基于BIM虛擬技術的高速公路基坑變形監測方法研究

摘要：傳統基坑變形監測方法是在二維平面設計圖上布設的監測點，導致監測結果的精度較低，鑒于此，對基于BIM虛擬技術的高速公路基坑變形監測方法進行研究。采集并預處理高速公路基坑的點云數據，基于BIM虛擬技術建立高速公路基坑的BIM模型，將BIM模型轉換成有限元模型，對高速公路基坑變形進行數值模擬分析。實例結果表明，設計方法下高速公路基坑變形量的模擬值與實測值之間平均誤差僅1.75mm，在合理范圍內，證實了該方法的可行性。

關鍵詞：BIM虛擬技術；高速公路；基坑變形；監測方法

0 引言

近年來，經過信息化技術的快速發展，各行各業均出現了日新月異的變化，尤其是在建筑領域中，信息化技術為高速公路基坑變形監測帶來了全新的生機，利用有限元分析軟件進行基坑變形的數值模擬，不僅可以保障基坑變形監測的安全性，而且有效提高了監測效率。但在進行高速公路基坑變形的有限元分析時，基坑模型中監測點的布置位置難以確定，一定程度上影響了監測結果的精度，為解決該問題，本文針對高速公路基坑變形監測方法展開進一步地研究。

1 基于BIM虛擬技術的高速公路基坑變形監測技術

1.1 采集并預處理高速公路基坑點云數據

在本文設計的高速公路基坑變形監測方法中，為構建基坑的BIM模型，使用三維激光掃描儀采集基坑的點云數據（point cloud data），這是監測技術實施的前提和基礎。為此本章重點介紹高速公路基坑點云數據的采集與預處理方法[1]。

1.1.1 掃描距離計算

三維激光掃描儀利用激光測距原理，對高速公路基坑進行測量定位。在掃描儀工作期間，可以根據記錄器記錄的信息掌握脈沖激光信號往返掃描儀與被測目標點之間的距離，其表達式如下：

（1）

式（1）中：D表示三維激光掃描儀與被測基坑目標點之間的掃描距離；Vc表示光速；tc表示脈沖激光信號往返掃描儀與目標點之間的時間。

1.1.2 掃描點坐標信息計算

在式（1）的基礎上進行計算，即可得到高速公路基坑各個掃描點的坐標信息，其計算公式如下：

（2）

式（2）中：（X0，Y0，Z0）表示高速公路基坑上的掃描點空間坐標信息；α表示掃描點在水平方向上的投影夾角；β表示三維激光掃描儀相對于水平方向的掃描角度。通過上述步驟，即可采集到高速公路基坑全部掃描點的點云數據。

1.1.3 掃描點的標準差計算

受三維激光掃描儀自身與外界環境等因素的影響，采集的原始點云數據質量較差，存在大量噪聲。如果直接用于建模，可能會造成基坑的BIM模型與實際相差較大[2]，因此需要對采集的原始點云數據做去噪處理。

綜合考慮高速公路基坑點云數據的特點，采用統計濾波去噪方法，將數據中稀疏離群噪聲點去除掉，僅保留有效點云數據。假設高速公路基坑點云數據集中某個掃描點數據，與其鄰域內各點數據之間的平均距離為，根據平均距離即可計算出該掃描點的標準差，其表達式如下：

（3）

式（3）中：ε表示基坑點云數據的標準差；μ表示所有點云數據與其領域內點云數據之間平均距離的均值；n表示基坑掃描點i的鄰域內所有點云的數量。

1.1.4 數據濾波去噪

在進行高速公路基坑點云數據濾波去噪時，先將原始點云數據輸入濾波器中，從而得到各_{MGFR7SMuK2DZOkbZYQvMrA==}掃描點的平均距離；然后根據式（3）求出掃描點標準差，以標準差的倍數來確定濾波范圍。如果平均距離L— i在此范圍內，說明這是有效的點云數據需要保留。如果平均距離L— i在此范圍外，說明這是噪聲點需要剔除。最后按照上述步驟，對采集的全部高速公路基坑點云數據進行篩選[3]，從而得到去除噪聲的高質量的點云數據，用于后續基坑建模之中。

1.2 基于BIM虛擬技術的基坑變形數值模擬

BIM國內直譯為建筑信息模型[4]，能夠以數字化、可視化的形式呈現多維建筑的信息數據，所以被廣泛應用于我國建筑領域。在傳統高速公路基坑變形數值模擬中，一般構建基坑有限元模型時難以精確掌握監測點的位置，導致監測結果誤差較大，所以本文結合BIM虛擬技術的可視化特點，進行高速公路基坑變形數值模擬的研究。

1.2.1 構建BIM模型

構建基坑的BIM模型，需要在高速公路基坑點云數據的基礎上，采用功能全面、性能穩定的Revit軟件來實現[5]：

首先，根據高速工程基坑工程的實際情況，對項目中基坑與支護構件進行標準化命名。其中支護構件的名稱包含著構件的位置、類別、尺寸等數據，所以每一個構件均有著獨一無二的名稱。

其次，分別繪制出基坑與支護構件的BIM模型，這里主要通過Revit軟件中的系統族功能創建構件模型，并將其載入到工程項目中，形成高速公路基坑工程的整體BIM模型。

最后，在高速公路基坑的BIM模型中需要設置出監測點單元模型，從而實現基坑變形監測點的三維可視化。基坑監測點單元模型主要采用水準斷面監測法繪制，也就是在基坑重點地段分別設置水平位移與沉降的監測斷面，并在每一個監測斷面上布置多個監測點，從而形成基坑變形監測點基元模型，與基坑單元和支護單元構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，需要將其轉換為有限元模型[6]，從而進行數值模擬分析。本文利用BIM模型生成高速公路深基坑的有限元模型時，主要采用了ANSYS（大型通用有限元分析）軟件，將BIM模型導入軟件中，利用ANAYS APDL命令流轉化功能，實現有限元分析模型的生成。

在高速公路基坑有限元模型生成過程中，本文通過DP材料來模擬基坑土體的本構行為，其計算公式為：

（4）

式（4）中：K1表示基坑土體材料應力的第一不變量；K2表示基坑土體材料應力的第二不變量；η表示土體材料粘結力參數；φ表示土體材料內摩擦角參數。

與此同時，為建模方便，將基坑常規鋼管樁或混凝土樁等支護結構的剛度，轉換為一定厚度的地連墻，其表達式如下：

（5）

式（5）中：W表示基坑支護樁的凈距；H表示基坑地連墻的厚度；R表示基坑支護樁的樁徑。

1.2.3 確定模擬基坑開挖施工工序和內容

當完成高速公路基坑BIM模型的轉化之后，通過“激活”與“鈍化”施工工序，來模擬高速公路基坑施工過程，并得到變形模擬值。根據我國高速公路基坑實際施工特點，確定模擬基坑開挖施工工序和內容如表1所示。

本文主要考慮了高速公路基坑工程中支護結構，在重力場的全開挖過程中的結構變形情況，不考慮降水等因素的作用，所以本文在ANAYS有限元分析模型中，將基坑開挖的分析類型設置為應力類型，然后加載有限元模型后，即可獲得高速公路基坑變形監測模擬數據。

2 實例分析

為了驗證本文所設計的基于BIM虛擬技術的高速公路基坑變形監測方法的實用性，將其應用于工程實例。將BIM虛擬技術所得基坑變形模擬數值，與實際監測數據進行對比，從而及時反饋設計方法應用效果。

2.1 測點布設

本文以高速公路工程一標段為例開展基坑變形監測。在進行高速公路基坑施工時，基坑設計深度為8.5m，基坑長度在20～24m之間，沿著高速公路基坑坡頂的周邊均勻設置了26個監測點，分別命名標記為A1～A26，各監測點之間的間距為25m。

在該基坑施工期間，每天到施工現場實時觀測土體的水平位移與沉降數據。施工過程中，對基坑邊坡坡頂土體的變形情況進行實時監測。基坑邊坡坡頂土體變形監測點平面布置如圖1所示。

2.2 監測結果分析

2.2.1 監測參數選取

先建立高速公路基坑的BIM模型，再將其轉化為有限元分析模型，展開基坑變形的數值模擬，確保模型上的各監測點與實際監測點編號一致、互相對應。為方便對比，本章從26個基坑變形監測點中選取A3、A10、A16、A23這4個具有代表性的監測點，然后分別獲取6道施工工序下，這4個監測點處基坑邊坡坡頂土體水平位移、沉降模擬值與實際監測值，然后進行對比。

2.2.2 監測結果分析

基坑坡頂水平位移模擬值與實測值對比結果如圖2所示。基坑坡頂沉降模擬值與實測值對比結果如圖3所示。從圖2、圖3可以看出，隨著基坑開挖深度的不斷增加，邊坡坡頂土體的變形情況越來越嚴重，且在這6道工序下，土體水平位移與沉降的模擬值和實測值趨勢一致。

將每一個監測點下的基坑變形模擬值與實測值分別進行對比可知，在工序6也就是高速公路基坑開挖與支護的最后一道工序中，基坑邊坡坡頂土體形變達到最大值，其中基坑邊坡土體最大水平位移的模擬值與實測值均出現在監測點A10，分別為18.1mm、19.9mm，絕對誤差為1.8mm。基坑邊坡土體最大沉降量的模擬值與實測值均出現在監測點A16，分別為22.5mm、24.2mm，絕對誤差為1.7mm。

由此可以說明，在高速公路基坑工程中，本文設計方法不僅可以有效監測基坑變形情況，而且監測值與實際值之間的平均相對誤差僅為1.75mm，在合理范圍內。

3 結束語

基坑工程具有施工技術多、風險程度高等特點，為避免工程事故，本文研究一種高速公路基坑變形監測方法。首先利用三維激光掃描技術獲取了基坑的點云數據，然后通過BIM虛擬技術對基坑變形進行了數值模擬分析，并依托實際項目對設計方法的有效性與正確性進行了驗證。雖然本文已經取得一定研究成果，但基坑變形的模擬值仍小于實際值，這主要是因為利用BIM虛擬技術進行數值模擬分析時，對實際工程進行了簡化，很多外界因素沒有考慮進來，所以未來需對設計方法進行完善，進一步提升高速公路基坑變形的監測精度。

參考文獻

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[6] 芮勇勤，于曉莎.地鐵站間臨近聯絡線基坑施工過程變形力學特性數值模擬[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2022，38（1）：33-41.