基于BIM技术的基坑工程监测信息管理系统

陈林波 岳光耀 徐财门 李 斌 辛公锋 王育奎

（1.青岛全球财富中心开发建设有限公司 山东青岛 266000；2.济南城建集团有限公司 山东济南 250031；3.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司 山东青岛 266000；4.山东高速工程检测有限公司 山东济南 250000）

1 前言

受基坑工程开挖和地层卸荷作用的影响，基坑工程施工过程中不可避免地引起周围土体、地表邻近建（构）筑物及地下管线的变形。为确保基坑安全、高效开挖，基坑监测是一种最为常用的施工控制手段［1］。目前传统的基坑监测多依据工程规范及标准，借助人力手动进行数据处理及分析，且监测结果多以二维图表数据进行展现。这一过程对技术人员水平要求较高，且处理的结果无法反映监测数据的三维空间和时间分布，无法及时、有效地反馈与指导实际工程施工。因此，建立一个统一的数据信息管理平台，实现基坑监测数据的高效管理，且通过设定监测数据的阈值，实现预测预警，对指导基坑施工具有十分重要的意义和应用价值。

BIM（Building information Modeling）为建筑信息模型，其通过数字计算机技术对各种工程信息进行添加，从而使工程模型本身在设计、施工、维护等各阶段发挥相应效用，提高信息的传递效率。该技术的应用对传统的建筑模式带来冲击，将对未来建筑业生产模式掀起一场新型革命［2－5］。

目前，众多学者关于基坑监测管理系统的设计与开发做了诸多研究。江明明［6］对基于WebGIS的城市地铁施工监测信息管理系统进行全面分析，探究系统的构成、系统功能、系统接口以及系统关键技术；张园园［7］使用VB编程语言，通过Access2003创建数据库，ActiveX技术调用Excel软件、MatrixVB软件、Surfer8软件分别实现了数据的批量导入，基坑墙顶位移预测及三维显示和基坑围护墙壁变形三维显示，开发了深基坑监测信息管理系统；吴振军等［8］基于GIS图形可视化技术，开发了分布式基坑监测信息管理与预警系统；廖志刚等［9］基于BIM技术，搭建了具有模型可视化、监测可视化、设计属性信息化、基坑监测信息化、管理升级化特点的基坑监测管理系统。

上述研究在基坑工程的三维模型表达和监测信息管理方面做了初步的探索，但尚未实现信息的及时共享和系统化管理。对此，本文综合应用BIM技术、Cesium三维引擎和Web端软件编程技术，实现了基坑工程的三维模型与地层环境的创建，并实现了基坑工程监测信息三维可视化和实时共享。

2 系统需求分析

系统需求分析是基坑监测信息管理系统的前提。基坑监测信息系统的本质就是通过计算机技术，对基坑监测信息进行收集、储存、共享、分析和展示［10－12］。基坑监测信息管理系统应具备高效的数据录入、有序的数据查询、信息修改、三维可视化、数据处理、预报预警和报表自动生成等功能。同时系统应提供网络服务，支持设计单位、业主、施工单位和监理单位及时共享数据及分析结果，提高数据的价值，更好地指导施工和风险预防。系统主要实现的目标：

（1）应用BIM技术实现基坑工程和地层环境的三维模型构建和表达。

（2）实现BIM模型与基坑监测信息在Web端的三维可视化，支持自由旋转、放大、缩小、平移、部件剖切等功能。

（3）支持基坑监测信息上传与更新，同时支持对基坑监测信息的快速查询。

（4）支持基坑监测信息的处理和分析，依据设定条件可生成图表。

（5）支持根据基坑监测信息对基坑变形进行预测，同时根据预测结果提供预警功能。

（6）支持根据监测项目，日期以及监测数据能自动生成标准格式的报表文件。

3 基坑BIM模型建立

基坑BIM模型采用Revit软件建立，主要分为以下四个步骤：

（1）导入底图。首先将基坑工程CAD平面图作为底图导入到项目中，导入方式包括“链接CAD”和“导入CAD”两种。通常，基坑CAD平面图导入只保留必要的基坑边界线，其他信息诸如高程点、道路、管线等图形数据对建立模型无用，预先删除。

（2）基坑放坡。基坑放坡常选择适用性好的绘制地形表面的方式实现。绘制前，要对各点的高程数据进行统计。基于CAD底图精准设置三维点，各点连接形成各个坡面。

（3）构件布设。首先将族载入到基坑项目文件中，设置参数形成所需族类型，将各个族实例放置于三维空间的指定位置处，即可完成基坑模型构件布设。

（4）地层构建。完整的基坑模型包括支护模型和地层模型。相较于CAD图纸，3D地层模型使基坑模型更加完整、形象直观，更贴合人们对基坑工程的理解认知。以“板”代替地层，绘制地层边界，设置地层厚度，以不同颜色代表不同地层，将地层设置在指定标高处，绘制地层模型。

建立基坑BIM模型如图1所示。

图1 基坑BIM模型

4 基坑监测数据库设计

4.1 数据库表设计

数据库采用MySQL关系型数据库处理用户数据以及监测数据，根据工程实际需要，建立用户信息表、监测点信息表、监测项目信息表、监测人员信息表、工程基本信息表、预警信息表、围护结构顶部水平位移监测记录表、边坡水平位移监测记录表、围护结构顶部沉降监测记录表、地下水位监测记录表、建筑物沉降监测记录表、地表沉降监测记录表、地下管线沉降监测记录表、围护桩体内力监测记录表、围护结构侧向土压力监测记录表、锚（杆）索拉力监测记录表和基坑底部隆起监测记录表。以地表沉降监测信息记录表为例，如表1所示。

表1 地表沉降监测信息记录表

4.2 数据库表关系的确定

数据库表之间通过数据库实体相互联系，主要联系方式包括一对一、一对多和多对多。本文以地表沉降监测信息记录表、预警信息表、监测点信息表、监测项目信息表、监测人员信息表、工程信息表为例展示实体间关系的确定。

一条地表沉降记录仅仅可以对应一个监测点、一名监测人员、一项工程，而每个监测点，监测人员和工程项目都可以对应多条监测记录，因此地表沉降监测信息记录表通过监测点编号（MP_ID）与监测点信息表形成多对一的关系，通过监测人员（Employee ID）与监测人员信息表形成多对一关系，通过工程编号（Project ID）与工程信息表形成多对一关系。每个监测点对应一个监测项目，而每个监测项目可以对应多个监测点，因此监测点信息表通过监测项目序号（MI_ID）和监测项目表形成多对一关系。每个监测项目仅对应一条预警信息，因此监测项目信息表通过监测项目编号（MI_ID）与预警信息表形成一对一关系。数据库表之间关系如图2所示。

图2 数据表关系

5 系统开发环境与功能模块

5.1 开发环境

（1）操作系统

本系统支持Windows 10操作系统，浏览器需支持 HTML5、WebGL、Highcharts。

（2）开发语言及环境

系统前端主要使用JavaScript编程语言，采用Cesium作为三维引擎，利用React组件技术设计UI，最后通过webpack打包器对静态文件进行打包。

系统后端使用JavaScript编程语言，Node.js开发平台，Express框架进行开发。

5.2 功能模块

（1）登录权限设计。根据系统实际使用以及信息安全性需求，设计三类使用权限，分别是账号管理员、项目管理员、监测管理员。账号管理员提供新建、注销账号的功能，可对已有账号进行管理，如信息查询、密码找回、修改权限等，但无法进行上传、修改、导出和删除项目文档文件和监测信息的操作。账号管理员账号通常由系统维护人员使用。项目管理员提供上传、修改、导出和删除项目文档文件的功能，同时支持对监测信息的查询、分析、预测预警等。项目管理员账号通常由项目负责人使用。监测管理员账号提供模型浏览、文档下载、数据管理、预测预警和报表生成等基本功能。监测管理员账号由监测员使用。

（2）三维可视化浏览。系统提供三维可视化基本的浏览功能，可以对基坑支护模型进行全方位浏览，同时提供基坑支护模型部件快速定位和模型剖切功能，提高用户使用体验。选中基坑支护结构部件时，可以查看部件的基本信息。同时系统还提供基坑监测信息的三维可视化，使用户能够更加直观地观测基坑的地表沉降、锚索内力、围护桩顶水平位移和竖直位移等监测信息。基坑还提供监测信息的动态演示，能够以动画与动态图表结合的形式展示基坑监测信息随时间的变化情况。三维浏览界面如图3所示，地表沉降三维可视化如图4所示。

图3 三维浏览界面

图4 地表沉降三维可视化

（3）文档管理。系统支持对工程文档进行管理，主要提供上传、储存、下载和删除功能，以实现安全规范相关文档、设计文档、施工文档、运行的文件、图纸、报告及其他图文声像资料管理。对文件进行删除操作时，被删除的文件会转入回收站，回收站默认保存30 d，30 d后彻底删除。

（4）监测信息管理。信息管理模块主要功能包括监测信息的查询、录入、编辑、分析。该模块提供监测信息查询功能，进行查询时，需要用户选择监测项目、起止日期、监测点，表格就会显示出符合要求的监测数据，供用户浏览。监测信息查询界面如图5所示。

图5 监测信息查询界面

目前系统支持对大部分监测项目的管理，包括围护结构顶部水平位移、土体侧向变形、围护结构顶部沉降、围护桩体变形、地表沉降、地下水位和锚索内力等监测项目。在录入数据前，要对监测所得的原始数据进行预处理，按照相关基坑监测规范，将原始数据经计算转化为可录入的标准格式。

为方便监测人员录入监测信息，系统提供单条录入和批量录入两种录入数据的方式。进行单条录入时，首先应选择要录入的监测项目，系统会根据具体的监测项目提供需要输入的字段，用户根据提示输入每一项字段后点击上传按钮即可录入监测信息。录入信息可在监测信息浏览窗口显示，以供监测人员监测录入信息是否正确。

系统提供批量录入功能以减少用户工作量。进行批量上传时，首先应将处理后的监测数据按照固定格式填入Excel表格当中，然后选择监测项目，点击批量上传按钮会弹出文件路径选择对话框，选择预先处理好的Excel表格文件后点击上传按钮，即可实现监测数据的批量上传。数据录入界面如图6所示。

图6 数据录入界面

系统还提供数据分析功能，用户选定好监测项目、测点编号、起止日期即可生成监测数据图表，方便用户更加直观地观察监测数据的变化趋势。图表生成界面如图7所示。

图7 图表生成界面

（5）基坑变形预测与预警。系统提供PSO-BP神经网络预测功能，用户可根据自身需求选择合适的输入样本进行基坑变形预测。进行预测时首先应选择要预测的监测项目。以预测地表沉降为例，首先在监测项目栏选择地表沉降，然后选择要预测的监测点；下一步选择输入样本，选择输入样本时要确保作为输入样本的监测信息已上传，否则系统会因数据缺失报错。选择输入样本时，需选择20 d的监测数据，输出的预测数据为第21天至第25天的数据。点击预测按钮后，系统会在预测结果对话框显示预测结果以及对应的图表供用户分析。基坑变形预测设置界面如图8所示。

图8 基坑变形预测设置界面

系统提供预警设置功能，目前系统本身提供大部分根据国家或地方规范确定的三级基坑预警值，用户选择监测项目、基坑级别、支护类型以及技术规范后，系统会自动提供对应的红、橙、黄三色基坑预警值。此外，系统还允许用户修改基坑预警值以满足实际情况。基坑预警参数设置界面如图9所示。

图9 基坑预警参数设置界面

（6）报表生成。系统实现了监测报表的自动化输出。系统本身自带所有监测项目日报表的word模板，监测人员在进行报表生成时，只需保证当日监测数据已经上传，然后选择项目信息和日期，并填写工程名称、报表编号、工程负责人、工况、分析及结论等基本信息，点击预览按组即可生成日报表并对报表进行浏览，再点击导出按组即可下载生成日报表。报表生成模块界面如图10所示。报表可以根据需要导出为word格式。

图10 报表生成模块界面

6 结束语

本文针对目前基坑监测数据管理方式落后、数据共享不够便捷、查询效率低下、基坑预警预测不及时、数据可视化程度低的现状，研发了一款集数据管理、预测预警、三维可视化和报表生成于一体的基坑监测系统。

（1）实现了基坑结构、地层环境和监测信息的三维可视化，改善了传统二维图表展现不够直观的缺点，可表达监测信息的空间分布属性。

（2）通过建立基坑监测信息数据库，将基坑监测信息分类存储，提供批量导入、数据查询、图表分析等功能，提高了基坑监测信息的管理水平和共享效率。

（3）实现了基坑变形的预测预警，对及时发现基坑施工过程中的安全风险具有重要的现实意义。

（4）实现了日报表自动生成，提高了基坑监测的信息化水平。