基于BIM的深基坑安全監測信息系統設計與實現研究

汪 麗，張軍平

(1.西安航空學院能源與建筑學院，陜西 西安 710077)(2.西安中交公路巖土工程有限責任公司，陜西 西安 710075)

近年來，隨著城市空間規模逐漸朝地下發展擴大，與之相關的深基坑工程日漸增多。為保證深基坑在人口密集區施工安全及周邊建筑物的安全，對深基坑進行安全監測至關重要。深基坑施工周邊環境復雜、地質條件多樣，且施工過程中施工技術復雜、施工條件差、不確定因素多。此外，深基坑施工過程中存在嚴重的時空效應以及信息“孤島現象”[1]。因此，探索深基坑安全監測、確保深基坑施工過程的安全性具有重要意義。傳統基坑安全監測方法為現場巡檢、人工監測和自動化監測，難以滿足工程整體可視化需求，不能直觀展現項目的整體形貌，難以實現多方位信息無障礙共享等[2]。BIM(building information modeling，建筑信息模型)是以建筑工程項目各項數據為基礎，基于數字信息仿真構建建筑物真實信息的一種數據化工具，可以為建筑從業者提供一個數據處理及信息共享的平臺。將BIM技術引入深基坑安全監測中，構建深基坑安全監測信息系統，可以實現信息交流和共享，滿足工程整體可視化需求[3-5]。此外，本文結合GIS(geographic information system，地理信息系統)技術[6]對BIM進行優化，實現了深基坑安全監測的三維整體可視化。

1 BIM模型與GIS集成研究

BIM[5]技術是指利用三維數據建模，結合建筑工程的各項目信息數據，在全生命周期內進行信息交流和共享，促進建筑從業者密切交流的技術。實施BIM的過程，即是對建筑信息進行創建、集成、共享和管理的過程。BIM模型的構建是參數化三維建模的過程，是以數字化形式將尺寸、位置等幾何數據以及材料屬性等集成在同一個集成數據庫的過程。GIS[7]是研究空間地理分布相關信息的系統，具有極為強大的數據處理和分析功能，以及優秀的三維仿真展示功能。區別于BIM，GIS主要管理空間信息以及地理位置的相關數據和信息。將微觀領域的BIM信息與宏觀領域的GIS集成，可以使BIM模型不突兀、不孤立，且可以進行可視化顯示。

GIS可通過Skyline與BIM進行信息交互，進而實現GIS與BIM技術的集成，如圖1所示。監測初始階段，在BIM模型中添加監測點，目的是使監測數據成為BIM模型的附加數據。在監測過程中，監測點信息不斷更新，通過GIS與BIM交互，便可以實時呈現并自動存儲三維可視化監測信息。

圖1 BIM與GIS集成框架圖

2 基于BIM的深基坑安全監測信息系統設計研究

2.1 工程概況

某深基坑場地，土質為典型上海軟土，形狀為長方形，長97m，寬76m，毗鄰道路和待開發的商業區。深基坑深度為24m，場地淺部土層中地下水位埋深為1.55m左右，施工要求高，安全等級要求為Ⅰ級，環境保護等級要求為Ⅱ級。

深基坑施工場地的水平圍護結構由3道混凝土支撐和地下連續墻組成，強度等級為C35。水平冠梁界面面積為1.05×1.00m2，其中第一道支撐面面積為0.80×0.80m2，第二道支撐面面積為1.00×0.81m2，第三道支撐面面積為1.00×0.90m2。地下連續墻的埋深為48m。在施工過程中，依據開挖順序，將開挖土方深度分為4層，其中第二、三、四層的每層土深平均值分別為6.10m、4.50m和5.65m，具體剖面圖如圖3所示。

圖2 深基坑剖面示意圖

2.2 系統設計研究

對深基坑安全監測信息系統進行設計，首先需要構建數據庫，將現場的多種監測數據通過手動、自動采集和批量錄入等方式分類存入數據庫，便于后續應用；然后進行BIM建模，并基于BIM模型進行數據展示、報表輸出、圖形展示、報警判定等，進而實現監測可視化、信息化等。具體功能如圖3所示。

1)數據庫構建研究。

圖3 基于BIM的深基坑安全監測信息系統功能結構圖

數據庫主要基于互聯網、物聯網、自動采集等技術，獲得及存儲深基坑數據信息，因此構建數據庫時必須對設備和檢測類型進行分類，創建不同的數據表。數據庫涉及的數據表包括工程信息、周邊地質環境、檢測項目信息、測點編碼信息、測點屬性信息、預警參數及人員信息。測點信息見表1，通過測點編號關聯查詢，可以實現監測數據的綜合使用。

表1 測點信息設計

2)BIM建模研究。

深基坑含有復雜的圍護樁、臨時設施以及內支撐設備等構件，施工過程則包括樁基施工、土方開挖等。此外，深基坑工程規模大，因此采用常規的建模方式(單人單機)難以實現精細化BIM建模。本文主要基于多分辨率層次模型自動生成技術進行BIM建模[8]，在建模前首先策劃總體模型，明確各階段建模目標；接著根據建模目標大小，確定深基坑模型精細程度。

依據文獻[9]提供的CAD模型，基于Autodesk Revit軟件，構建BIM模型，具體建模步驟為：第一，將深基坑護坡樁、錨桿、鋼腰梁、冠梁、管線、三軸攪拌樁等與Revit軟件相連；第二，創建內支撐、鋼腰梁、冠梁以及三軸攪拌樁等，對各構件創建單獨族文件，并對其進行參數化定義；第三，依據基坑圍護不同區域形式及構件屬性，構建BIM族模塊，提高建模效率，并提高不同族模塊統計的實時性；第四，對于特殊構建，譬如格構柱等，通過調整新的BIM族模塊進行調整和修復。圖4為深基坑BIM模型。

圖4 深基坑BIM模型

3)測點模型研究。

在深基坑監測過程中，常發生測點破壞、遮擋、結構裂縫等現象，使得實際測點無法與設計圖紙完全吻合。為避免對測點模型進行重復修改，優化了測點BIM模型：在安全監測系統中，基于坐標生成測點模型，并以測點分類結構樹形式，實現監測數據的展示與快速查詢。具體測點布置如圖5所示。

圖5 測點布置示意圖

4)BIM與GIS集成的建模研究。

基于已完成的BIM模型，借助SuperMap的三維GIS一體化技術體系，將BIM模型與地形、管線等多元空間數據融合，實現宏觀與微觀的一體化管理。在數據對接方面，采用SuperMap GIS提供的BIM導入機制，以BIM的數據主流協議IFC為基礎，以關鍵字段“圖元ID”為媒介，確保模型與屬性意義對應，進而實現BIM與GIS無縫銜接、無損集成。

運用SuperMap GIS提供的屬性查詢統計、室內漫游等通用GIS功能，可以模擬建筑物建造過程，發揮GIS位置服務與空間分析特長，進行BIM模型顯示。

2.3 系統設計關鍵技術

基于BIM的深基坑安全監測信息系統的關鍵點在于BIM與GIS技術間信息交互。首先基于GIS的Skyline接口軟件提交操作請求，交互構件的對象ID、參數、組織關系以及屬性等信息，服務端通過用戶權限對客戶是否合法進行驗證；然后通過IFC接口操作IFC數據，并將驗證結果反饋給客戶端，進而實現GIS與BIM信息交互。

3 基于BIM的深基坑安全監測信息系統實現

3.1 系統實現軟件基礎

基于BIM的深基坑安全監測信息系統實現的軟件基礎為：搭建可視化系統開發環境、結構模型信息交互、可視化與交互設計等。其中，搭建可視化系統開發環境具體方法為：基于GL圖形庫，與圖形硬件相接，構建交互性程序框架；通過與GL圖像庫相結合，在空間繪制三維物體，添加消息處理函數，使之進行相應消息操作，設置視口，形成完整框架。

進行結構模型信息交互的方法為：基于C++語言讀取DXF數據文件，分析DXF數據文件格式及組成，構建基于C++語言的數據通道，將BIM模型導入安全信息監測系統，即可完成信息共享與傳遞。同時遍歷監測分析數據，查詢關鍵字段，獲得有效數據，將其存入指定族文件。可視化與交互設計主要用于模型與監測信息交互和可視化。

可視化與交互設計方法：可視化設計包括模型整體顯示和測點顯示設計，主要通過函數模型實現圖像平移、旋轉和縮放，實現三維可視化操作；交互設計操作則是進行模型構建，通過GPS技術構建自定義大小視口，通過圖像深度方向與視口的圖像判斷視口是否與圖像交互，從而進行交互操作。

3.2 系統具體實現分析

基于BIM的深基坑安全監測信息系統以深基坑為研究對象，考慮基坑圍護結構及周邊環境、施工工況等，結合計算機、互聯網技術，實現深基坑安全監測數據的分布式管理。監測范圍包括墻體水平位移、地下水位、樁頂豎向位移等。該系統主要包括測點管理、監測數據、階段性報告、報警管理等模塊。

1)可視化管理。對深基坑支護結構模型、屬性信息、設計圖紙、測點模型等進行可視化顯示。圖6為深基坑安全監測系統可視化界面圖，用戶可以通過三維模型選擇測點，進行數據交互、管理等。

圖6 深基坑安全監測系統可視化界面圖

2)深基坑監測管理。深基坑監測管理模塊屬于深基坑安全監測信息系統的核心模塊，主要包括監測數據、報警管理、階段性報告等。主要功能包括添加測點、監測數據查詢(數據列表/時程曲線)、報警管理等。系統運行完成后，可以獲得多種監測數據，并依據地質條件、施工狀況以及環境因素等，分析監測數據的變化規律。圖7為深基坑安全監測信息系統展示及分析界面。

圖7 深基坑安全監測信息系統展示及分析界面

以墻體水平位移為例，對基于BIM的深基坑安全監測信息系統的具體監測結果進行分析。圖8為墻體水平位移監測結果與實際計算結果的對比圖，其中選擇的測點標記為CX2、CX3、CX5?；贕IS三維模型，可以快速獲得測點CX2、CX3、CX5詳細坐標以及每個工況的水平位移監測數據。

由圖可知，基于BIM技術的深基坑安全監測信息系統監測的墻體水平位移數據與實際計算值基本比較吻合，表明該系統可以有效監測深基坑安全信息。

圖8 墻體水平位移監測結果與實際計算結果對比圖

綜上，基于BIM的深基坑安全監測信息系統可以實現信息的有效監測，實現深基坑三維可視化。

4 結束語

本文對基于BIM的深基坑安全監測信息系統進行了詳細研究。首先集成GIS與BIM技術，為系統三維可視化實現提供基礎，然后通過具體工程實例，分析基于BIM的深基坑安全監測信息系統的設計與實現。結果表明：基于BIM的深基坑安全監測信息系統可以實現目標的精確快速定位，有效監測深基坑安全信息，實現深基坑監測數據的三維可視化和信息共享。