基于BIM和物聯網融合驅動的深基坑安全管理系統

0 引言

隨著城市化進程的加速以及基礎設施建設的蓬勃發展，深基坑工程作為現代建筑施工中的重要組成部分，其安全性與施工效率日益成為行業內外關注的焦點。深基坑施工不僅涉及復雜的地質條件、多變的施工環境，還面臨著土體穩定性、地下水控制、周邊環境保護等多重挑戰，這些因素共同構成了深基坑施工過程中的安全隱患[1-2]。

傳統的安全管理手段，如人工監測、經驗判斷等，已難以滿足當前深基坑工程對安全管理的精細化、智能化需求。因此，探索一種高效、精準、實時的深基坑安全管理系統，對于保障施工安全、提高施工效率、減少事故損失具有重要意義[3-5]。

近年來，建筑信息模型（BuildingInformationModeling，簡稱BIM）與物聯網（InternetofThings，簡稱IoT）技術的快速發展，為深基坑安全管理提供了新的思路和技術支持。BIM技術以其強大的信息集成能力、三維可視化表達和協同工作能力，為深基坑工程的設計、施工、運維等全生命周期管理提供了強有力的支撐。通過BIM模型，可以實現對深基坑工程結構、地質條件、施工工序等信息的全面整合與精確模擬，為施工安全管理提供了數據基礎和決策依據[6-7]。而物聯網技術則通過傳感器網絡、無線通信技術、云計算等手段，實現了對施工現場環境、設備狀態、人員行為等實時數據的采集、傳輸與分析，為施工安全管理提供了即時、準確的現場信息。

將BIM與物聯網技術相融合，可以充分發揮兩者的優勢互補效應，構建出基于BIM和物聯網融合驅動的深基坑安全管理系統。該系統不僅能夠實現對深基坑工程信息的全面集成與可視化展示，還能夠通過物聯網技術實時監測施工現場的各類安全參數[8]，及時發現并預警潛在的安全隱患[9-10]。同時，系統還能夠根據實時監測數據，結合BIM模型進行安全風險評估與預測，為施工安全管理提供科學、合理的決策支持。本研究將致力于解決該領域的關鍵技術問題，為推動深基坑工程的安全、高效、可持續發展貢獻力量。

1BIM與物聯網技術的融合機理

針對施工安全管理所需的信息捕捉，以及深基坑作業中諸如邊坡穩定性等關鍵風險因素，本研究將BIM與物聯網技術進行整合，旨在實現施工全鏈條信息的即時捕獲與精確解析。通過BIM與物聯網技術的深度融合，不僅能夠實現施工流程的直觀可視化表達，還能利用智能算法對施工安全風險進行精確識別與前瞻預測。這一系列技術革新，最終將為對深基坑施工過程提供精確指導，確保施工活動安全、高效推進。

1.1 BIM技術特點

BIM是一項革新建筑領域的數字技術，其核心目標在于優化流程、縮減時間成本并提升項目精確度。BIM被闡釋為涵蓋一系列相互協作的政策、流程及技術手段，共同構建出一種方法，用以在建筑的全生命周期內，以數字化的形式來管理基礎建筑設計及項目相關數據。

BIM技術融合了參數化建模、高度信息化及直觀可視化的特性，扮演著連接建筑實體與虛擬世界的橋梁角色，促進了建造流程中現實與數字的交互融合。BIM技術的主要特點如表1所示。

1.2物聯網技術特點

在智能建造的范疇內，物聯網技術于結構監測、生產流程管理以及數據傳輸方面展現出了核心作用。該技術能夠精確追蹤人員、機械、材料、工藝及環境信息，進而優化施工品質。借助全面的生產管理、安全監控以及自動預警機制，物聯網技術為施工安全提供了有力保障。

物聯網憑借其獨特的優勢，如異構系統的無縫互聯、龐大的規模、高度的安全性、強大的連接性、動態適應性以及與物體緊密相關的服務特性，在眾多領域展現出廣泛應用潛力。物聯網技術的主要特點如表2所示。

1.3技術融合機理

在深基坑施工環節中，安全風險主要源自兩大領域：施工管理層面以及施工技術與規劃層面。BIM與物聯網技術的結合，為應對施工技術與規劃相關的安全問題提供了有效策略。具體而言，施工技術與規劃中的放線偏差、施工質量不達標、工藝選擇失誤及應急方案缺失，構成了深基坑施工安全事故的主要誘因。

BIM與物聯網技術的融合，在多個維度上促進了施工安全管理的提升。一方面，BIM技術為施工安全管理搭建了一個技術融合的基礎平臺，實現了施工過程的虛實結合與閉環管理。另一方面，物聯網技術則為施工信息的精準定位與高效傳輸開辟了新渠道。

BIM技術作為物聯網應用的基石，提供了強大的平臺支持，而物聯網技術則為BIM模型的構建提供了豐富、準確的數據資源。兩者的深度融合，共同推動了施工安全管理的高效、精準運行。BIM技術與物聯網技術的融合機理如圖1所示。

2深基坑施工安全管理

通過BIM與物聯網技術的集成應用，實現了對基坑土體狀態及邊坡穩定性的實時監測。借助物聯網技術的數據傳輸功能，現場采集的信息被即時導入BIM模型中。在BIM環境中，BIM模擬了土體的安全狀況，評估了施工過程中的潛在風險，并據此制定了風險維護策略。針對深基坑施工的安全管理需求，本研究開發了一套管理平臺，該平臺能夠智能化地實現安全風險的閉環管理。

2.1 管理功能需求

本研究致力于實現的功能，涵蓋深基坑施工安全數據的場景化綜合管理、智能風險評估與預警以及維護措施的輸出，這些功能均為綜合性功能，依托多個功能模塊協同完成，具體包括模型數據錄入、施工安全監測、風險評估與預警、以及維護方案生成等關鍵環節。

2.1.1模型與數據錄入

系統需以施工管理人員手動導入的深基坑BIM模型作為幾何信息基礎。除BIM模型外，還需手動錄入其他必要信息。

2.1.2施工安全實時監測

施工安全實時監測是施工管理人員的首要需求，通過基坑內物聯網系統實時采集土體受力狀態，監測項目涵蓋基坑水位、周邊土體沉降等。結合BIM模型，實現施工管理人員在建筑三維場景下的施工安全數據實時追蹤。

2.1.3安全風險評估與預警

物聯網系統收集施工安全數據后，將其導入BIM模型中進行安全狀態分析。一旦檢測到風險，系統將觸發預警機制。基于虛實融合理念，預警形式不僅包含文字與三維BIM模型的同步展示，還將在實際基坑中通過報警設備發出警報。

2.1.4維護措施生成

面對施工過程中的安全風險，系統需輸出相應的安全維護措施。這一功能要求將基于BIM的維護措施可行性分析融入系統，依據BIM模型的分析結果，輸出最優的修正方案，確保施工安全。因此，系統設計需采用B/S架構，以實現施工全過程的智能化閉環管理。

2.2平臺特點

在系統平臺構建中，還需著重考慮其實用便捷性、信息安全、穩定運行能力及未來可擴展性。

2.2.1 實用且便捷

系統的設計初衷在于簡化深基坑施工管理工作，服務對象既涵蓋專業的施工管理團隊，也涉及一線施工現場人員，因此系統需配備用戶友好的操作界面及簡潔明了的操作指南。

對于施工管理團隊而言，系統應便于他們迅速掌握業務邏輯及操作流程。而對于現場人員，則需設計直觀易懂的界面及簡便的操作步驟，以便其在緊急情況下迅速依據分析結果采取維護行動。

2.2.2 信息安全

信息安全主要指數據保護。施工安全數據涉及深基坑的多維度力學參數及環境信息，一旦泄露或遭破壞，可能引發不良社會反響。故系統需配備可靠的安全防護措施，有效抵御惡意入侵。

2.2.3 運行能力穩定

系統需處理包括視頻、文本等在內的海量施工安全數據，且施工安全管理要求系統全天候在線。因此系統需具備強大的穩定運行能力，確保在高負荷數據處理下仍能平穩運行。同時，系統維護應簡便易行，以便在出現問題時迅速解決。

2.2.4 可擴展性強

當前系統雖能滿足部分施工安全管理需求，但仍有許多功能待研發。因此系統需具備良好的擴展性能，以便在出現新需求或功能時，能夠輕松添加更多功能，更好地服務于施工安全管理。

2.3 管理平臺架構

2.3.1平臺架構的設計思路

系統架構設計構成了系統設計的核心環節，一個合理的架構設計不僅能指導系統開發者的工作思路，還能幫助用戶清晰地理解系統的操作流程。在系統架構設計過程中，首先需明確系統的總體邏輯框架，隨后依據具體的功能需求來劃分并設計各個功能模塊。

針對施工安全管理平臺的功能需求，構建了相應的技術架構。該架構旨在實現綠色施工、高效施工及安全施工3大核心目標。采用逆向設計的方法，從功能層開始，逐層向下細化至平臺層、數據層、網絡層及物理層，以確保每一層的細節都緊密貼合整體目標。

完成架構搭建后，再按照物理層至功能層的順序進行正向數據傳輸，確保數據在各層級間順暢流通，最終在功能層上直觀展示，從而全面實現綠色、高效及安全的施工目標。

2.3.2基于BIM與物聯網技術的施工安全管理平臺

構建基于BIM與物聯網技術的施工安全管理平臺，旨在整合深基坑施工全周期的信息。通過開發設計管理與運營管理模塊，并運用軟件工程技術，實現了建筑信息的可視化、資源的共享以及操作的便捷高效，從而有效降低了工程變更的頻率，并提升了運營維護管理的便利性。

在平臺的感知層級部署了各類傳感設備，以實時捕捉施工安全信息。這些設備通過物聯網技術，實現了對設備、構件等關鍵要素的精確定位，并與虛擬模型進行了實時映射。對于來自多個源頭且結構各異的數據，通過網絡層將其傳輸至數據層。在數據層，對施工階段的深基坑安全數據進行整合，并將其存儲在數據庫中。

該數據庫的數據來源主要包括兩部分：一部分是通過BIM模型仿真獲得的數據，另一部分則是現場實測所得的數據。這兩部分數據將隨著項目的推進而持續更新。

此外，還結合管理系統的功能模塊，對運維信息進行實時監測和動態管理。物聯網技術在應用層中發揮了關鍵作用，為維護工作提供了精確化的指導，從而顯著提升了運維的效率。

2.4施工安全管理

基于技術架構的指引，為實際深基坑項目打造了一個管理平臺，深基坑施工管理平臺如圖2所示。險評估與預警、以及安全維護。在平臺運作下，深基坑施工安全管理被有序地劃分為3個階段。

第一階段為日常施工管理階段。此時尚未發生危險事件，施工管理人員主要負責對基坑內的人員、設備及土體狀況進行常態化的管理與監控。

在實際工程項目中，成功研發了施工安全管理平臺，并制定了詳細的安全管理流程。這一研究成果不僅顯著提升了深基坑施工的安全性，還有效提高了施工效率。此外，本研究所形成的系統架構為其他類似工程提供了有益的參考和啟示。

第三階段為危險解除與恢復階段。在完成危險處置后，系統確認安全狀態，隨后施工活動回歸至日常管理模式。

該方案結合了BIM與物聯網技術，并研發了相應的管理平臺系統。

借助這一管理平臺，進行深基坑施工安全的仿真分析。在實際工程項目中，該管理平臺的應用顯著提升了施工效率，并有效地預防和控制了安全風險。深基坑施工安全仿真分析如圖3所示。

本文細致分析了BIM與物聯網的技術特性，并基于深基坑施工安全管理需求，探索了兩種技術的融合路徑，為深基坑安全管理提供了堅實的理論基礎。在融合機制的引導下，結合深基坑施工的特點及其數據需求，明確了安全管理系統的功能需求，并設計了相應的技術架構。

第二階段為危險應對階段。一旦檢測到危險信號，系統立即啟動報警機制，并提供緊急處置建議。

3結束語

在深基坑施工領域，諸多安全隱患始終存在，傳統施工安全管理模式相對粗放，容易導致土體坍塌、邊坡不穩定及地面沉降等安全事件。鑒于智能建造技術的快速發展，本研究提出了一個創新的深基坑安全管理方案，

參考文獻

[1]龔穎超，路婉妮，陶紅雨.基于CIM-AHP模型地鐵深基坑施工風險研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2022（10）：1422-1427.

[2]李建光，劉榮毅，劉情情，等．“雙碳”戰略下基坑和邊坡工程發展進展與展望[J].巖土工程技術，2024（5）：505-511.

[3]李瑛，陳靜，柳春，等.深基坑承壓水突涌分級防控措施研究及應用[J].地下空間與工程學報，2022（S1）：441-447.

[4]張俊杰，高林靜，范兆東，等.洛陽龍門地鐵站狹長深基坑變形規律及控制措施分析[J].河南科技大學學報（自然科學版），2022（6）：59-66+8-9.

[5]何燕，李曉閣，楊莉瓊，等.基于動態故障樹的深基坑施工安全風險分析[J].建筑經濟，2022（S1）：323-327.

[6]何忠明，王盤盤，王利軍，等.深基坑施工對臨近地鐵隧道變形影響及參數敏感性分析[J].長安大學學報（自然科學版），2022（4）：63-72.

[7]光輝，高燕.高層建筑深基坑工程施工風險模糊評估研究[J].建筑技術，2017（12）：1271-1274.

[8]史國梁，劉占省，路德春，等.索桁架結構施工誤差評估的孿生仿真與模型試驗[J].建筑結構學報，2024（4）：107-119.

[9]侯新宇，劉娟，薛必芳，等.地鐵基坑地下連續墻滲漏原因分析及治理措施[J].建筑技術，2017（9）：972-975.

[10]王永祥，廖婷，李洪高，等.基于SEM-MC的地鐵車站深基坑施工危險性測度研究[J].中國安全生產科學技術，2022（6）：127-133.