保利大廈基坑5D 監測中的新興呈現(Emerging)技術

趙華英 葉紅華 陳 陟 陸 揚 石云軒 盧 旦 周 智 趙 亮 孫廣禮 葛 琳 梁士毅

(1.上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司，上海 200041;2.上海現代建筑設計集團技術中心，上海 200041;3.上海現代建筑設計集團申元巖土工程有限公司，上海 200040;4.上海宇溪文化傳媒有限公司，上海 200331)

1 項目概況

(1)基坑規模:B 區基坑總面積約4 850m2，基坑延長米約為450m;

(2)基坑開挖深度:本工程±0.000=+5.450(吳淞高程)，自然地坪相對標高普遍區域標高為-1.300，考慮基底墊層厚度200mm，本工程基坑挖深為6.9m。基坑西側為濱江綠化帶，且綠化帶地坪標高高于坑邊地坪2.65m。由于與綠化帶距離較近，約為3.2m。

圖1 基坑位置示意圖

(3)本工程基坑開挖深度為6.9m，屬于二級安全等級基坑工程;

(4)本工程基坑開挖深度為6.9m，基坑西側防汛墻距基坑邊約10m，在1 倍開挖深度范圍以外，環境保護等級定為二級。基坑北側及南側環境保護等級按三級考慮。

2 基于BIM 的基坑5D 監測及新興呈現技術應用的意義

《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497 -2009)強制性條文規定:開挖深度大于等于5m 或開挖深度小于5m 但現場地質情況和周圍環境較復雜的基坑工程以及其他需要監測的基坑工程應實施基坑工程監測［1］。

目前雖然對軟土深基坑的研究有了一定的進展，但對其變形及力學性質的的研究還不夠完善，使計算模型及假定與工程實際情況存在較大偏差，導致基坑支護工程的變形估算不太準確，從而影響了工程的安全和成本。因此，在施工工程中對基坑圍護結構和周邊環境的監測就顯得十分重要。

然而，傳統的基坑安全監測數據文件均以報表配合二維曲線、圖形的方式表達變形趨勢，當工程師查看變形情況時不能方便地整體查閱變形情況，對基坑支護結構的變形趨勢難以準確判斷。

圖2 基坑BIM 整體模型

鑒于以上原因我們將BIM 技術引入基坑工程監理、監測、管理等工作，以解決以往在基坑圍護結構變形監測過程中不能直觀表現其變形情況和變形趨勢的缺點，采用5D 技術(三維模型+時間軸+變形色譜云圖)方便監理人員、工程師、管理人員、業主、施工人員等判斷基坑圍護結構的變形情況并指導開展相關工作;采用基于BIM 的地勘模型指導監理、施工、設計人員直觀準確地判斷地質情況，協助處理突發情況;采用三維激光掃描施工實際成型的圍護形狀，用以矯正基坑當初設計的理論位置，輔助監理、監測單位判斷施工誤差;BIM 結合GIS(地理信息系統)指導工程場地規劃、場地環境管理等，結合半透明基坑及地勘模型，能從宏觀上看清基坑與黃浦江等周圍環境關系及基坑與持力層、軟弱下臥層之間關系;采用彩色尼龍的3D 打印技術輔助項目參與人員了解基坑基本情況;采用基于AR、VR、Google Glass 的新型呈現技術全方位展現基坑的變形監測、地質情況以及指導基坑搶險和輔助基坑項目監理、監測、管理等日常工作。提高基坑工程的監理、管理、施工等各個環節的工作效率，減少危險情況遺漏。BIM(Building Information Modeling)在建筑業的應用能較好的解決建設工程項目全壽命周期內的信息斷層問題，提高建筑業信息管理效率［2］。

3 基坑5D 變形監測

傳統的基坑變形監測工作方式采用數據表格、二維變形曲線、文字描述的方式編制成監測報告，項目參與方對監測結果集中進行討論，分析變形是否過大或是否趨于穩定，及時發現問題，及時反饋并分析，并確定是否需采取必要的補救、搶救措施，使基坑不發生意外破壞和變形。每天靠人工操作，翻閱大量Excel 表頁中的成千個數據，得出每個測點的本次變形值和累計變形值，判斷風險臨界狀態。如要知道變形速率，也只能將少量敏感點一一描繪出其單點時間變形軌跡，用以分析趨勢，然后加以是否報警的標注。這樣做，第一耗時費力，不利于基坑變形的快速判斷，第二是靠人工大數據閱讀，容易疏忽漏讀，第三無法通覽基坑大區段塊狀側向變形與受監控管線線狀垂直沉降之間的三維空間關系，第四更無法直觀地看到整個基坑的變形時間趨勢，迅速找到危險源。

在該項目中應用BIM 技術以3D +時間+變形值色階的5D 技術將變形監測數據導入模型，自動計算后整個基坑呈現的是彩色變形立體狀態，因此立即就可以看到臨界區域，和超限危險點。這種可視化基坑變形監測方法，簡單、準確、快速，為監理、監測人員提供了嶄新的基坑監測管理方法。

圖3 圍護3D 模型+時間+變形值色譜

圖4 變形歷史

4 基于BIM 的地勘模型應用

以地勘報告為初始數據，將二維地勘資料轉換成三維地勘模型，在Revit 中與基坑結構模型合并，可以實時、任意視角查看地下室結構構件(地下連續墻、底板、樁等)與不同深度土層之間的關系，快速查看土層屬性信息，指導設計、施工，輔助監理、監測人員判斷樁基持力層和有效樁長，對比開挖實際情況與地勘報告的符合度，輔助驗槽工作。利用該地勘模型可以直觀、清晰是看到土層的分布情況，是否存在暗溝、夾層等不利的地質情況以及不利地質情況的分布位置，有利于輔助監理、設計、施工等工作的開展。通過剖面視圖可以準確判斷樁端持力層，同時查看對應的靜力觸探曲線預估沉樁阻力，輔助確定沉樁施工方案。

該地勘模型不同于以往的地質模型，將地勘模型集成到Revit 中，并賦予土層屬性，使監理、設計、施工人員能在Revit 平臺上進行設計、校核工作，這種集成式模型更適合民用建筑的監理、施工、設計工作的開展，提高工作效率。同時可以對地勘模型進一步開發，當修改樁長或樁徑等屬性時能實時輸出變化后的樁承載力、樁材料用量及單樁成本，對設計階段的樁型選取、確定樁基方案有非常重要的實用價值。

5 基坑三維激光掃描檢測施工誤差

由于三維激光掃描的成果可以說是建筑物真實狀態的體現，依據高精度的掃描點云進行建模，生成的三維模型最大程度上接近真實，其數據格式兼容性好，易存儲。可以直接用于數據存檔，工程應用，展示匯報，文物復建等方面。本項目首次將三維激光掃描技術用于基坑施工誤差檢測，解決實際施工與設計圖紙之間存在的誤差問題。為實現建筑物的快速可視化三維重建，對用地面激光掃描儀獲取的建筑物點云數據進行可視化處理［3］。將完工的基坑圍護結構與設計模型之間進行誤差比對，以矯正設計理論空間形狀，檢驗施工質量，使理論計算更符合現場實際工況。

圖5 地勘模型

圖6 地勘模型2D 剖面視圖

6 3D GIS 在基坑施工中的應用

GIS 是以測繪測量為基礎，以數據庫作為數據存儲和使用的數據源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術［4］。它可以對空間信息進行分析和處理(簡而言之，是對地球上存在的現象和發生的事件進行成圖和分析)。GIS 技術把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數據庫操作(例如查詢和統計分析等)集成在一起。GIS 與其他信息系統最大的區別是對空間信息的存儲管理分析，從而使其在廣泛的公眾和個人企事業單位中解釋事件、預測結果、規劃戰略等中具有實用價值。

圖7 掃描模型與設計模型比對

GIS(地理信息系統)可以實現空間圖形顯示與空間信息查詢與分析。基坑施工變形監測所牽涉到的數據類型多樣，既有每日的測定變形觀測數據，又有測點布置圖這樣的圖形數據。

圖8 誤差檢驗

在該項目中在GIS 環境中植入半透明的地下基坑和地勘土層BIM 模型，形成一個整體性的“上天入地模”，真實反映項目在三維數字城市中的情況，通過地理信息系統可以看清城市環境中的黃浦江防汛墻、受控管線與本基坑的關系，同時通過為項目全過程解決方案提供了三維可視化展示、數據可實時提取、多解決方案比選等提供了強大的三維可視化數據支持，通過地理信息系統各參與方從宏觀角度分析項目、協同管理施工現場。

7 3D 打印技術

因基坑內外存在灌注樁、鋼支撐、連續墻、水位檢測管、煤氣管、通訊電纜、上水管等大量不同的構件，用單一材料、顏色的3D 打印模型，不易辨識。同時在工地開會，需要非常頻繁地轉動模型。采用ABC 塑料材質的模型容易翹曲，石膏模型更很快就會折斷。該項目采用最新的彩色尼龍彈性3D 打印模型，對基坑側面的重要管線(煤氣、給水、信息)采用不同顏色表達，以增強識別性。采用3D 打印技術輔助工程參與人員快速、直觀了解項目情況，作為項目會議討論、決策的輔助工具。隨著3D 打印技術的日趨成熟，3D 打印的成本也在逐步降低，同時3D 打印有很好的靈活性、成型快速、準確，工程師可以對項目整體進行3D 打印生成縮尺模型，也可以選擇局部位置生成大比例3D 打印模型。3D打印技術勢必會成為項目建設過程中必不可少的技術手段之一。

圖9 BIM 模型植入3D GIS 系統

圖10 基坑3D 打印模型

8 AR(Augmented Reality)技術

該項目將AR 技術應用到基坑施工建設中，用新型呈現技術輔助項目管理、建設、監理等工作，提高項目的人機互動，模擬可預見的項目真實場景，使項目參與人員對將要進行的工作內容有基于現實場景的可視化預覽，提高項目參與人員對項目工作內容的理解。同時通過AR 技術可以方便地用iPhone 智能手機、iPad 等平板電腦和谷歌眼鏡等便攜式移動進行基坑搶險培訓、基坑搶險預案展示，提供監理、管理人員在不便進入基坑內部的情況下現場對施工、監測、搶險工作進行指導。

9 VR(Virtual Reality)技術

VR 技術與AR 技術的不同之處是VR 技術不需要項目參與人員與現場真實場景進行交互，所以在地點選擇上比較靈活，這個特點對遠離項目現場的項目參與人員提供了一個虛擬的施工現場的環境，各參與方可以通過VR 技術進行項目交流，輔助項目參與各方在重大施工方案決策及針對施工過程中的突發情況的預處理方案進行定案與模擬，基于BIM 的寖入式VR 技術改變了決策者以圖紙、想象為基礎的定案方式，VR 技術提供了不限地點、共享、直觀、快速的討論項目問題的新方法，同時也是對AR 技術在項目應用上的補充。

圖11 基于AR 技術的基坑變形測量作業指導

10 Google Glass 技術

在對基坑進行變形監測的同時，基坑巡視是基坑安全必不可少手段。通過巡視，可以及時、直觀地觀察到地表裂縫、塌陷等表象，對基坑的局部穩定性的判斷起著不可替代的作用。一旦發現異常應作好記錄，嚴密觀察其變化情況，同時及時向項目部匯報。項目部接到報告后應立即作出反應，分析其原因，并根據對基坑安全的影響程度制定有效控制措施，以防止形勢惡化，危及基坑的安全。

該項目采用第二代Google Glass 硬件技術，自主開發了適合土木建筑應用的APP 軟件，該項目采用的佩戴式的谷歌眼鏡替代了傳統的手持式便攜媒體設備，使項目參與人員解放雙手，能同時查看BIM 模型和現場實際情況。在指導、參與現場應急搶險工作時，Google Glass 結合AR 技術提供了針對不同情況、不同位置、不同條件下處置現場情況的觸發機制，可以使監測員按上海市建筑工程安全質量管理條例的規定快速觀看險情，快速調取應急預案，快速按預案中的復測操作動畫進行復測。經過復測證實險情后，直接按眼鏡中顯示的報警電話號碼語音撥打報警電話進行報警，然后再按眼鏡中預存的搶險操作規程的操作分解動畫作為指導，第一時間協同各參與方進入搶險工作狀態。

圖12 VR 場景

圖13 查看基坑內部情況及調閱應急預案

11 總結

BIM 模型的建立是BIM 應用的基礎，BIM 模型的應用才是BIM 技術的核心，只有對建立的BIM 模型結合項目特點進行有效地應用才能使BIM 技術具有生命力，才能使BIM 技術真正的融入到項目建設的全過程中。基于BIM 的基坑5D監測及3D 地質模技術的應用使基坑建設過程的安全監測依靠可視化手段提高了基坑監測的工作效率，有效地降低了安全監測過程中的人為遺漏。同時該項目采用的AR、VR、Google Glass 等新型呈現技術和移動媒體設備使項目管理、監理、監測人員對基坑施工過程的安全監控更加有效。BIM 技術在保利大廈基坑安全監測方面的拓展應用探索了基坑安全監測的新方法，為BIM 技術在基坑工程建設全過程的應用提供了具有實用價值的參考。

［1］GB50497 -2009 建筑基坑工程監測技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］靳家佳.建筑信息模型在建設工程項目中的應用模式研究［J］.數字技術與應用，2012(08):218-220.

［3］陳治睿，官云蘭，楊鵬，胡晶晶.基于點云數據的建筑物快速三維重建方法［J］.江西科學，2011(05):603-606.

［4］曾吉吉.淺議信息系統對工程勘察設計的重要性［J］.黑龍江科技信息，2011(20):69.

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

［6］過俊.BIM 在國內建筑全生命周期的典型應用［J］.建筑技藝，2011(Z1):95-99.

［7］王剛，高燕輝.BIM 時代的項目管理［J］.建筑經濟，2011(S1):6-9.

［8］陳繼良，張東升.BIM 相關技術在上海中心大廈的應用［J］.建筑技藝，2011(Z1):104-107.