基于BIM的地铁基坑监测管理信息系统研究

郭昱铭，沙文东，李谋思

(武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022)

1 引 言

随着各城市的快速发展，地铁建设项目极速增加，鉴于地铁基坑都是深大基坑的特点，基坑的变形监测在施工中已经成为不可或缺的安全监控手段。传统的监测汇报管理方式明显不能满足日益增长的大信息量的作业模式。因此，需要建立一个综合性强，功能全面，信息集中的集成化的管理系统，此管理系统需要能及时地进行数据处理、信息分类，为决策者及时准确地提供反馈信息。由于BIM的可视化技术、模型包含大量信息等特点，地铁基坑多为深大基坑、施工周期长等特点，这也使得其在监测中的应用是必然趋势，对于工程安全具有重大意义。

2 相关技术

2.1 基坑监测技术

基坑是整个项目的基础工程，它具有阶段性的特征，但在进行基坑实施过程中，其风险系数高，安全储备较小，容易发生安全事故[1]。而地铁基坑一般都属于深大基坑，各地层地质环境变化多，开挖深度高，支护要求高，对其安全性提出了更高的要求。

随着基坑施工出现了科学的设计理念和完备的施工作业方法，基坑监测已成为施工中的重要组成部分，基坑监测的目的主要是：

(1)验证支护结构设计，指导基坑开挖和配套结构的施工。在进行基坑开挖时，是根据支护结构设计方案进行防护的，而设计方案对于支护结构是否成功具有最重要的作用[2]。

(2)保证基坑支护的安全。按照监测方案每日进行监测控制，实行信息化施工，当此情况出现时，能够及时发现，能有效地避免或减轻破坏的后果。

(3)总结工程经验，为改进设计分析提供支撑和依据。当工程项目完成和监测结束之后，在整个监测阶段和施工中遇到的情况为下次的施工设计提供很好的借鉴作用。

一般基坑的监测内容都是结合项目的设计要求与相应施工的规范文件，以及基坑周边环境的性质和基坑需要的安全等级来确定的。

2.2 BIM技术

建筑信息模型(BIM)是指在建筑物建设的全生命周期中，从设计、施工、运营等相关的建筑信息数据的集合体。运用该模型数据数字化技术实时动态地模拟施工、运营的多个环节，大大提高生产率和控制成本，有效地反馈施工中的重难点。建筑信息模型(也简称BIM)在全周期过程中产生了包括建筑构件位置关系、几何关系、空间地理信息及建筑结构件的数量和性能等信息。

BIM带来的优势主要体现在以下几个方面：

(1)可视化。BIM建立的三维模型，是根据建筑设计建立的真三维模型。其模型中包含相关数据信息，并且在模拟施工过程中进行可视化的操作。该实体的模型在设计、实施、运用等过程中均可调整并修改[3]。

(2)协调性。由于可视化的特点，对于非本领域的人员更直观地观察，也方便了各部门之间进行更好的沟通、讨论与决策。

(3)模拟性。BIM在不同的阶段可以进行不同的模拟，在施工阶段，可以进行施工组织模拟施工[4-5]，还可以进行5D模拟有效控制成本。

(4)优化性。事实上整个设计、施工、运营的过程就是一个不断优化的过程，BIM的软件及与其配套的各种优化工具能对项目进行优化处理。

(5)可出图性[6]。在BIM模型建立之后，在模型内进行构件间的碰撞检测，根据反馈结果可消除原设计图纸中的矛盾点，并最终得到综合设计施工图。

3 工程概况

江城大道站位于武汉市汉阳区，是武汉轨道交通六号线其中一站，此站规划设计为与轨道交通10号线换乘站。整体来说，施工工区建筑物较少，多为荒地与空旷厂区。江城大道站为地下2层岛式车站，大里程端带单渡线，车站外包总长 304.9 m，车站有效站台中心里程右K3+711.000，车站起点里程右K3+623.360、终点里程右K3+928.260，采用明挖法施工。车站主体基坑标准段宽 22.1 m，端头盾构井处宽 27.2 m，基坑深度约 17.2 m～19.1 m[7]，总开挖面积约 5 981 m2，基坑底位于Q2坚硬状的老黏土中。基坑场地及周边包含有2根φ300雨水管和一个尺寸为 1 400 mm×300 mm电力管沟内有1根 10 KV的高压电缆。

4 基于BIM技术的基坑监测管理系统

4.1 系统设计

基坑监测管理信息系统是一个综合性集成的系统，是对各期监测数据进行科学性系统性管理的系统。伴随移动互联网、物联网、云计算、BIM等信息技术的快速发展[8]，基坑监测可通过融合多种信息化元素来实现流程的升级再造。该系统功能需要满足数据日常管理、往期数据查询、分析与预测、监测报表自动化输出等功能。从整体需求设计整个系统流程框架如图1所示。

图1 系统流程架构

4.2 系统实现

(1)结构功能实现

该系统是需要将各个监测项目在外业采集完的数据和巡视资料，经过简单的计算平差后导入到系统中，进行存储管理。数据存储之后，再通过监测处理，可以得到不同时间段的每日变形量和累计变形量，及在一段时间内的总变形量，再进行报表输出。监测处理之后，变形量的变化可以通过模型来进行数据展示和图形显示，并进行变形预测与分析。

根据项目分析，把系统功能包括“工程管理”“设置报警值”“工程概况及巡查日志”“常规监测项目管理”“其他监测项目管理”“BIM查询分析”“报表输出”“实用工具”“帮助”等9个模块。其框架与功能模块如图2所示。

图2 框架与功能模块

(2)BIM模型建立

根据江城大道站施工技术设计书，基坑挖掘深度 17.2 m～19.1 m。按照建筑设计的图纸，采用Revit来绘制BIM模型。在Revit中，选择项目样板，创建项目，确定项目标高、轴网，绘制符合现场情况的基坑信息模型。基本设计流程遵循“由整体到局部”的原则，从整体出发，逐步细化。最终基坑BIM模型如图3所示。

图3 BIM模型

(3)BIM查询分析

①BIM文件的格式

Revit的项目文件格式是.rvt文件，由于Revit的文件格式不能直接读取，通过其导出的dwg文件格式，然后在3ds Max中导入dwg文件，然后再导出.3ds文件格式。3DS是三维几何建模软件3ds Max用来保存模型信息的一种文件结构，可与其他的文件格式进行相互转化，因此选择它作为与管理信息系统连接的文件格式。

②模型的读取和显示

了解整个3ds文件格式之后就是要读取并解析该文件，从中挑选需要用到的信息。通过这些信息，其中有各个顶点的坐标，通过这些坐标将模型重绘出来，并加上材质颜色等，工程中需要的信息。如：顶点列表、面列表和纹理列表等就可以了。3ds文件是二进制的。3ds格式的基本单元叫块(chunk)。读取时读块信息。目录树如下，缩进风格体现了块的父子关系。可见3ds模型文件和XML文件类似，都是只有1个根结点的树状结构。

以类型标识为0x4D4D的MAIN CHUNK为例，整个3ds文件的前两个byte必须是0x4D4D，否则就说明这个文件不是3ds模型文件。然后从第3到第6个byte是一个Uint32型的数值，表示整个MAIN CHUNK的长度。由于MAIN CHUNK是整个3ds文件的根结点，它的长度也是整个3ds文件的长度。

下面给出读取3ds文件部分代码：

enum Groups

{

C_PRIMARY=0x4D4D，

C_OBJECTINFO=0x3D3D，

C_VERSION=0x0002，

C_EDITKEYFRAME=0xB000，

C_MATERIAL=0xAFFF，

C_MATNAME=0xA000，

C_MATAMBIENT=0xA010，

C_MATDIFFUSE=0xA020，

C_MATSPECULAR=0xA030，

C_MATSHININESS=0xA040，

C_MATMAP=0xA200，

C_MATMAPFILE=0xA300，

C_OBJECT=0x4000，

C_OBJECT_MESH=0x4100，

C_OBJECT_VERTICES=0x4110，

C_OBJECT_FACES=0x4120，

C_OBJECT_MATERIAL=0x4130，

C_OBJECT_UV=0x4140

}

③数据交互

当读取数据后，将会在窗体中显示整个模型，可以进行模型的放大、缩小及旋转。该模型为武汉地铁六号线江城大道站的基坑BIM模型，通过数据转换到3ds模式之后，解析与显示在该系统中。在拾取监测点实体的时候，会弹出窗口，允许输入点号，可以查询该监测点的所有观测数据，如图4所示。选取某段时间的监测数据，直接可以得到该监测点的累计变化量的时程曲线。

图4 监测点位查询

数据查询窗口中提供以时间为轴对累计变化量、日变化量、变化速率进行查询。用户依次选择监测项目、测点编号、开始时间、结束时间即可对数据进行查询，如图5所示。并可选择预测方法，给定预测期数即可进行预测。

图5 监测数据查询分析

4.3 系统应用

通过武汉地铁六号线江城大道站的实测数据对系统进行了测试，在使用时，界面友好，功能齐全，实用性强，可以是烦琐复杂的监测数据集中管理，计算简单，报表规范化，减轻了操作人员的劳动强度，效率也大大提高。而且不同监测的情况可以通过集成的管理信息系统平台了解到实时的施工状态，不会出现在人工上的错漏等失误，也促进了各专业之间的交流。

5 结 语

本文以武汉轨道交通六号线工程案例开展系统设计和BIM模型建立，整个系统可进行数据处理流程以及与模型的交互，通过模型与数据的比较，集成施工状况与巡视报告。系统完全能够完成整个基坑监测的信息管理。加入BIM模型显示之后，三维几何形体便于辨识，并且基于BIM模型的可视化、信息化等特点查询分析操作简单直观，使得对工程的结构形式会有更加直观的了解，同时能够把握整体的变形趋势，更能够直观且实时地反馈安全状态，能够为现场管理者与监理人员还有决策部门提供强有力的参考依据。