BIM和物聯網技術在大型建筑位移監控量測中的應用

黃 超 陳蕃鴻 許錦林 于三力 嚴順韜

中建一局華江建設有限公司 北京 100161

建筑物的整體平移，是在保持房屋整體性和可用性不變的前提下，將其從原址移到新址的過程。建筑物的整體平移監控量測，是保障建筑在位移過程中施工安全和結構安全的重要措施[1-4]。

傳統監控測量方式在采集數據后不能實現數據的及時傳遞與處理，數據的時效性無法得到保證。基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）廣泛應用于建筑全生命周期的大背景，并結合物聯網技術在“萬物互聯”領域的優勢，采用BIM和物聯網技術融合后的監控量測技術，能夠實現監測數據的共享及傳遞，可以準確評價平移過程中的狀態，有效地指導施工過程[5-8]。

基于監測點的實時信息，可有針對性地進行優化設計，確保平移方案可行，為建筑的正常平移提供技術支持。但BIM和物聯網技術在實際工程中的應用尚未成熟，本文將以廈門后溪長途汽車站平移工程為例，探究BIM和物聯網技術在大型建筑位移監控量測中的應用。

1 工程概況

1.1 建筑移位方式

后溪長途汽車站項目位于廈門市集美區后溪鎮，廈門（新）站西北側，建筑于2014年建成。建筑擬在地下2層進行切割，托換后，通過步履式連續頂推方式進行旋轉移位，如圖1所示。

圖1 建筑周邊情況及其旋轉平移示意

1.2 監測特點

1）在建筑旋轉移位過程中需特別監測房屋的姿態、關鍵部位內力及整體結構動力特性、房屋振動效應。

2）建筑移位長度超300 m，旋轉移位過程中步履式連續頂推的位移應與旋轉半徑成比例，確保結構的側面保持一定的平直，避免較大的側向變形。

3）由于移位切割位置在地下室2層，托換層安全受較大的單柱軸力及柱底彎矩影響，故需對關鍵托換節點進行監測。

4）原結構設計中部分梁板存在預應力鋼絞線布置，同時結構由于功能需求存在大跨結構，故需對大跨結構進行安全監測。

5）需對結構既有薄弱環節進行安全監測。

6）在建筑移位過程中，除重點監測托盤梁外，還應增加部分建筑本身構件的監測。

2 BIM和物聯網技術監控平臺搭建

2.1 BIM和物聯網技術背景

BIM 技術是指通過建模軟件（如Revit）建立建筑三維模型，利用數字化技術，為模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫，以達到工程信息在不同專業交換和共享的目的。

物聯網技術是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將相應的物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，從而實現對物體智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。

BIM和物聯網技術的融合，將采集到的實時數據與三維模型對應，實現數據的可視化，有利于工程信息的共享、施工過程的指導。

具體監控平臺構成如圖2所示。測測點進行對應編號。

圖2 監控平臺構成示意

4）現場布置平移監控量測測點，采用物聯網前端監測硬件自動關聯上傳至位移控制系統。

5）采用分布式互操作應用程序Web Service描述、發布、發現、協調和配置監控量測平臺和位移控制系統，使得基于BIM模型監測點的人機交互行為得以實時精準響應。

6）在監控量測平臺的三維平移模型上選擇測點，以查看測點的現場測試數據及變化曲線。

7）測試數據及變化曲線包括當前觀測值變化曲線、當前累計變化量曲線、當前變化速率以及測點狀態。其中，當測點數據發生更新時，由BIM遠程實時監控平臺查看數據自動更新。

3 監測方案

移位施工期間需對上部結構進行房屋整體形變、應變、沉降、振動、溫度等項目的監測。

3.1 應變監測

應變監測的內容是對計算分析得到的應變較大區域進行監測，主要是監測托換梁系在平移過程中的應變變化，觀察其是否出現異常情況。根據移位設計資料，初步確定托換梁的應變監測測點布置如圖3、圖4所示，共14個測點。采用光柵光纖應變計進行應變監測。

圖3 托盤梁的應變監測測點布置

圖4 站房一層梁的應變監測測點布置

2.2 實施步驟

1）利用BIM設計軟件構建平移初期及測點三維模型；以在平移建筑上選取的應力及高程點為對象，錄入平移力、質量、區域位置，形成三維信息化平移模型。

2）審核平移建筑三維平移模型的工程信息，生成輕量化的三維平移模型和屬性文件，將輕量化的三維平移模型和屬性文件導入監控量測平臺。

3）對平移建筑三維平移模型和現場布置的平移監控量

圖3中1#、2#、3#、5#、11#、12#測點在托盤梁跨中位置，4#、7#、9#測點在千斤頂上部位置，6#、8#、10#測點在托盤梁靠近柱位置。

圖4中13#、14#應變傳感器放置于站房一層梁（大跨度梁）的梁底靠近柱的位置，沿縱向方向布置。

3.2 房屋整體姿態監測

房屋整體姿態監測主要包括房屋不均勻沉降監測、關鍵部位的位移監測。測量時以反映建筑實時準確的形態為原則，防止其發生傾斜倒塌和整體偏轉。

監測采用光學測量和靜力水準儀測量2 種方法相結合的方式，經過后續對2 種方法所取得的數據結合處理，可實時準確地監測房屋不均勻沉降、房屋不同步變形等房屋整體變形姿態。

3.2.1 結構在水平方向上變形差異的監測

通過在建筑物中選定縱向方向上的位置放置2個激光位移計，來測定激光發射器與接收靶之間的相對位移。激光位移計的設定位置如圖5所示，可以監測結構在水平及豎直方向上的變形差異。

圖5 激光位移計的設定位置

3.2.2 房屋不均勻沉降測量

在建筑物托盤梁的頂面安裝靜力水準儀。通過水準儀測量的數據，推算出建筑物測點間的相對不均勻沉降。靜力水準儀的設定位置如圖6所示。

圖6 靜力水準儀的設定位置

3.3 移位過程中不利工況下的結構實時動態監測

結構在移位過程中主要會面臨起止加速度作用、千斤頂頂推不同步、千斤頂頂升不同步或者頂升點失效等3 種不利工況。該3 種工況對移位結構的性能影響較大，因此需要針對這3 種不利工況的受力特點，補充實時的動態監測內容。振動控制點共計8 個，采用光柵光纖加速度計進行監測。

建筑物托盤梁表面的振動控制點如圖7所示。

圖7 托盤梁振動控制點

圖7中1#、2#、3#測點分別為測量建筑物縱向、橫向、垂直向加速度的傳感器。布置位置為A-15 軸上靠近A-16軸的小托盤梁跨中位置。

一層樓板加速度測點如圖8所示。其中4#、5#測點分別為測量建筑物縱向、橫向加速度的傳感器。

圖8 一層樓板加速度測點

二層樓板加速度測點如圖9所示。其中6#、7#、8#測點分別為測量建筑物縱向、橫向、垂直向加速度的傳感器。

圖9 二層樓板加速度測點

3.4 建筑物溫度監測

建筑物托盤梁上安放2個溫度監測傳感器，具體位置如圖10所示。采用光柵光纖溫度傳感器進行溫度監測。

圖10 溫度監測傳感器位置

3.5 全站儀監測

采用一個全站儀監測建筑物縱向方向全長的水平偏移量及垂直偏移量。測點布置如圖11所示。

圖11 全站儀安放位置點

4 監測報告

4.1 監測報警值設置

以控制建筑物的托換梁、建筑物梁、板、柱的材料受力在彈性范圍內及保護非結構構件的使用功能為準則，依據以往文獻資料總結、實際工程經驗以及針對汽車站主站房所做的分析，明確移位監測過程中各項監測指標的預警值及報警值見表1。

表1 監測預警值及報警值

4.2 監測報警

當監測項目的變化速度達到表1中規定值或連續3 d超過該值的70%時，應報警；當出現下述情況之一時，必須立即進行危險報警，通知建設、設計、施工、監理及其他相關單位對汽車站主站房結構采取應急措施，保證汽車站主站房結構及周邊環境的安全。

1）監測數據達到監測報警值的累計值。

2）汽車站主站房結構位移值突然明顯增大。

3）汽車站主站房結構下部的托換結構、上部結構支撐構件、柱等出現過大的變形、壓屈、斷裂等跡象。

4）汽車站主站房結構出現較嚴重的突發裂縫或危害結構的變形裂縫。

5）根據當地工程經驗判斷，出現其他必須進行危險報警的情況。

在異常情況下的監測措施如下：

1）當監測數據出現異常時，應分析原因，且立即向委托方報告。

2）當監測數據達到報警值時，應立即向委托方報警，并預測其變化趨勢，在征得委托方同意后應加強監測，提高監測頻率。

3）當有危險事故征兆時，采取實時跟蹤監測措施，同時及時向委托方報告監測結果并提出相關建議。

4.3 監測結果

監測過程中，監測結果實時發布，并將其推送給用戶。如出現緊急情況，應及時分析數據異變情況，增加監測報告。本工程中各監測項目的數據均未超過預警值和報警值。

5 結語

本文通過BIM與物聯網技術的融合，對建筑平移過程中的監控量測平臺功能開發進行了介紹。通過BIM技術，將物聯網前端感知設備按照實際位置分布于BIM模型中并一一對應。

同時，對實施案例的工程特點和難點以及相應采取的監控量測關鍵技術進行了描述。通過監控量測平臺的實時監測和各項數據記錄，得出了建筑位移過程中各個階段的數據內容。

移位工程中結構受力較為復雜，需要結合結構的特點對移位方案進行具體的分析，對施工過程和就位后的建筑物進行監測，保證其使用性和安全性。傳統監控量測方式難以實時獲得相應的數據并儲存分析，通過融合BIM與物聯網技術的監控量測平臺，在不增加技術人員工作量的情況下，可以實現建筑平移過程中監測數據的共享以及傳遞，有效地提升工作效率。在三維環境中，可以對監測數據進行可視化的動態查看與管理，保證了建筑平移施工的安全。