BIM和物联网技术在大型建筑位移监控量测中的应用

黄 超 陈蕃鸿 许锦林 于三力 严顺韬

中建一局华江建设有限公司 北京 100161

建筑物的整体平移，是在保持房屋整体性和可用性不变的前提下，将其从原址移到新址的过程。建筑物的整体平移监控量测，是保障建筑在位移过程中施工安全和结构安全的重要措施[1-4]。

传统监控测量方式在采集数据后不能实现数据的及时传递与处理，数据的时效性无法得到保证。基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）广泛应用于建筑全生命周期的大背景，并结合物联网技术在“万物互联”领域的优势，采用BIM和物联网技术融合后的监控量测技术，能够实现监测数据的共享及传递，可以准确评价平移过程中的状态，有效地指导施工过程[5-8]。

基于监测点的实时信息，可有针对性地进行优化设计，确保平移方案可行，为建筑的正常平移提供技术支持。但BIM和物联网技术在实际工程中的应用尚未成熟，本文将以厦门后溪长途汽车站平移工程为例，探究BIM和物联网技术在大型建筑位移监控量测中的应用。

1 工程概况

1.1 建筑移位方式

后溪长途汽车站项目位于厦门市集美区后溪镇，厦门（新）站西北侧，建筑于2014年建成。建筑拟在地下2层进行切割，托换后，通过步履式连续顶推方式进行旋转移位，如图1所示。

图1 建筑周边情况及其旋转平移示意

1.2 监测特点

1）在建筑旋转移位过程中需特别监测房屋的姿态、关键部位内力及整体结构动力特性、房屋振动效应。

2）建筑移位长度超300 m，旋转移位过程中步履式连续顶推的位移应与旋转半径成比例，确保结构的侧面保持一定的平直，避免较大的侧向变形。

3）由于移位切割位置在地下室2层，托换层安全受较大的单柱轴力及柱底弯矩影响，故需对关键托换节点进行监测。

4）原结构设计中部分梁板存在预应力钢绞线布置，同时结构由于功能需求存在大跨结构，故需对大跨结构进行安全监测。

5）需对结构既有薄弱环节进行安全监测。

6）在建筑移位过程中，除重点监测托盘梁外，还应增加部分建筑本身构件的监测。

2 BIM和物联网技术监控平台搭建

2.1 BIM和物联网技术背景

BIM 技术是指通过建模软件（如Revit）建立建筑三维模型，利用数字化技术，为模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，以达到工程信息在不同专业交换和共享的目的。

物联网技术是指通过信息传感设备，按约定的协议，将相应的物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，从而实现对物体智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

BIM和物联网技术的融合，将采集到的实时数据与三维模型对应，实现数据的可视化，有利于工程信息的共享、施工过程的指导。

具体监控平台构成如图2所示。测测点进行对应编号。

图2 监控平台构成示意

4）现场布置平移监控量测测点，采用物联网前端监测硬件自动关联上传至位移控制系统。

5）采用分布式互操作应用程序Web Service描述、发布、发现、协调和配置监控量测平台和位移控制系统，使得基于BIM模型监测点的人机交互行为得以实时精准响应。

6）在监控量测平台的三维平移模型上选择测点，以查看测点的现场测试数据及变化曲线。

7）测试数据及变化曲线包括当前观测值变化曲线、当前累计变化量曲线、当前变化速率以及测点状态。其中，当测点数据发生更新时，由BIM远程实时监控平台查看数据自动更新。

3 监测方案

移位施工期间需对上部结构进行房屋整体形变、应变、沉降、振动、温度等项目的监测。

3.1 应变监测

应变监测的内容是对计算分析得到的应变较大区域进行监测，主要是监测托换梁系在平移过程中的应变变化，观察其是否出现异常情况。根据移位设计资料，初步确定托换梁的应变监测测点布置如图3、图4所示，共14个测点。采用光栅光纤应变计进行应变监测。

图3 托盘梁的应变监测测点布置

图4 站房一层梁的应变监测测点布置

2.2 实施步骤

1）利用BIM设计软件构建平移初期及测点三维模型；以在平移建筑上选取的应力及高程点为对象，录入平移力、质量、区域位置，形成三维信息化平移模型。

2）审核平移建筑三维平移模型的工程信息，生成轻量化的三维平移模型和属性文件，将轻量化的三维平移模型和属性文件导入监控量测平台。

3）对平移建筑三维平移模型和现场布置的平移监控量

图3中1#、2#、3#、5#、11#、12#测点在托盘梁跨中位置，4#、7#、9#测点在千斤顶上部位置，6#、8#、10#测点在托盘梁靠近柱位置。

图4中13#、14#应变传感器放置于站房一层梁（大跨度梁）的梁底靠近柱的位置，沿纵向方向布置。

3.2 房屋整体姿态监测

房屋整体姿态监测主要包括房屋不均匀沉降监测、关键部位的位移监测。测量时以反映建筑实时准确的形态为原则，防止其发生倾斜倒塌和整体偏转。

监测采用光学测量和静力水准仪测量2 种方法相结合的方式，经过后续对2 种方法所取得的数据结合处理，可实时准确地监测房屋不均匀沉降、房屋不同步变形等房屋整体变形姿态。

3.2.1 结构在水平方向上变形差异的监测

通过在建筑物中选定纵向方向上的位置放置2个激光位移计，来测定激光发射器与接收靶之间的相对位移。激光位移计的设定位置如图5所示，可以监测结构在水平及竖直方向上的变形差异。

图5 激光位移计的设定位置

3.2.2 房屋不均匀沉降测量

在建筑物托盘梁的顶面安装静力水准仪。通过水准仪测量的数据，推算出建筑物测点间的相对不均匀沉降。静力水准仪的设定位置如图6所示。

图6 静力水准仪的设定位置

3.3 移位过程中不利工况下的结构实时动态监测

结构在移位过程中主要会面临起止加速度作用、千斤顶顶推不同步、千斤顶顶升不同步或者顶升点失效等3 种不利工况。该3 种工况对移位结构的性能影响较大，因此需要针对这3 种不利工况的受力特点，补充实时的动态监测内容。振动控制点共计8 个，采用光栅光纤加速度计进行监测。

建筑物托盘梁表面的振动控制点如图7所示。

图7 托盘梁振动控制点

图7中1#、2#、3#测点分别为测量建筑物纵向、横向、垂直向加速度的传感器。布置位置为A-15 轴上靠近A-16轴的小托盘梁跨中位置。

一层楼板加速度测点如图8所示。其中4#、5#测点分别为测量建筑物纵向、横向加速度的传感器。

图8 一层楼板加速度测点

二层楼板加速度测点如图9所示。其中6#、7#、8#测点分别为测量建筑物纵向、横向、垂直向加速度的传感器。

图9 二层楼板加速度测点

3.4 建筑物温度监测

建筑物托盘梁上安放2个温度监测传感器，具体位置如图10所示。采用光栅光纤温度传感器进行温度监测。

图10 温度监测传感器位置

3.5 全站仪监测

采用一个全站仪监测建筑物纵向方向全长的水平偏移量及垂直偏移量。测点布置如图11所示。

图11 全站仪安放位置点

4 监测报告

4.1 监测报警值设置

以控制建筑物的托换梁、建筑物梁、板、柱的材料受力在弹性范围内及保护非结构构件的使用功能为准则，依据以往文献资料总结、实际工程经验以及针对汽车站主站房所做的分析，明确移位监测过程中各项监测指标的预警值及报警值见表1。

表1 监测预警值及报警值

4.2 监测报警

当监测项目的变化速度达到表1中规定值或连续3 d超过该值的70%时，应报警；当出现下述情况之一时，必须立即进行危险报警，通知建设、设计、施工、监理及其他相关单位对汽车站主站房结构采取应急措施，保证汽车站主站房结构及周边环境的安全。

1）监测数据达到监测报警值的累计值。

2）汽车站主站房结构位移值突然明显增大。

3）汽车站主站房结构下部的托换结构、上部结构支撑构件、柱等出现过大的变形、压屈、断裂等迹象。

4）汽车站主站房结构出现较严重的突发裂缝或危害结构的变形裂缝。

5）根据当地工程经验判断，出现其他必须进行危险报警的情况。

在异常情况下的监测措施如下：

1）当监测数据出现异常时，应分析原因，且立即向委托方报告。

2）当监测数据达到报警值时，应立即向委托方报警，并预测其变化趋势，在征得委托方同意后应加强监测，提高监测频率。

3）当有危险事故征兆时，采取实时跟踪监测措施，同时及时向委托方报告监测结果并提出相关建议。

4.3 监测结果

监测过程中，监测结果实时发布，并将其推送给用户。如出现紧急情况，应及时分析数据异变情况，增加监测报告。本工程中各监测项目的数据均未超过预警值和报警值。

5 结语

本文通过BIM与物联网技术的融合，对建筑平移过程中的监控量测平台功能开发进行了介绍。通过BIM技术，将物联网前端感知设备按照实际位置分布于BIM模型中并一一对应。

同时，对实施案例的工程特点和难点以及相应采取的监控量测关键技术进行了描述。通过监控量测平台的实时监测和各项数据记录，得出了建筑位移过程中各个阶段的数据内容。

移位工程中结构受力较为复杂，需要结合结构的特点对移位方案进行具体的分析，对施工过程和就位后的建筑物进行监测，保证其使用性和安全性。传统监控量测方式难以实时获得相应的数据并储存分析，通过融合BIM与物联网技术的监控量测平台，在不增加技术人员工作量的情况下，可以实现建筑平移过程中监测数据的共享以及传递，有效地提升工作效率。在三维环境中，可以对监测数据进行可视化的动态查看与管理，保证了建筑平移施工的安全。