基于BIM的深基坑安全监测信息系统设计与实现研究

汪 丽，张军平

(1.西安航空学院能源与建筑学院，陕西 西安 710077)(2.西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710075)

近年来，随着城市空间规模逐渐朝地下发展扩大，与之相关的深基坑工程日渐增多。为保证深基坑在人口密集区施工安全及周边建筑物的安全，对深基坑进行安全监测至关重要。深基坑施工周边环境复杂、地质条件多样，且施工过程中施工技术复杂、施工条件差、不确定因素多。此外，深基坑施工过程中存在严重的时空效应以及信息“孤岛现象”[1]。因此，探索深基坑安全监测、确保深基坑施工过程的安全性具有重要意义。传统基坑安全监测方法为现场巡检、人工监测和自动化监测，难以满足工程整体可视化需求，不能直观展现项目的整体形貌，难以实现多方位信息无障碍共享等[2]。BIM(building information modeling，建筑信息模型)是以建筑工程项目各项数据为基础，基于数字信息仿真构建建筑物真实信息的一种数据化工具，可以为建筑从业者提供一个数据处理及信息共享的平台。将BIM技术引入深基坑安全监测中，构建深基坑安全监测信息系统，可以实现信息交流和共享，满足工程整体可视化需求[3-5]。此外，本文结合GIS(geographic information system，地理信息系统)技术[6]对BIM进行优化，实现了深基坑安全监测的三维整体可视化。

1 BIM模型与GIS集成研究

BIM[5]技术是指利用三维数据建模，结合建筑工程的各项目信息数据，在全生命周期内进行信息交流和共享，促进建筑从业者密切交流的技术。实施BIM的过程，即是对建筑信息进行创建、集成、共享和管理的过程。BIM模型的构建是参数化三维建模的过程，是以数字化形式将尺寸、位置等几何数据以及材料属性等集成在同一个集成数据库的过程。GIS[7]是研究空间地理分布相关信息的系统，具有极为强大的数据处理和分析功能，以及优秀的三维仿真展示功能。区别于BIM，GIS主要管理空间信息以及地理位置的相关数据和信息。将微观领域的BIM信息与宏观领域的GIS集成，可以使BIM模型不突兀、不孤立，且可以进行可视化显示。

GIS可通过Skyline与BIM进行信息交互，进而实现GIS与BIM技术的集成，如图1所示。监测初始阶段，在BIM模型中添加监测点，目的是使监测数据成为BIM模型的附加数据。在监测过程中，监测点信息不断更新，通过GIS与BIM交互，便可以实时呈现并自动存储三维可视化监测信息。

图1 BIM与GIS集成框架图

2 基于BIM的深基坑安全监测信息系统设计研究

2.1 工程概况

某深基坑场地，土质为典型上海软土，形状为长方形，长97m，宽76m，毗邻道路和待开发的商业区。深基坑深度为24m，场地浅部土层中地下水位埋深为1.55m左右，施工要求高，安全等级要求为Ⅰ级，环境保护等级要求为Ⅱ级。

深基坑施工场地的水平围护结构由3道混凝土支撑和地下连续墙组成，强度等级为C35。水平冠梁界面面积为1.05×1.00m2，其中第一道支撑面面积为0.80×0.80m2，第二道支撑面面积为1.00×0.81m2，第三道支撑面面积为1.00×0.90m2。地下连续墙的埋深为48m。在施工过程中，依据开挖顺序，将开挖土方深度分为4层，其中第二、三、四层的每层土深平均值分别为6.10m、4.50m和5.65m，具体剖面图如图3所示。

图2 深基坑剖面示意图

2.2 系统设计研究

对深基坑安全监测信息系统进行设计，首先需要构建数据库，将现场的多种监测数据通过手动、自动采集和批量录入等方式分类存入数据库，便于后续应用；然后进行BIM建模，并基于BIM模型进行数据展示、报表输出、图形展示、报警判定等，进而实现监测可视化、信息化等。具体功能如图3所示。

1)数据库构建研究。

图3 基于BIM的深基坑安全监测信息系统功能结构图

数据库主要基于互联网、物联网、自动采集等技术，获得及存储深基坑数据信息，因此构建数据库时必须对设备和检测类型进行分类，创建不同的数据表。数据库涉及的数据表包括工程信息、周边地质环境、检测项目信息、测点编码信息、测点属性信息、预警参数及人员信息。测点信息见表1，通过测点编号关联查询，可以实现监测数据的综合使用。

表1 测点信息设计

2)BIM建模研究。

深基坑含有复杂的围护桩、临时设施以及内支撑设备等构件，施工过程则包括桩基施工、土方开挖等。此外，深基坑工程规模大，因此采用常规的建模方式(单人单机)难以实现精细化BIM建模。本文主要基于多分辨率层次模型自动生成技术进行BIM建模[8]，在建模前首先策划总体模型，明确各阶段建模目标；接着根据建模目标大小，确定深基坑模型精细程度。

依据文献[9]提供的CAD模型，基于Autodesk Revit软件，构建BIM模型，具体建模步骤为：第一，将深基坑护坡桩、锚杆、钢腰梁、冠梁、管线、三轴搅拌桩等与Revit软件相连；第二，创建内支撑、钢腰梁、冠梁以及三轴搅拌桩等，对各构件创建单独族文件，并对其进行参数化定义；第三，依据基坑围护不同区域形式及构件属性，构建BIM族模块，提高建模效率，并提高不同族模块统计的实时性；第四，对于特殊构建，譬如格构柱等，通过调整新的BIM族模块进行调整和修复。图4为深基坑BIM模型。

图4 深基坑BIM模型

3)测点模型研究。

在深基坑监测过程中，常发生测点破坏、遮挡、结构裂缝等现象，使得实际测点无法与设计图纸完全吻合。为避免对测点模型进行重复修改，优化了测点BIM模型：在安全监测系统中，基于坐标生成测点模型，并以测点分类结构树形式，实现监测数据的展示与快速查询。具体测点布置如图5所示。

图5 测点布置示意图

4)BIM与GIS集成的建模研究。

基于已完成的BIM模型，借助SuperMap的三维GIS一体化技术体系，将BIM模型与地形、管线等多元空间数据融合，实现宏观与微观的一体化管理。在数据对接方面，采用SuperMap GIS提供的BIM导入机制，以BIM的数据主流协议IFC为基础，以关键字段“图元ID”为媒介，确保模型与属性意义对应，进而实现BIM与GIS无缝衔接、无损集成。

运用SuperMap GIS提供的属性查询统计、室内漫游等通用GIS功能，可以模拟建筑物建造过程，发挥GIS位置服务与空间分析特长，进行BIM模型显示。

2.3 系统设计关键技术

基于BIM的深基坑安全监测信息系统的关键点在于BIM与GIS技术间信息交互。首先基于GIS的Skyline接口软件提交操作请求，交互构件的对象ID、参数、组织关系以及属性等信息，服务端通过用户权限对客户是否合法进行验证；然后通过IFC接口操作IFC数据，并将验证结果反馈给客户端，进而实现GIS与BIM信息交互。

3 基于BIM的深基坑安全监测信息系统实现

3.1 系统实现软件基础

基于BIM的深基坑安全监测信息系统实现的软件基础为：搭建可视化系统开发环境、结构模型信息交互、可视化与交互设计等。其中，搭建可视化系统开发环境具体方法为：基于GL图形库，与图形硬件相接，构建交互性程序框架；通过与GL图像库相结合，在空间绘制三维物体，添加消息处理函数，使之进行相应消息操作，设置视口，形成完整框架。

进行结构模型信息交互的方法为：基于C++语言读取DXF数据文件，分析DXF数据文件格式及组成，构建基于C++语言的数据通道，将BIM模型导入安全信息监测系统，即可完成信息共享与传递。同时遍历监测分析数据，查询关键字段，获得有效数据，将其存入指定族文件。可视化与交互设计主要用于模型与监测信息交互和可视化。

可视化与交互设计方法：可视化设计包括模型整体显示和测点显示设计，主要通过函数模型实现图像平移、旋转和缩放，实现三维可视化操作；交互设计操作则是进行模型构建，通过GPS技术构建自定义大小视口，通过图像深度方向与视口的图像判断视口是否与图像交互，从而进行交互操作。

3.2 系统具体实现分析

基于BIM的深基坑安全监测信息系统以深基坑为研究对象，考虑基坑围护结构及周边环境、施工工况等，结合计算机、互联网技术，实现深基坑安全监测数据的分布式管理。监测范围包括墙体水平位移、地下水位、桩顶竖向位移等。该系统主要包括测点管理、监测数据、阶段性报告、报警管理等模块。

1)可视化管理。对深基坑支护结构模型、属性信息、设计图纸、测点模型等进行可视化显示。图6为深基坑安全监测系统可视化界面图，用户可以通过三维模型选择测点，进行数据交互、管理等。

图6 深基坑安全监测系统可视化界面图

2)深基坑监测管理。深基坑监测管理模块属于深基坑安全监测信息系统的核心模块，主要包括监测数据、报警管理、阶段性报告等。主要功能包括添加测点、监测数据查询(数据列表/时程曲线)、报警管理等。系统运行完成后，可以获得多种监测数据，并依据地质条件、施工状况以及环境因素等，分析监测数据的变化规律。图7为深基坑安全监测信息系统展示及分析界面。

图7 深基坑安全监测信息系统展示及分析界面

以墙体水平位移为例，对基于BIM的深基坑安全监测信息系统的具体监测结果进行分析。图8为墙体水平位移监测结果与实际计算结果的对比图，其中选择的测点标记为CX2、CX3、CX5。基于GIS三维模型，可以快速获得测点CX2、CX3、CX5详细坐标以及每个工况的水平位移监测数据。

由图可知，基于BIM技术的深基坑安全监测信息系统监测的墙体水平位移数据与实际计算值基本比较吻合，表明该系统可以有效监测深基坑安全信息。

图8 墙体水平位移监测结果与实际计算结果对比图

综上，基于BIM的深基坑安全监测信息系统可以实现信息的有效监测，实现深基坑三维可视化。

4 结束语

本文对基于BIM的深基坑安全监测信息系统进行了详细研究。首先集成GIS与BIM技术，为系统三维可视化实现提供基础，然后通过具体工程实例，分析基于BIM的深基坑安全监测信息系统的设计与实现。结果表明：基于BIM的深基坑安全监测信息系统可以实现目标的精确快速定位，有效监测深基坑安全信息，实现深基坑监测数据的三维可视化和信息共享。