图。
图中：1为地下自动采集感应模块；1-1-1为应力计；1-1-2为位移计；1-1-3为取土仪；1-1-4为土压力计；1-1-5为轴力计；1-1-6为测斜管；1-2为自动化数据采集仪；2为地面通信设施模块；2-1为BIM+3S集成技术系统；2-2为商用卫星；2-1-1为地质数据模块；2-1-2为设计数据模块；2-1-3为施工数据模块；3为办公管理设施模块；3-1为互联网；3-2为计算机；3-3为投影大屏；3-4为移动设备；4为基坑坡顶；5为组合支护构件；6为竖向工字钢；7为基坑底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1-图4所示，一种基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，包括以下步骤：
A、在基坑内布设自动采集感应模块1，将自动采集感应模块1与通信设施模块2连接，通信设施模块2包括BIM+3S集成技术系统2-1和商用卫星2-2，商用卫星2-2与BIM+3S集成技术系统2-1相连，BIM+3S集成技术系统2-1连接办公管理设施模块3；
B、根据深基坑支护施工方法开发的计算软件集成至BIM软件系统，输入岩土工程地质相关物理计算数据，首先假设拟定初次开挖基坑的长度和开挖深度，软件初步计算结果显示基坑开挖拟定长度、深度、基坑稳定安全系数值、总侧向水平力、最大开挖自稳定高度、自稳时间；
C、根据初次拟定开挖长度、深度数值，计算出基坑稳定安全系数值，再结合最大自稳开挖深度、自稳时间，调整适合现场场地开挖的最大长度、深度、自稳时间，进行第二次稳定安全系数的计算；
D、若第二次计算的稳定安全系数合理，开挖长度、开挖深度、自稳安全系数满足场地支护施工需要，则计算可行；否则，按照步骤C再次拟定开挖长度、深度，直至计算结果达到施工要求为止；
E、将以上合理的稳定安全系数加载至BIM+3S集成技术系统2-1，进行数据分析整合，同步生成三维可视化模型，对深基坑支护监测特征点的材料构件和施工过程进行精准定位，并根据计算的稳定安全系数进行分级预警，实时智能监测施工安全和进度。
在步骤E中，根据计算的稳定安全系数进行分级预警的方法如表1所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
当稳定安全系数<1时，则不能开挖；
当稳定安全系数为1-1.05时，则开挖自稳定时间≤1小时，要求及时开挖，每施工单元长度为0-5m，每施工单元深度为2m；
当稳定安全系数为1.05-1.2时，则开挖自稳定时间≤24小时，要求完成支护时间≤12小时，每施工单元长度为5-10m，每施工单元深度为2-3m；
当稳定安全系数为1.2-1.5时，则开挖自稳定时间≤7天，要求完成支护时间≤7天，每施工单元长度为10-15m，每施工单元深度为3-4m；
当稳定安全系数为1.5-2时，则开挖自稳定时间≤30天，要求完成支护时间≤7天，每施工单元长度为15-20m，每施工单元深度为4-5m；
当稳定安全系数为>2.5时，则要求施工工期内完成支护工作，每施工单元长度>20m，每施工单元深度为5m。
地下自动采集感应模块1包括自动化数据采集仪1-2以及多个应力计1-1-1、位移计1-1-2、用于采集地质土壤和环境信息的取土仪1-1-3、土压力计1-1-4、用于实时采集工字钢支撑梁轴力的轴力计1-1-5、用于监测支护构件角度变化的测斜管1-1-6，应力计1-1-1、位移计1-1-2、取土仪1-1-3、土压力计1-1-4、轴力计1-1-5和测斜管1-1-6分别通过自动化数据采集仪1-2与BIM+3S集成技术系统2-1相连。
在基坑的每一施工单元内，水平方向布设有一个应力计1-1-1，竖直方向布设有两个应力计1-1-1。
测斜管1-1-6随应力计1-1-1错位布设。
在基坑的每一施工单元内，根据每一次施工深度沿最不利构件最中间铰接口位置布设位移计1-1-2，水平方向布设一个，竖直方向布设两个。在基坑坡顶4和组合支护构件5之间一定深度间隔埋设有取土仪1-1-3和土压力计1-1-4。取土仪1-1-3每一施工单元布设一个，埋设深度需满足采集土样代表性的要求。在基坑的所有竖向工字钢6根据一次施工单元深度在其内侧安装轴力计1-1-5，水平方向布设一个，竖直方向根据开挖深度布设两个。
BIM+3S集成技术系统2-1内设有地质数据模块2-1-1、设计数据模块2-1-2和施工数据模块2-1-3。
办公管理设施模块3包括互联网3-1、计算机3-2、投影大屏3-3和移动设备3-4，BIM+3S集成技术系统2-1通过互联网3-1与计算机3-2相连，投影大屏3-3和移动设备3-4分别与计算机3-2相连。
本发明可实时连续监测深基坑在施工过程中基坑土侧压力、位移、轴力等数值和基坑安全稳定分析判断情况，并及时将相关岩土工程数据、施工支护动态数值、稳定安全系数分析判断情况等通过互联网3-1远程传输至计算机3-2，对施工过程及支护稳定进行即时预警，以三维可视化方式输出至终端投影大屏3-3和移动设备3-4（手机APP）等设备，供现场管理人员实时发现并采取针对性的有效处理措施，从而预防和避免深基坑支护垮塌事故的发生并能指导施工的目的。
本发明能够将计算分析数值和深基坑支护安全稳定判断情况，即时传输至BIM+3S集成技术系统2-1，以可视化三维模型的方式显示，在施工进行中可即时监测和预警基坑开挖和支护的稳定与安全情况，为提前预防和及时处理深基坑塌陷提供可靠的依据，确保施工安全。
本发明采用BIM+3S集成技术系统2-1建模，利用相关软件技术将基坑参数化并建立模型，在模型中建立监测特征点，进行数据采集和监测。深基坑支护施工工艺和流程采用专利技术“一种大跨度地下空间深基坑支护系统ZL201922037718.9”。模型建立后，在模型中建立监测特征点，进行数据采集和监测。
地下自动采集感应模块1通过基坑内布设的传感器（包含应力计1-1-1、位移计1-1-2、取土仪1-1-3、土压力计1-1-4、轴力计1-1-5、测斜管1-1-6），随基坑开挖和支护区域一定深度范围内预埋，能够即时将地下基坑岩土和施工支护等数据传输至办公管理设施模块3，实时监测基坑周边土压力、应力变化及支撑轴力、位移、变形以及基坑稳定分析判断等。以上各传感器通过互联网技术与自动化数据采集仪1-2无线连接。
以上传感器随深基坑开挖长度和深度，按照一定间距敷设在需要监测的部位，通过自动化采集仪1-2实时将采集到的数据包括地质结构层岩土质、土压力、位移、土应力、轴力等信息，通过互联网3-1传输至BIM+3S集成系统2-1分析软件（该软件将基坑开挖及施工支护构件经参数化并建立三维模型）对数据自动编译、建模和运行，及时远程传输、加载至计算机3-2，以三维可视化方式直观展现于投影大屏3-3和移动设备3-4。BIM+3S集成系统2-1根据分析计算的安全稳定系数对其进行分级和预警，可解决现有技术不能满足提前监测预警和达到可视化指导施工要求的目的。
地下自动采集感应模块1将数据传输至BIM+3S集成技术系统2-1，进行数据分析整合，能够对深基坑支护监测特征点的材料构件和施工过程进行精准定位，并按计算的稳定安全系数分级预警，实时智能监测施工安全和进度。同时，将有关数据模型以三维可视化方式直观显示在终端显示（如电脑、平板、手机等），解决现有技术不能满足提前监测预警和达到可视化要求的问题。
BIM+3S集成技术系统2-1是将BIM建模技术与RS、GIS、GPS（3S）三种独立但相互之间有互补性技术中的有关部分有机集成起来，构成强大的一体化建模分析和可视化的技术系统，其中设置地质数据模块2-1-1、设计数据模块2-1-2和施工数据模块2-1-3，可及时调用并分析计算和监测以上3个模块的数据资料信息，以可视化的形式传输至终端显示。每个模块的具体功能如下：
地质数据模块2-1-1：该模块是深基坑工程区域内的详细地质数据，为设计和施工计算提供符合实际的岩土工程信息。基于BIM+3S集成技术系统，通过现场钻孔取样和地勘报告相关数据，利用BIM+3S集成软件，计算并生成场地实际三维地质模型存储至模块数据库中。
设计数据模块2-1-2：基于BIM+3S集成技术系统，将深基坑支护设计资料数据生成三维模型并存储至模块数据库中。
施工数据模块2-1-3：基于BIM+3S集成技术系统，将深基坑支护施工组织设计、施工过程、工程材料及施工管理等相关信息存储至模块数据库中。
商用卫星2-2含发射、传输、接收设备，能够向被测深基坑支护区域的地面发射不同频率的探测信号，对获取的信号进行接收和采集。BIM+3S集成技术系统2-1能够实现对商用卫星2-2发射的各种空间信息和环境信息快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新，通过商用卫星2-2收集地面及地下周围区域工程地质环境信息，经互联网3-1传输至计算机3-2，经相关BIM+3S集成技术系统2-1专用软件处理后达到三维可视化模型和实时动态监控施工的目的。

Claims (10)

1.一种基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于包括以下步骤：
A、在基坑内布设自动采集感应模块（1），将自动采集感应模块（1）与通信设施模块（2）连接，通信设施模块（2）包括BIM+3S集成技术系统（2-1）和商用卫星（2-2），商用卫星（2-2）与BIM+3S集成技术系统（2-1）相连，BIM+3S集成技术系统（2-1）连接办公管理设施模块（3）；
B、根据深基坑支护施工方法开发的计算软件集成至BIM软件系统，输入岩土工程地质相关物理计算数据，首先假设拟定初次开挖基坑的长度和开挖深度，软件初步计算结果显示基坑开挖拟定长度、深度、基坑稳定安全系数值、总侧向水平力、最大开挖自稳定高度、自稳时间；
C、根据初次拟定开挖长度、深度数值，计算出基坑稳定安全系数值，再结合最大自稳开挖深度、自稳时间，调整适合现场场地开挖的最大长度、深度、自稳时间，进行第二次稳定安全系数的计算；
D、若第二次计算的稳定安全系数合理，开挖长度、开挖深度、自稳安全系数满足场地支护施工需要，则计算可行；否则，按照步骤C再次拟定开挖长度、深度，直至计算结果达到施工要求为止；
E、将以上合理的稳定安全系数加载至BIM+3S集成技术系统（2-1），进行数据分析整合，同步生成三维可视化模型，对深基坑支护监测特征点的材料构件和施工过程进行精准定位，并根据计算的稳定安全系数进行分级预警，实时智能监测施工安全和进度。
2.根据权利要求1所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：在步骤E中，根据计算的稳定安全系数进行分级预警的方法如下：
当稳定安全系数<1时，则不能开挖；
当稳定安全系数为1-1.05时，则开挖自稳定时间≤1小时，要求及时开挖，每施工单元长度为0-5m，每施工单元深度为2m；
当稳定安全系数为1.05-1.2时，则开挖自稳定时间≤24小时，要求完成支护时间≤12小时，每施工单元长度为5-10m，每施工单元深度为2-3m；
当稳定安全系数为1.2-1.5时，则开挖自稳定时间≤7天，要求完成支护时间≤7天，每施工单元长度为10-15m，每施工单元深度为3-4m；
当稳定安全系数为1.5-2时，则开挖自稳定时间≤30天，要求完成支护时间≤7天，每施工单元长度为15-20m，每施工单元深度为4-5m；
当稳定安全系数为>2.5时，则要求施工工期内完成支护工作，每施工单元长度>20m，每施工单元深度为5m。
3.根据权利要求1或2所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：所述地下自动采集感应模块（1）包括自动化数据采集仪（1-2）以及多个应力计（1-1-1）、位移计（1-1-2）、取土仪（1-1-3）、土压力计（1-1-4）、轴力计（1-1-5）、测斜管（1-1-6），所述应力计（1-1-1）、位移计（1-1-2）、取土仪（1-1-3）、土压力计（1-1-4）、轴力计（1-1-5）和测斜管（1-1-6）分别通过自动化数据采集仪（1-2）与BIM+3S集成技术系统（2-1）相连。
4.根据权利要求3所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：在基坑的每一施工单元内，水平方向布设有一个应力计（1-1-1），竖直方向布设有两个应力计（1-1-1）。
5.根据权利要求4所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：所述测斜管（1-1-6）随应力计（1-1-1）错位布设。
6.根据权利要求5所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：在基坑的每一施工单元内，水平方向布设有一个位移计（1-1-2），竖直方向布设有两个位移计（1-1-2）。
7.根据权利要求6所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：在基坑坡顶（4）和组合支护构件（5）之间间隔埋设有取土仪（1-1-3）和土压力计（1-1-4）。
8.根据权利要求7所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：在基坑的竖向工字钢（6）内侧安装轴力计（1-1-5）。
9.根据权利要求8所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：所述BIM+3S集成技术系统（2-1）内设有地质数据模块（2-1-1）、设计数据模块（2-1-2）和施工数据模块（2-1-3）。
10.根据权利要求9所述的基于BIM+3S技术的深基坑支护安全智能监测方法，其特征在于：所述办公管理设施模块（3）包括互联网（3-1）、计算机（3-2）、投影大屏（3-3）和移动设备（3-4），所述BIM+3S集成技术系统（2-1）通过互联网（3-1）与计算机（3-2）相连，所述投影大屏（3-3）和移动设备（3-4）分别与计算机（3-2）相连。
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