基于Web Service與BIM集成技術的基坑安全監測系統

李 璐 劉新根 劉樹亞 吳蔚博

（1.深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳；2.上海同巖土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，工程師）

基于Web Service與BIM集成技術的基坑安全監測系統

李 璐1劉新根2劉樹亞1吳蔚博1

（1.深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳；2.上海同巖土木工程科技股份有限公司，200092，上海//第一作者，工程師）

為了實現安全監測的三維可視化、信息自動化和多方協同參與，在施工現場安全監測中可應用集成了Web Service與BIM技術的基坑安全監測系統。Web Service與BIM技術集成的關鍵技術是信息交互與監測數據管理。介紹了監測系統結構及部分指令。該安全監測系統已應用于深圳市某地鐵基坑施工監測中，實現了監測信息的動態管理和監測數據的自動分析處理，具有良好的功能擴展性和平臺移植性。

基坑工程；安全監測；Web Service；建筑信息模型

地鐵基坑具有開挖面積大、超深、支護體系復雜的特點［1］。地鐵基坑往往位于城市的人口密集區或交通樞紐地帶，其周邊建筑及地下結構復雜。一旦出現安全事故，就會造成很壞的經濟和社會影響。根據工程安全科學理論，事故發生是有一定的發展過程的，事故預兆可以在監測數據中反映出來［2］。因此對基坑安全監測的實時性、可視化、自動化和預測性就愈發重要［3］。

目前基坑監測的主要方法有現場巡檢、人工監測和自動化監測等三類［4］。文獻［5-8］也基于信息化技術手段對基坑監測方法進行了改進和優化。

此外，在政府的引導和各行業的大力推動下，市政基礎工程越來越多地應用BIM（建筑信息模型）技術進行全生命周期管理［9］，提升了工程質量，降低了成本［10］。利用BIM技術可實現信息三維化集中管理，便于監測數據的共享與協同。而通過Web Service技術可以實現基坑監測數據的遠程收集和發布管理。

在前人的研究基礎上，本文著重研究了Web Service與BIM集成的關鍵技術，并將其應用到基坑安全監測工程中，以實現基坑監測的自動化、信息化和可視化。

1 基坑安全監測系統的開發

1.1 Web Service與BIM技術的集成

Web Service是一種新型的Web應用程序，具有自包含（Self-contained）、自描述（Self-describing）及模塊化的特點，可通過Web來發布、查找和調用［11］。對于外部使用者而言，Web Service是一種部署在Web上的對象，建立在以XML（可擴展標記語言）為主的、開放的Web規范技術基礎上，具有對象技術所承諾的所有優點。具體而言Web Service程序具有如下特征：①良好的封裝性——使用者僅能看到該對象提供的功能列表；②松散耦合——只要約定的接口函數不變，其函數實現的主體對使用者而言都是透明的，調用者也無需關心；③使用標準協議規范——所有公共的協約完全使用開放的標準協議進行描述、傳輸和交換；④高度可集成能力——Web Service可跨平臺，兼容CORBA、DCOM和EJB等標準。利用Web Service技術構建的基坑現場安全監測管理系統，可通過網頁界面對進行實時、高效的監測。

BIM是以建筑工程項目的各項相關信息數據為基礎建立的建筑模型，可通過數字信息仿真模擬建筑物的真實信息。BIM技術是一種數據化工具，通過建筑模型整合項目的各類相關信息，在項目策劃、設計、建筑、運行和維護的全生命期中進行信息的共享和傳遞，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。在基坑安全監測管理系統中，BIM模型集成了多源數據（包括基坑幾何參數、支護結構、施工工藝及施工組織等數據）。

Web Service可通過其應用程序接口與BIM進行信息交互，從而實現Web Service與BIM技術的集成（如圖1所示）。在監測初始階段，將監測點對象添加到BIM中，使監測數據成為BIM模型的附加數據。在監測過程中，對監測點的監測信息不斷地更新，并通過Web Service與BIM交互，便可實時呈現并自動存儲三維可視化監測信息。

圖1 Web與BIM集成框架

在基坑監測現場，監測員利用移動端設備或自動監測設備將監測數據通過Web Service程序發送至監測數據庫中；接受數據后，監測系統立即自動對監測數據（包括測點累計歷史數據）進行分析，判斷是否有異常；如數據有異常，則監測系統啟動預警機制，而BIM亦進行響應、顯示異常位置。現場監測中心和各方管理人員無需到達現場，便可通過Web端基于BIM進行全程監測、在線溝通、協同處理，實現高效全面的安全監測。采用Web與BIM集成技術的基坑安全監測信息傳遞如圖2所示。

圖2 采用Web Service與BIM集成技術的基坑安全監測信息傳遞示意圖

1.2 集成技術在基坑安全監測系統中的應用

Web Service與BIM集成技術在基坑監測系統中集成應用的關鍵在于信息交互和數據管理（包括監測數據的采集、分析和預警等）。

1.2.1 Web Service與BIM的信息交互

Web Service技術為客戶端調用服務端應用提供了橋梁，BIM一般由商業軟件構建，如何通過Web Service對BIM進行交互式操作是實現Web Service與BIM技術集成的關鍵。

目前，多數BIM軟件均可兼容工業基礎類（Industry Foundation Classes，IFC）標準數據。IFC 是用于交換和共享復雜BIM的綜合性國際標準［12］。IFC標準對建筑信息的表達運用了面向對象的設計思想。目前被業界認可的IFC2×3版本包含了600多個實體及300多個抽象實體，基本可劃分為資源層、核心層、共享層和領域層等4層。IFC架構使用標準規范ISO 10303—2011定義的EXPRESS語言定義，采用ISO 10303定義的STEP物理文件傳輸數據。由于各常規構件（如板、梁、柱）數據格式已確定，故可通過編程方式自動解讀IFC文件，并提取或修改構件數據（如幾何尺寸、組織關系等）。

用戶通過Web Service接口遠程提交操作請求，交互構件的對象ID、參數、屬性及組織關系等信息。服務端驗證客戶合法性并檢查用戶權限后，通過IFC接口操作IFC數據，并將結果反饋給客戶端，從而實現Web Service和BIM的信息交互。Web Service與IFC標準數據交互的流程見圖3。

圖3 Web Service程序與IFC標準數據交互流程

1.2.2 監測數據管理

基坑安全監測系統主要提供測點配置管理、監測數據采集、數據分析、預警管理和系統管理等功能。

測點配置管理：管理員或者配置的具有權限的用戶可對監測點信息進行設置，包括增減監測點，修改監測點的位置、名稱、監測項目、單位精度、監測頻率等。

監測數據采集：監測人員可通過移動端或PC端手動添加監測數據，亦可從文檔中批量導入監測數據。

數據分析：專業分析測點數據（包括歷史數據），自動生成測點時程曲線圖及變形速率圖等。

預警管理：根據系統設置的預警條件，判斷監測點是否進入預警狀態；一旦到達或超過預警值則立即啟動預警響應機制；由監測負責人審核預警數據，確認并發布預警信息。

系統管理：主要包括用戶管理、角色管理、權限管理（角色權限分配見表1）、密碼管理、日志管理、歷史數據記錄及設備故障預警預報等。安全監測管理系統監測數據處理流程見圖4。

1.3 基坑安全監測系統開發中的結構及部分指令

基坑安全監測系統以Unity作為圖形引擎，利用Web Service技術搭建系統應用程序接口，將IFC標準的數據庫構建在SQL Server 2008上，通過Revit IFC開源接口與IFC文件數據進行交互。該基坑安全監測系統直接導入BIM模型作為三維基礎模型，通過客戶端遠程錄入或自動輸入監測數據，系統自動進行分析和預警管理。

表1 基坑安全監測系統的角色權限分配

圖4 監測數據處理流程

依據業務邏輯關系，將系統劃分成數據邏輯層、數據管理層和數據應用層（見表2）。數據邏輯層是整個系統的核心，定義了系統的各數據結構并存儲。數據管理層和應用層是對統一數據結構下的同一數據庫系統進行數據操作和應用。各層結構的軟件架構是相互獨立的，沒有直接的程序接口，而實現數據和數據操作的分離，便于系統數據安全和功能擴展。

表2 系統邏輯層次

Web Services運行在IIS服務器上，其接口定義由 WSDL（Web Service Descripition Language）語言描述。Web Services的部分主要參數指令見表3。

表3 Web Services部分參數指令及功能

2 工程應用案例

基坑安全監測系統已應用于深圳市某地鐵樞紐基坑監測項目。該基坑深25.5 m，寬58.92 m，長97.03 m，采用明挖法施工。監測項目分為基坑支護體系監測和基坑周邊環境監測。監測點約有47個（會隨工程進度而變化）。

基坑安全監測系統界面如圖5所示。用戶通過三維基坑模型可方便地選擇監測點進行數據交互、數據管理（見圖6）、及時發布預警信息等操作，實現了“所見即所得”。

圖5 基坑安全監測系統界面

用戶亦可通過移動端（如手機）從現場直接錄入或查詢監測數據（見圖7），基坑安全監測系統可將用戶錄入的數據立即或稍后上傳至系統服務器，并將數據保存至服務端的數據庫；服務端接受數據后可立即對監測數據進行分析，并將分析結果反饋給相關人員。

基坑安全監測系統投入運行后，能收集眾多監測數據，并根據施工工況、地質條件和環境條件等數據，綜合分析監測數據的變化原因和變化規律，預測其發展趨勢及影響范圍，為各方面協同工作提供依據。

圖6 監測數據管理界面

圖7 監測數據移動端界面

3 結語

Web Service與BIM的集成技術應用于基坑安全監測系統，是對基坑施工現場安全監測信息化、可視化、自動化管理的探索。經過工程實踐驗證，得到以下幾點體會：

（1）使用Web Service技術為客戶端調用服務端，可實現松散耦合，可跨平臺操作，移植性好。

（2）基于IFC標準，可直接導入BIM數據，從而建立基坑模型。這不僅便于實現基坑監測三維可視化，還可提高BIM的利用率及信息共享率。

（3）基于Web Service與BIM集成技術的基坑安全監測系統可實現基坑安全監測管理的自動化、可視化、無紙化及信息化，能提升施工安全管理的整體水平。

（4）基坑安全監測系統采用模塊化設計，其架構系統可移植到其它施工安全監測領域，具備廣泛應用性。

［1］ 顧雷雨，黃宏偉，陳偉，等.復雜環境中基坑施工安全風險預警標準［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（S2）：4154.

［2］ 錢七虎．地下工程建設安全面臨的挑戰與對策［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（10）：1945.

［3］ 吳振君，王浩，王水林，等.分布式基坑監測信息管理與預警系統的研制［J］.巖土力學，2008，29（9）：2503.

［4］ 金淮，張建全，吳峰波，等.城市軌道交通工程監測理論與技術實踐［M］.北京：中國建筑工業出版社，2014.

［5］ 彭儀普，周楷淳，林祥德.基于WebGIS的變形監測系統研究與實現［J］.鐵道科學與工程學報，2013，10（5）：103.

［6］ 賀躍光，杜年春，李志偉.基于WebGIS的城市地鐵施工監測信息管理系統研究［J］.巖土力學，2009，30（1）：265.

［7］ 仲青，蘇振民，王先華.基于RFID與BIM的集成施工現場安全監控關鍵技術研究［J］.建筑科學，2015，31（4）：123.

［8］ 周二眾，劉星，青舟.深基坑監測預警系統的研究與實現［J］.地下空間與工程學報，2013，9（1）：204.

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［10］ 劉照球，李云貴.建筑信息模型的發展及其在設計中的應用［J］.建筑科學，2009，25（1）：97.

［11］ 程煒，楊宗凱，樂春暉.基于Web Service的一種分布式體系結構［J］.計算機應用研究，2002（3）：105.

［12］ 李犁，鄧雪原，基于IFC標準BIM數據庫的構建與應用［J］.四川建筑科學研究，2013，39（3）：296.

Safety Monitoring System for Metro Foundation Pit Based on Web Service and BIM

LI Lu，LIU Xingen，LIU Shuya，WU Weibo

To achieve the goal of efficient safety monitoring in 3D visualization，information automation and coordinative participation of multiple parties，an integrated technology of Web Service and BIM technology in safety monitoring is applied to the construction site，the keys of Web Service and BIM technology integration are information exchanges and monitoring data management.In this paper，the design method and main functions of the system are described，the safety monitoring system has been applied to a foundation pit engineering for Shenzhen metro，realizing data dynamic management，automatic analysis and processing with good functional extendibility and platform portability.

foundation pit engineering；safety monitoring；Web Service；building information modeling（BIM）

First-author′s address Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，518026，Shenzhen，China

TU433

10.16037/j.1007-869x.2017.12.016

2016-04-26）