基坑施工风险管控方法、系统和设备与流程

本发明涉及基坑施工风控领域，涉及一种基坑施工风险管控方法、系统和设备。

背景技术

近年来，随着工程项目的综合性趋势，整个建设项目中，一般不会仅仅是一个或二个基坑开挖，而是地下结构物比较多，经常同时有几个工程的基坑相继或者同步开挖，而且往往相邻很近。针对于超大规模基坑群施工安全的问题，由于其影响范围大，常常需要进行大规模的布点监测并及时反映各施工区域及其周边的安全状态。传统的监测方式伴随了大量的人力劳动，因而无法做到施工安全状态的及时预警。无线采集节点网络技术是一种新型的监测方式，特别是针对于复杂因素、施工节奏快、开挖规模大特点的基坑工程，它拥有传统监测不具备的低成本、无线化、实时性、自动化、大规模布点等无法比拟的优势。经检索，专利号20466518.x，名称为“一种基于物联网无线采集节点网络的深基坑监测装置”，专利号cn203276534u，名称为“基于无线传感技术的地下工程监测系统”，这两项实用新型专利都以介绍构成监测系统的无线传输网络硬件装置或可视化平台展示部分为主，局限性在于缺乏监测数据分析与评估的方法。

大数据分析方面，专利号cn102880918a，名称为“基于数据融合分析的深基坑风险评估方法”，借助三维数字模型，用以完整的记录并显示基坑施工的所有信息，并可以自动生成施工日志和监测报表，省却了复杂施工信息的记录工作。结合有限元技术、传统的静态评估、单监测动态评估以及多监测相关性评估的风险评估方法，克服了传统风险评估模糊评判的特点，局限性在于没有考虑客观因素对基坑响应的影响，评估不具有广泛性等。专利号cn106022634a，名称为“基于大数据分析的基坑风险管理方法与系统”，组建了基坑风险管理的硬件平台，收集基坑风险相关信息，获取基坑变形信息，将风险相关信息与历史信息比对分析作为成果数据，并以此判断基坑风险信息是否异常，并通过互联网执行推送操作，局限性在于基坑风险分析仅考虑了基坑变形及风险相关信息，分析评价也没有结合力学分析的方法，存在一定的主观性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中无法对基坑施工风险进行全面评估的问题，提出了一种基坑施工风险管控方法、系统和设备，以实现智能化的基坑施工风险管控，提高安全管理与作业效率。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种基坑施工风险管控方法，包括以下步骤：

根据基坑结构设计图纸、基坑周边建构筑物图纸和所述基坑周边建构筑物的地下管线图纸构建基坑施工的三维空间模型；

获取位于基坑的围护墙体及所述基坑周边建构筑物的监测点上的监测设备的安装信息和位置信息，以及基坑施工的进度信息；

将所述安装信息、所述位置信息和所述进度信息导入所述基坑施工的三维空间模型中实现可视化展示；

通过所述监测设备获取所述监测点的状态变化信息，并根据所述状态变化信息和获取所述状态变化信息对应的时间绘制监测时程曲线图；

将监测时程曲线图对应监测点的位置信息添加到所述三维空间模型中实现实时地在线监控；

将添加有监测时程曲线图的所述三维空间模型转换为力学模型，再将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到分析结果；

根据所述分析结果基于最不利原则计算出失效模式概率，根据预设的风险评估矩阵获取计算出的所述失效模式概率对应的风险等级，并将所述风险等级添加到所述三维空间模型中进行可视化展示。

优选地，所述方法还包括以下步骤：

定期生成评估报告推送给相关管理人员，和/或，将所述风险等级以警示灯或警示音的方式向在施工现场的工作人员进行预警。

优选地，在构建基坑施工的三维空间模型之前，需要先对基坑群进行分区，然后针对分区后的各个基坑构建基坑施工的三维空间模型。

优选地，所述分析结果的分析过程包括以下步骤：

将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到所述监测点对应的状态变化信息的数值解；

将得到的所述数值解输入到贝叶斯网络模型中进行融合分析，以得到所述数值解与监测获取的状态变化信息趋向一致时的新岩土参数；

将所述新岩土参数替代所述有限元模型中原有的岩土参数，再利用所述有限元模型对转换后的所述力学模型重新进行分析计算，得到所述监测点对应的状态变化信息的新数值解。

优选地，所述融合分析包括以下步骤：

通过响应面法建立所述岩土参数和所述状态变化信息间的定量关系；

通过蒙特卡洛-马尔科夫链法对所述岩土参数进行不确定性计算；

融合多源状态变化信息降低所述岩土参数取值的不确定性，使得所述数值解与监测获取的状态变化信息趋向一致。

优选地，所述安装信息用于区别安装在所述监测点的监测设备的种类，并通过颜色和/或形状显示在三维空间模型中对应监测点的位置上，以区分安装在所述监测点上的监测设备的种类；所述进度信息包括已完成、施工中和未施工，通过打标签的方式显示在三维空间模型中对应监测点的位置上，以跟踪所述监测点的施工进度。

优选地，所述状态变化信息包括：基坑围护墙体的侧向倾斜变化信息、内支撑的轴力变化信息、地下水的水位变化信息、基坑围护墙体的裂缝变化信息、基坑围护墙体的渗漏水变化信息、基坑周边建构筑物的倾斜变化信息。

本发明还公开了一种基坑施工风险管控系统，包括：

模型构建模块，用于根据基坑结构设计图纸、基坑周边建构筑物图纸和所述基坑周边建构筑物的地下管线图纸构建基坑施工的三维空间模型；

进度管理模块，用于获取位于基坑的围护墙体及所述基坑周边建构筑物的监测点上的监测设备的安装信息和位置信息，以及基坑施工的进度信息；

监测数据采集模块，用于通过所述监测设备获取所述监测点的状态变化信息；

监控可视化模块，用于将所述安装信息、所述位置信息、所述进度信息和风险等级导入所述基坑施工的三维空间模型中实现可视化展示，还用于将根据所述状态变化信息和获取所述状态变化信息对应的时间绘制监测时程曲线图添加到所述三维空间模型中实现实时地在线监控；

融合分析模块，用于将添加有监测时程曲线图的所述三维空间模型转换为力学模型，再将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到分析结果；

风险评估模块，用于根据所述分析结果基于最不利原则计算出失效模式概率，根据预设的风险评估矩阵获取计算出的所述失效模式概率对应的风险等级。

优选地，还包括：

报告生成推送模块，用于定期生成评估报告推送给相关管理人员；和/或，

预警模块，用于将所述风险等级以警示灯或警示音的方式向在施工现场的工作人员进行预警。

本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现前述任一项所述的基坑施工风险管控方法的步骤。

本发明的积极进步效果在于：

1、基于三维建模技术提高施工进度管理和结构响应监控效率；

2、采用多源异构数据融合技术和专家信息库的技术能结合定量分析和经验判断两种优势形成更为科学的风险评估；

3、通过多种预警方式展示评估结果，还通过现场预警的方式告知一线施工人员，极大提高了安全管理与作业效率。

附图说明

图1示出了本发明基坑施工风险管控方法实施例一的流程图；

图2示出了本发明基坑施工风险管控方法中使用到的风险评估矩阵图；

图3示出了本发明基坑施工风险管控方法实施例二的流程图；

图4示出了本发明基坑施工风险管控方法实施例四的流程图；

图5示出了本发明基坑施工风险管控系统第一实施例的程序模块图；

图6示出了本发明基坑施工风险管控系统第二实施例的程序模块图；

图7示出了本发明计算机设备一实施例的硬件架构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

首先，本发明提出一种基坑施工风险管控方法。

在实施例一中，如图1所示，所述的基坑施工风险管控方法包括如下步骤：

步骤01：根据基坑结构设计图纸、基坑周边建构筑物图纸和所述基坑周边建构筑物的地下管线图纸构建基坑施工的三维空间模型。

这里三维空间模型可以直接采用bim软件来实现，根据基坑结构设计图纸、基坑周边建构筑物图纸和所述基坑周边建构筑物的地下管线图纸在bim软件中生成相应的三维空间模型。

步骤02：获取位于基坑的围护墙体及所述基坑周边建构筑物的监测点上的监测设备的安装信息和位置信息，以及基坑施工的进度信息。

为监测基坑建设对其围护墙体及其周边建构筑物的影响，需要预先在基坑的围护墙体及所述基坑周边建构筑物选择监测点，然后在这些监测点上安装相应的监测设备，监测设备包括但不限于倾角采集设备、应变计、应力计、裂缝采集设备、渗漏水采集设备、水头压力采集设备等，这些设备的传输方法优选采用无线传输，但不排除有线传输等其他传输方式。

监测点的选择和检测设备的安装可参照如下：

为监测土方开挖过程中的围护墙体倾斜度状态及变化趋势，在每层土方开挖过后于围护墙体表面安装倾角采集设备，监测点位置选择为开挖下层土过程中上两道支撑间围护墙体倾斜变化的最大点。

待支撑安装到设计位置后，在钢支撑1/3跨径处表面焊接应变计(如果是混凝土撑则在内部钢筋焊接应力计)，用以采集土方开挖过程中支撑的轴力变化信息，用无线振弦式采集节点连接以上应变计或应力计可接收测量信息并对外发送。

若施工过程中发现围护墙体表面产生了裂缝或者渗漏水，可在损伤处安装裂缝采集设备和/或渗漏水采集设备，并连接无线采集节点实时跟踪裂缝和/或渗漏水的变化状态。

在开挖区域附近选择某深层钻孔底部安装水头压力采集设备，并通过引线连接至地表的无线采集节点，可用以实时监测地下水位变化。

在基坑开挖影响范围内的重要建构筑物外墙上安装倾角采集设备，用以实时监测基坑施工过程建筑物的位移状态。

安装信息指的是安装在所述监测点的监测设备的种类，即监测设备的具体名称，比如前述的倾角采集设备、应变计等；这些监测设备通过颜色和/或形状显示在三维空间模型中对应监测点的位置上，可使监控人员一目了然地区分安装在所述监测点上的监测设备的种类。

位置信息指的是安装监测设备的位置，即监测点的位置。

基坑施工的进度信息主要包括已完成、施工中和未施工三种，通过打标签的方式显示在三维空间模型中对应监测点的位置上，以跟踪所述监测点的施工进度。

步骤03：将所述安装信息、所述位置信息和所述进度信息导入所述基坑施工的三维空间模型中实现可视化展示。

安装信息、位置信息和进度信息主要由现场工人根据实际情况，将信息按统一格式汇总在表格，然后将表格导入到三维空间模型中就可以实现可视化展示了。

步骤04：通过所述监测设备获取所述监测点的状态变化信息，并根据所述状态变化信息和获取所述状态变化信息对应的时间绘制监测时程曲线图。

状态变化信息是指通过监测设备实际监测到的关于监测点状态变化的数据。根据前述监测点的选择和检测设备的安装，主要包括：基坑围护墙体的侧向倾斜变化信息、内支撑的轴力变化信息、地下水的水位变化信息、基坑围护墙体的裂缝变化信息、基坑围护墙体的渗漏水变化信息、基坑周边建构筑物的倾斜变化信息。

优选地，通过监测设备获取的所述状态变化信息，先要通过微处理器内置的小波阈值降噪算法剔除因环境因素和监测设备自身因素造成的误差。

监测时程曲线图根据状态变化信息绘制，而状态变化信息是实时变化的，因此监测时程曲线图也会随之变化。

步骤05：将监测时程曲线图对应监测点的位置信息添加到所述三维空间模型中实现实时地在线监控。

由于监测时程曲线图会随状态变化信息的变化而变化，达到实时变化的程度，每次变化后的监测时程曲线图会自动添加三维空间模型中，以此实现实时地在线监控。

步骤06：将添加有监测时程曲线图的所述三维空间模型转换为力学模型，再将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到分析结果。

具体的分析过程包括以下步骤：

步骤61：将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到所述监测点对应的状态变化信息的数值解。

步骤62：将得到的所述数值解输入到贝叶斯网络模型中进行融合分析，以得到所述数值解与监测获取的状态变化信息趋向一致时的新岩土参数。

由于有限元计算结果采用的确定性分析过程使得数值解与实际监测数据存在一定的偏差，主要原因在于计算过程中存在岩土参数不确定性和模型分析误差，因此需要进一步进行融合分析，以数值解与监测获取的状态变化信息趋向一致时的新岩土参数。

具体的融合分析进一步包括以下步骤：

步骤621：通过响应面法建立所述岩土参数和所述状态变化信息间的定量关系；

步骤622：通过蒙特卡洛-马尔科夫链法对所述岩土参数进行不确定性计算；

步骤623：融合多源状态变化信息降低所述岩土参数取值的不确定性，使得所述数值解与监测获取的状态变化信息趋向一致。

步骤63：将所述新岩土参数替代所述有限元模型中原有的岩土参数，再利用所述有限元模型对转换后的所述力学模型重新进行分析计算，得到所述监测点对应的状态变化信息的新数值解。

上述步骤61-63可以反复循环，直至数值解与监测获取的状态变化信息趋向一致为止，具体标准可以根据实际情况确定，这里不做限定。

数值解根据监测设备得到的状态变化信息而决定，一般有多种，比如弯矩、轴力等。

步骤07：根据所述分析结果基于最不利原则计算出失效模式概率，根据预设的风险评估矩阵获取计算出的所述失效模式概率对应的风险等级，并将所述风险等级添加到所述三维空间模型中进行可视化展示。

失效模式对应数值解有多种，比如弯矩超限对应受弯失效模式，轴力超限对应承压失效模式等。所谓失效是指超过规定的最大值。以弯矩为例，假设根据数值解得到的弯矩最大值超过了规定的弯矩安全值即为一种失效模式。

根据分析结果(数值解)得到的弯矩、轴力等最大值服从正态分布，将超过规范限值的部分进行积分即可得到失效模式概率。

风险评估矩阵如图2所示，根据失效模式概率和对应各失效模式的损失后果对应有相应的风险等级。其中对应各失效模式的损失后果是由专家评估而来的，具体可以通过调研专家信息建立专家信息库，对基坑系统的各种失效模式进行损失后果的评估，然后再将由专家评估得到的损失后果和失效模式概率结合成矩阵，并配以相应的风险等级。

在确定失效模式后就可以确定对应的损失后果，然后根据损失后果和失效模式概率从所述风险评估矩阵中找到相应的风险等级。

由于监测时程曲线图是实时变化的，进而三维空间模型的显示也在实时变化，因此基于三维空间模型得到的失效模式概率和可能发生的失效模式也是实时变化着的，从而使得得到的风险等级会随着施工进度不断变化，达到动态风险评估的目的。

为了使风险评估结果(风险等级)能够及时直观地被相关人员看到，在得到风险等级后会自动添加到所述三维空间模型中进行可视化展示。

在实施例二中，基于实施例一的基础上，如图3所示，所述的基坑施工风险管控方法包括如下步骤：

步骤01-07同实施例一，此处不再赘述。

步骤08：定期生成评估报告推送给相关管理人员，和/或，将所述风险等级以警示灯或警示音的方式向在施工现场的工作人员进行预警。

为了使管理人员和现场施工人员及时得知可能发生的风险，本实施例中通过定期生成评估报告推送的方式和现场警示等方式实现。例如将评估报告推送至分区管理人员邮箱、短信或手机app提醒当前的施工风险状态等；将风险等级通过无线方式发送至施工现场的可视化设备上，然后通过颜色(警示灯)或声音(警示音)等向在施工现场的工作人员进行预警。

在实施例三中，基于实施例二的基础上，如图4所示，当对大规模的基坑群进行作业时，所述的基坑施工风险管控方法包括如下步骤：

步骤00：先对基坑群进行分区。

后续步骤01-08分别针对各个分区进行管控。

步骤01-08同实施例二，此处不再赘述。

其次，本发明提出了一种基坑施工风险管控系统，所述系统20可以被分割为一个或者多个程序模块。

例如，图5示出了所述基坑施工风险管控系统20第一实施例的结构图，该实施例中，所述系统20可以被分割为模型构建模块201、进度管理模块202、监测数据采集模块203、监控可视化模块204、融合分析模块205和风险评估模块206。以下描述将具体介绍所述程序模块201-206的具体功能。

所述模型构建模块201用于根据基坑结构设计图纸、基坑周边建构筑物图纸和所述基坑周边建构筑物的地下管线图纸构建基坑施工的三维空间模型；

所述进度管理模块202用于获取位于基坑的围护墙体及所述基坑周边建构筑物的监测点上的监测设备的安装信息和位置信息，以及基坑施工的进度信息；

所述监测数据采集模块203用于通过所述监测设备获取所述监测点的状态变化信息；

所述监控可视化模块204用于将所述安装信息、所述位置信息、所述进度信息和风险等级导入所述基坑施工的三维空间模型中实现可视化展示，还用于将根据所述状态变化信息和获取所述状态变化信息对应的时间绘制监测时程曲线图添加到所述三维空间模型中实现实时地在线监控；

所述融合分析模块205用于将添加有监测时程曲线图的所述三维空间模型转换为力学模型，再将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到分析结果；

所述风险评估模块206用于根据所述分析结果基于最不利原则计算出失效模式概率，根据预设的风险评估矩阵获取计算出的所述失效模式概率对应的风险等级。

又例如，图6示出了所述基坑施工风险管控系统20第二实施例的结构图，该实施例中，所述基坑施工风险管控系统20还可以被分割为模型构建模块201、进度管理模块202、监测数据采集模块203、监控可视化模块204、融合分析模块205、风险评估模块206、报告生成推送模块207和/或预警模块208。

其中，程序模块201-206同第一实施例，此处不再赘述。

所述报告生成推送模块207用于定期生成评估报告推送给相关管理人员；和/或，

所述预警模块208用于将所述风险等级以警示灯或警示音的方式向在施工现场的工作人员进行预警。

再次，本发明还提出来一种计算机设备。

参阅图7所示，是本发明计算机设备一实施例的硬件架构示意图。本实施例中，所述计算机设备2是一种能够按照事先设定或者存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备。例如，可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、机架式服务器、刀片式服务器、塔式服务器或机柜式服务器(包括独立的服务器，或者多个服务器所组成的服务器集群)等。如图所示，所述计算机设备2至少包括，但不限于，可通过系统总线相互通信连接存储器21、处理器22以及网络接口23。其中：

所述存储器21至少包括一种类型的计算机可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器21可以是所述计算机设备2的内部存储单元，例如该计算机设备2的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器21也可以是所述计算机设备2的外部存储设备，例如该计算机设备2上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。当然，所述存储器21还可以既包括所述计算机设备2的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器21通常用于存储安装于所述计算机设备2的操作系统和各类应用软件，例如用于实现所述基坑施工风险管控方法的计算机程序等。此外，所述存储器21还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。

所述处理器22在一些实施例中可以是中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器22通常用于控制所述计算机设备2的总体操作，例如执行与所述计算机设备2进行数据交互或者通信相关的控制和处理等。本实施例中，所述处理器22用于运行所述存储器21中存储的程序代码或者处理数据，例如运行用于实现所述基坑施工风险管控方法的计算机程序等。

所述网络接口23可包括无线网络接口或有线网络接口，该网络接口23通常用于在所述计算机设备2与其他计算机设备之间建立通信连接。例如，所述网络接口23用于通过网络将所述计算机设备2与外部终端相连，在所述计算机设备2与外部终端之间的建立数据传输通道和通信连接等。所述网络可以是企业内部网(intranet)、互联网(internet)、全球移动通讯系统(globalsystemofmobilecommunication，gsm)、宽带码分多址(widebandcodedivisionmultipleaccess，wcdma)、4g网络、5g网络、蓝牙(bluetooth)、wi-fi等无线或有线网络。

需要指出的是，图7仅示出了具有组件21-23的计算机设备2，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

在本实施例中，存储于存储器21中的用于实现所述基坑施工风险管控方法的计算机程序可以被一个或多个处理器(本实施例为处理器22)所执行，以完成以下步骤的操作：

步骤01：根据基坑结构设计图纸、基坑周边建构筑物图纸和所述基坑周边建构筑物的地下管线图纸构建基坑施工的三维空间模型；

步骤02：获取位于基坑的围护墙体及所述基坑周边建构筑物的监测点上的监测设备的安装信息和位置信息，以及基坑施工的进度信息；

步骤03：将所述安装信息、所述位置信息和所述进度信息导入所述基坑施工的三维空间模型中实现可视化展示；

步骤04：通过所述监测设备获取所述监测点的状态变化信息，并根据所述状态变化信息和获取所述状态变化信息对应的时间绘制监测时程曲线图；

步骤05：将监测时程曲线图对应监测点的位置信息添加到所述三维空间模型中实现实时地在线监控；

步骤06：将添加有监测时程曲线图的所述三维空间模型转换为力学模型，再将所述力学模型导入有限元模型中进行分析以得到分析结果；

步骤07：根据所述分析结果基于最不利原则计算出失效模式概率，根据预设的风险评估矩阵获取计算出的所述失效模式概率对应的风险等级，并将所述风险等级添加到所述三维空间模型中进行可视化展示。

在一实施例中，步骤07之后还包括：

步骤08：定期生成评估报告推送给相关管理人员，和/或，将所述风险等级以警示灯或警示音的方式向在施工现场的工作人员进行预警。

在另一实施例中，在步骤01之前还包括：

步骤00：先对基坑群进行分区。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。