面向施工过程的兰州白塔山综合段古建筑保护技术研究与应用

1 工程概况

本项目为黄河流域兰州白塔山段综合提升改造工程，位于兰州市城关区，西起龙源，东至北滨河东路元通大桥、靖远路，主线全长约2245m。其中北线隧道长1150.3m，南线隧道长1064.467m，单线隧道总长2214.767m；东侧接线桥梁长432.9m（含靖远路接线匝道长60.7m），西侧接线桥梁长275.7m，同时涉及北滨河路、烧盐沟、靖远路和金城路接线段及路口建设。主要建设内容包括：隧道工程、接线桥梁、接线道路、管线改迁、排水工程、电气工程、山体支护工程等其他附属设施工程，如图1所示。

     

图1 兰州市白塔山段综合提升改造项目

整个工程围绕白塔山展开施工，其中施工区内三官殿、白塔寺及法雨寺等建筑群属于省级建筑文物保护，施工过程中需要重点考虑对白塔山山体及古建筑的保护。本项目在施工过程中面临以下工程难点。

（1）施工过程施工难度大，地理条件复杂，主要地质构造为金城关断裂带及白塔山隆起，黄河长期侵蚀导致地质条件复杂，施工中采用抗滑桩施工，桩孔深度达40?m，施工危险性较大。施工现场自然地理条件复杂、狭小，可利用场地有限，场地布置要求高。

（2）改造体量大，专业交叉复杂，项目一期为兰州白塔山段河堤保护治理工程，包括隧道工程、桥梁、道路等，项目涉及多类别、系统复杂，机电专业化程度高，各专业交叉作业多，总体施工协调难度大。

（3）古建筑保护要求高，文物保护限制多，白塔山建筑群属省级文物保护，施工围绕白塔山展开，对山体及古建筑的保护至关重要，需要实时监测沉降和变形，如图2、图3所示。

     

图2 兰州市白塔山古建筑

     

图3 兰州市白塔山古建筑

（4）隧道施工限制大，施工技术复杂，受古建筑文物保护限制，只能采用机械（悬臂式掘进机）开挖，采用双侧壁导坑法和CRD法，施工工序复杂，进度缓慢，面临施工进度压力。对于进洞施工、山体防护、抗滑桩施工等施工重难点，应用虚拟仿真、4D施工进度演示技术，进行现场施工工序模拟，如图4所示。

     

图4 隧道开挖施工过程模拟示意

2 古建筑保护BIM应用

2.1 搭建模型和方案对比

BIM是以三维数字技术为基础，集成建设工程项目各种相关信息的工程数据模型，同时又是一种应用于设计、建造、管理的数字化技术。这使保护人员能够在实际修之前评估不同方案，选择最适合的古建筑保护策略。

此外还可以用于识别与古建筑的潜在冲突，如新结构与古建筑结构的冲突，通过及时发现和解决这些冲突，可以避免不必要的损害，保护古建筑的完整性。利用BIM技术进行建设方案模拟和验证是一种科学、高效的方法，可以在满足质量和古建筑安全的前提下比较各种方案。

2.2 现场施工模拟

应用虚拟仿真、4D施工进度演示技术，模拟现场施工工序，根据动画、时序图或其他形式呈现，进而优化施工工序，排除现场施工隐患。通过现场施工模拟可以更加精确地规划施工过程，最大限度地减少对古建筑的干扰，并保障施工的高效和精确。

2.3 图纸会审

通过整合各专业的BIM模型，可以进行全面的专业问题检验，包括检测专业之间的冲突、构件标高方向上的偏差，寻找建模失误或图纸中隐含的设计问题，并生成图纸检查报告。图纸会审可以确保古建筑保护工程的图纸符合相关的法规、标准和规范，确保了施工过程中的质量控制和合规性，避免了潜在的违规和安全隐患。

3 基于BIM技术的古建筑监测创新应用

BIM技术结合传感器等设备可以实现对古建筑实时数据的监测。这些数据可以用于自动检测，通过BIM技术进行反馈，进而对古建筑进行实时、高效、准确的监测和分析，有助于保护古建筑的完整性、安全性和可持续性。

3.1 结构健康监测

黄河流域兰州白塔山段综合提升改造一期工程白塔山建筑群动态安全保障体系分包工程中，结构健康监测技术服务是至关重要的一环。该监测工作内容主要涵盖基准建设、振动监测、变形监测、数据分析处理及运行维护五部分，并采用有线监测为主、无线监测为辅的方式建立结构智能化监测系统。从而能够全面把控白塔山建筑群的动态安全情况，为工程提供科学依据，确保施工和运营阶段的安全可控性。

其中振动监测采用自动化监测和人工检查相结合的方式进行，分别设置相应的振动传感器、数据采集仪、服务器、供电、通讯、防盗等设施。振动监测采用太阳能蓄电池或者现场直接220V的常用电进行供电，按预定的观测计划和频率对监测体实时振动监测。根据隧道施工开挖方向、百花亭建筑特点及周边边坡的特性。例如监测百花亭地面及周边边坡的振动情况。如图5所示。

     

图5 百花亭振动监测传感器分布

3.2智能化监测平台

为确保黄河流域兰州白塔山段综合提升改造一期工程白塔山建筑群动态安全保障体系分包工程在整个施工过程中和服役期内安全，为满足对白塔山古建筑物位置的硬性保护要求，采用BIM技术建立智能化监测平台是一个创新而有效的作法。该平台主要包括两个关键部分：云采集数据平台和实时监测可视化平台。监测平台建立流程如图6所示。

     

图6 古建筑保护监测平台流程

云采集平台结合物联网和大数据的思路是通过在古建筑关键位置布置无线传感器，利用5G数据传输，经过基本处理后，将数据呈现在平台上。管理者通过与平台建立链接，对数据进行审核，实现了对古文物遗址风险情况的实时智能监测，具备智能预警和智能保护的功能。通过监测系统自动采集施工过程以及服役期等相关数据，评估其安全状态，为下一步保护工程的实施提供科学依据和数据支撑。

3.3 古建筑保护监测系统研发与应用

系统建立总体思路如下。

（1）监测单位应收集项目信息和各项监测需求，针对施工现场实际情况和监测需求，编制各项目监测的方式方法。

（2）通过各项监测内容涉及部位确定传感器布设位置。

（3）优选传感器和采集系统硬件，并编制符合项目需求的软件系统，系统应能实现数据的采集、传输、存储、分析和反馈的自动化，反馈方式为手机APP、WEB、PC等多种形式可选。

（4）在施工过程中实现相关数据的灵活查询和报警预警，在施工结束后给出总结报告。

通过以上系统为该项目的重点难点施工过程的安全实施保驾护航。

基于云平台的动态监测与预警服务软件是一套模块化设计的系统，包括传感器系统、数据采集系统、数据库管理系统、安全预警系统、安全评估系统和三维可视化动态显示系统。每个系统模块都完成特定的子功能，为整个监测系统提供全面而高效的服务。

通过该平台可实现各监控传感器数据实时采集、接收到数据如果有异常，通过多种手段报警（弹出报警窗口、播放声音、邮件、短信、QQ消息、自动拨打电话、App等）供业主选择、并实现将数据上传到云服务数据中心，监测中心根据接收到的大量数据进行的数据分析、安全评估和预警。

兰州白塔山古建筑监测项目以法雨寺为例，对4个监测点结构竖向位移进行监测。由监测数据分析可知：在施工过程中的持续监测位移的数据，由于隧道开挖，位移数据出现波动，从而说明监测数据是正常可信的。本监测周期内结构竖向变形，受自然条件及施工影响，结构有整体下沉趋势。竖向变位波动在相同环境温度状况下，数据曲线没有发现偏移，监测数据处于正常状态。

4 结束语

以兰州市白塔山段综合提升改造项目为例，利用BIM技术整合各专业模型克服了具有施工难度大、地理条件复杂、地质结构复杂、改造体量大、专业交叉复杂、古建筑保护要求高、文物保护限制多等问题，并通过BIM技术实现施工过程与数字技术交融以保障古建筑安全完整。

通过现场施工模拟，精确规划施工过程，减少对古建筑的干扰，保障高效施工。图纸会审和管线碰撞检查确保施工符合法规，避免违规和安全隐患，提高施工质量和效率。此外BIM技术结合传感器可实时监测古建筑数据。

此监测通过BIM反馈，实现对古建筑的高效、准确分析，有助于保护古建筑的完整性、安全性和可持续性。