基于3DGIS+BIM+I...改造数字化安全监控集成平台_潘峰.pdf

建筑施工第44卷第12期2833基于3DGISBIMIoT的历史保护建筑修缮改造数字化安全监控集成平台潘 峰1 时春霞1 吴 跃1 宋沈晓悦21.上海建工五建集团有限公司 上海 200063；2.上海建工集团股份有限公司 上海 200080摘要：在上海华东医院南楼的修缮改造过程中，为确保顶升改造的安全性和提高施工管理的效率，专门研发了一套基于3DGISBIMIoT的历史保护建筑修缮改造数字化安全监控集成平台，通过三维扫描仪、智能传感器及无线传输设备等收集数据，实时传送到系统平台，形成了一套实时、动态、立体的全施工过程监控系统，实现了远距离、实时、同步对历史保护建筑的施工管理和控制，解决了历史保护建筑修缮改造过程中的质量、安全、进度等管理问题，可为工程建设保驾护航。关键词：历史保护建筑；修缮改造；数字化；安全监控平台中图分类号：TU746 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-2833-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.007Digitalization Safety Monitoring Integrated Platform for Historic Preservation Building Restoration and Renovation Based on 3DGIS+BIM+IoTPAN Feng1 SHI ChunXia1 WU Yue1 SONG Shenxiaoyue21.Shanghai Construction No.5(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China;2.Shanghai Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200080,ChinaAbstract:In the restoration and renovation process of the South Building of Huadong Hospital in Shanghai,a set of digitalization safety monitoring integrated platform based on 3DGIS+BIM+IoT for the restoration and renovation of historic protection buildings is specially developed to ensure the safety of jacking and renovation and to improve the efficiency of construction management.Data are collected through 3D scanners,intelligent sensors and wireless transmission devices,and are transmitted to the system platform in real time.A real-time,dynamic and 3D monitoring system of the whole construction process is formed.It realizes the construction management and control of historic preservation buildings from a long distance,in real time and synchronously,and solves the management problems of quality,safety and progress in the restoration and renovation process of historic preservation buildings.It can guarantee the safe construction of the project.Keywords:historic preservation building;restoration and renovation;digitalization;safety monitoring platform目前，有不少历史保护建筑开发了相应的平台。如上海玉佛禅寺大雄宝殿平移顶升项目开发了施工过程远程监控平台，实现了对平移进度、油缸压力、结构变形、佛像倾斜的实时监测和4D模拟1；以宋庆龄故居为对象，开发了基于BIM技术的安全管理与监控平台，提升建筑管理工作的效率2；武汉优秀历史建筑翟雅阁博物馆开发了基于历史建筑信息模型的数字化展示平台，数据采集建立三维模型，进行仿真体验3。本文以上海市文物保护建筑华东医院南楼为研究对象，研发了一套历史保护建筑修缮改造数字化安全监控集成平台，是基于3DGISBIMIoT的可视化、数字化管理平台，通过三维扫描仪、智能传感器及无线传输设备等智能设备，可以实时监控施工情况。该平台主要包括数字化顶升实时监测、结构响应实时监测、风险评估以及进度管理四大功能，形成了实时、动态、立体的监控系统，减少人工作业，解决了历史保护建筑修缮改造过程中的质量、安全、进度等管理问题。上海市目前总共有1 200万 m2历史性建筑，包括了1 058处共3 075栋，约430万 m2优秀历史建筑。在这众多的历史建筑长期服役过程中，存在着建筑老化、材料劣化、结构退化等严重问题，亟待社会的重视和解决。在对历史建筑修缮改造过程中，传统的施工管理手段具有偏人工作业、效率低、精度差、不能实时监测等问题，跟不上时代的需求和发展。上海市城市更新条例落地后，对历史建筑及其周边建设、成片历史风貌区域的保护提出了更高的要求。通过采用数字化、信息化、智能化的方式，变革传统施工管理手段，提高历史建筑的施工质量和管理效率，正是解决历史保护建筑修缮改造中难题的方法之一。作者简介：潘 峰（1981），男，硕士，正高级工程师。通信地址：上海市普陀区大渡河路858号（200333）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-21华东医院修缮专题SPECIAL TOPICS ON RENOVATION OF HUADONG HOSPITAL202212Building Construction28341 工程概况华东医院南楼是匈牙利著名建筑师邬达克主持完成第一个工程，且是上海市第一批优秀历史建筑、上海市文物保护单位。华东医院南楼始建于1926年，服役已近百年。本次修缮改造主要包括基础置换、增加地下室、结构整体顶升、结构加固、保护性修缮等工序，改善汛期排水困难、提高建筑的结构安全、延续建筑的历史风貌、延长建筑的使用寿命等。整个顶升建筑面积达1万 m2，累计质量达2.7万 t，是全国最大面积的历史保护建筑顶升工程，具有很大的研究意义4-5。2 工程特色与难点在华东医院南楼修缮改造过程中，因其特殊性，存在不少工程特色与难点，包括周边环境复杂、基础施工风险高、顶升难度巨大和承载能力退化等，具体如下：1）周边环境复杂。华东医院南楼附近具有较多紧邻的既有建筑、错综复杂的地下管道、单建式地下车库等。另外，在南楼下方局部土层位于古河道切割区。2）基础施工风险。在桩基施工及基坑开挖过程中，由于受地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其他因素的复杂影响，理论预测值还不能全面、准确地反映工程的各种变化，基础施工风险高。3）顶升难度巨大。华东医院南楼自身具有质量大、平面刚度差异大、单柱荷载差异大等构造特点，在拟进行的改造修缮施工过程中，基础托换等施工工况会产生上部荷载重分布，影响结构受力，顶升难度大。4）承载能力退化。在约百年的建筑服役过程当中，南楼的材料劣化严重，整体结构承载能力发生了明显退化，可能存在安全隐患。考虑到上述这些复杂原因，为确保修缮改造施工的安全性，有必要对华东医院南楼进行实时监控。通过搭建数字化安全监控集成平台，以完全客观真实地把握工程质量，同时对可能发生危及南楼本身及周围环境安全的隐患进行及时、准确的预报，确保工程安全。3 平台多源数据信息3.1 智能传感器监测数据为了确保施工过程中南楼的结构安全，同时为了数字化安全监控集成平台能收集到关键数据，对南楼进行多类型多方位的智能高精度监测，平台中包括的监测类型有：倾斜变形监测、沉降变形监测、梁和柱应力应变监测、多处裂缝宽度监测、整体顶升结构响应加速度监测和整体顶升竖向位移监测等等。通过在修缮改造全施工过程中布设智能高精度高频次传感器，收集大体量关键数据信息，利用无线传输设备实时传输到系统平台中。通过对大体量的监测数据进行挖掘、分析和利用，实现对华东医院南楼全方位、全施工过程、实时的精确监测。3.2 三维扫描数据采用专业的三维扫描仪对华东医院南楼进行全维度扫描，从而建立历史保护建筑的三维数字模型，真实记录扫描数据，并保存珍贵的模型数据。将扫描获得的建筑三维数字模型上传到系统平台，供施工前后的变形形态进行对比分析。3.3 BIM模型信息通过历史存留图纸和实地现场勘测，利用Revit软件搭建华东医院南楼的真实三维BIM实体模型，将建筑、结构和设备等转为BIM模型元素，实现华东医院南楼数据信息化。同时，将BIM模型上传到监控集成平台，作为平台搭建应用的可视化基础和源数据。3.4 三维地理信息（3DGIS）利用三维地理信息（3DGIS）数据，搭建华东医院南楼周边既有建筑、高架、道路和绿植等数据，在监控集成平台中真实还原华东医院南楼周边环境信息，可以满足数字化平台对可视化的要求。同时，给平台带来更好的项目展示和体验。4 数字化监控集成平台创新点通过将上述的多源数据信息融入数字化安全监控集成平台，共开发了数字化顶升实时监测、结构响应实时监测、风险评估以及进度管理四大功能。1）实时监测施工现场，真实反映建筑状态。通过布置多类型的高精度高灵敏度的传感器及无线传输设备，收集项目在整个施工期间的重要数据，真实反映历史保护建筑物工作状态，包括结构倾角、整体结构沉降、顶升位移、顶升加速度、裂缝发展，以及结构梁柱内力反应等，将监测数据实时上传到云端数据库。2）数字化安全风险评估，提供预警服务。以结构响应实时监测数据为基础，通过引入强度储备比公式，对构件和整体结构进行安全风险评估。划分安全风险等级，建立对应的实时数据库，对历史保护建筑在施工过程中的状态进行风险评估，并提供实时预警服务。3）全施工过程监测，确保施工安全。监测时间范围涵盖历史保护建筑的全施工过程，掌握施工过程全信息；能及时纠正各施工阶段的计划起止时间，从而精准把控施工进度。4）智能管理传感器设备，保障数据完整。平台可以对布设的传感器进行线上管理，不仅可以查看传感器在BIM三维模型上的真实位置，而且可以掌握传感器的工作潘峰、时春霞、吴跃、申明亮:基于3DGISBIMIoT的历史保护建筑修缮改造数字化安全监控集成平台建筑施工第44卷第12期2835状态是否正常，及时更换不良传感设备，保障信息数据完 整性。5 数字化监控集成平台主要内容5.1 历史保护建筑顶升实时监测技术华东医院南楼的顶升，是整个修缮改造的关键步骤，其安全性必须得到保障。在顶升过程中，需尽量减少结构的顶升位移差、精确控制顶升加速度。基于在南楼主体结构上所设置的高精度加速度传感器和激光测距仪，平台可以实现对各顶升行程的实时监测。通过融合BIM建筑模型和监测技术，实时展现结构的顶升加速度和顶升竖向 位移。此外，该安全监控集成平台还可以对传感器进行线上管理，查看各传感器所位于的结构部位、离线或在线状态，反馈监测数值异常的传感器位置和状态以及时纠偏。当顶升加速度、顶升竖向位移差接近报警阈值时，安全监控集成平台会反馈预警信息；超过报警阈值时，安全监控集成平台会进行报警。针对整体改造修缮的全过程，安全监控集成平台会记录不同时间点的报警频次，用以分析施工全过程的安全风险。5.2 历史保护建筑结构响应实时监测技术华东医院南楼修缮改造会使得结构竖向荷载重分布，使基础产生不均匀沉降，上部主体结构会基于基础的不均匀沉降作出结构响应。鉴于此，通过设置基础沉降传感器、主体结构倾斜传感器、结构梁柱应力传感器、裂缝传感器等多类型传感器，监控集成平台可对施工全过程的基础不均匀沉降、结构水平倾斜变化幅度、结构梁柱应力大小及应力变化、结构裂缝发展等进行实时监测。安全监控集成平台可以根据不同的监测类型，对传感器进行管理，调取每一个传感器监测点各时间点的监测数据和数据变化，并有针对性地设置各传感器参数。结合实时监测数据和所设置报警阈值，安全监控集成平台可对各类型监测进行实时报警，以保证改造修缮全施工过程中的结构安全和施工安全。5.3 历史保护建筑实时风险评估系统结合华东医院南楼项目运维管理的需要，安全监控集成平台还开发了实时风险评估系统模块。以实时监测数据为基础，计算获取各类型结构构件在不同施工工况下以及后续结构服役期间的强度储备比，并据此进行结构构件强度储备安全评级；运用3D扫描技术，可以对历史保护建筑施工前后的变形形态进行对比分析，实现历史保护建筑长期有效的数字化健康预测和风险评估。6 应用效果针对华东医院南楼材料和结构性能已发生退化，整体顶升平面面积大，结构基础置换和周边环境复杂等难题，通过应用数字化安全监控集成平台，取得了一系列成效：可以在修缮改造全施工工程中进行实时监测，实现历史保护建筑监测数据的自动化、精准化、实时化反馈，真实反映历史保护建筑的工作状态；对历史保护建筑进行数字化安全风险评估，建立相应的风险数据库，提供实时的风险预警；优化了工程管理模式，实现了在线、远距离、实时监控和管理，减少了人工操作工作量，减少了大量数据分析的工作量，实在地提高了管理效率。7 结语城市更新和数字化建造是建筑行业发展的两个重要方向。通过在文保建筑华东医院南楼修缮项目中研发了一套数字化安全监控集成平台，确保了修缮改造中的结构安全和施工安全，有效管理了施工现场，节省了开支，取得了良好的经济效益。同时，历史保护建筑的数字化应用，契合社会发展的需要，为具有较大风险的修缮改造项目提供了有力支撑，在科学技术和施工管理中发挥了综合优势，具有巨大的应用前景和社会效益，可为其他类似项目提供参考。1 余芳强.基于物联网与WebGL技术的移位远程智能监控平台J.建 筑施工,2018,40(3):318-320.2 上海市建筑科学研究院.历保建筑监管篇:宋庆龄故居安全管理与 监控平台的研用J.建筑科技,2018,2(6):9-11.3 吴莎冰,许颖.基于BIM的历史建筑数字展示平台与仿真体验系 统的开发:以翟雅阁博物馆为例J.工程建设与设计,2021(21):132-134.4 时春霞,何强,潘峰.既有建筑基础托换过程中的基础沉降分析J.建筑施工,2022,44(3):606-609.5 王丹丹,郝树远.基于多类型数据融合构建历史建筑数字化展示平 台:以龙沙公园为例J.绿色科技,2022,24(1):217-219.潘峰、时春霞、吴跃、申明亮:基于3DGISBIMIoT的历史保护建筑修缮改造数字化安全监控集成平台