基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

汪 麗，張軍平

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

近年來(lái)，隨著城市空間規(guī)模逐漸朝地下發(fā)展擴(kuò)大，與之相關(guān)的深基坑工程日漸增多。為保證深基坑在人口密集區(qū)施工安全及周邊建筑物的安全，對(duì)深基坑進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。深基坑施工周邊環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件多樣，且施工過程中施工技術(shù)復(fù)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(yán)重的時(shí)空效應(yīng)以及信息“孤島現(xiàn)象”[1]。因此，探索深基坑安全監(jiān)測(cè)、確保深基坑施工過程的安全性具有重要意義。傳統(tǒng)基坑安全監(jiān)測(cè)方法為現(xiàn)場(chǎng)巡檢、人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，難以滿足工程整體可視化需求，不能直觀展現(xiàn)項(xiàng)目的整體形貌，難以實(shí)現(xiàn)多方位信息無(wú)障礙共享等[2]。BIM(building information modeling，建筑信息模型)是以建筑工程項(xiàng)目各項(xiàng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于數(shù)字信息仿真構(gòu)建建筑物真實(shí)信息的一種數(shù)據(jù)化工具，可以為建筑從業(yè)者提供一個(gè)數(shù)據(jù)處理及信息共享的平臺(tái)。將BIM技術(shù)引入深基坑安全監(jiān)測(cè)中，構(gòu)建深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)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(jié)合GIS(geographic information system，地理信息系統(tǒng))技術(shù)[6]對(duì)BIM進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了深基坑安全監(jiān)測(cè)的三維整體可視化。

1 BIM模型與GIS集成研究

BIM[5]技術(shù)是指利用三維數(shù)據(jù)建模，結(jié)合建筑工程的各項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)，在全生命周期內(nèi)進(jìn)行信息交流和共享，促進(jìn)建筑從業(yè)者密切交流的技術(shù)。實(shí)施BIM的過程，即是對(duì)建筑信息進(jìn)行創(chuàng)建、集成、共享和管理的過程。BIM模型的構(gòu)建是參數(shù)化三維建模的過程，是以數(shù)字化形式將尺寸、位置等幾何數(shù)據(jù)以及材料屬性等集成在同一個(gè)集成數(shù)據(jù)庫(kù)的過程。GIS[7]是研究空間地理分布相關(guān)信息的系統(tǒng)，具有極為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，以及優(yōu)秀的三維仿真展示功能。區(qū)別于BIM，GIS主要管理空間信息以及地理位置的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。將微觀領(lǐng)域的BIM信息與宏觀領(lǐng)域的GIS集成，可以使BIM模型不突兀、不孤立，且可以進(jìn)行可視化顯示。

GIS可通過Skyline與BIM進(jìn)行信息交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GIS與BIM技術(shù)的集成，如圖1所示。監(jiān)測(cè)初始階段，在BIM模型中添加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，目的是使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成為BIM模型的附加數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息不斷更新，通過GIS與BIM交互，便可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)并自動(dòng)存儲(chǔ)三維可視化監(jiān)測(cè)信息。

圖1 BIM與GIS集成框架圖

2 基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 工程概況

某深基坑場(chǎng)地，土質(zhì)為典型上海軟土，形狀為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)97m，寬76m，毗鄰道路和待開發(fā)的商業(yè)區(qū)。深基坑深度為24m，場(chǎng)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(jí)要求為Ⅰ級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)要求為Ⅱ級(jí)。

深基坑施工場(chǎng)地的水平圍護(hù)結(jié)構(gòu)由3道混凝土支撐和地下連續(xù)墻組成，強(qiáng)度等級(jí)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(xù)墻的埋深為48m。在施工過程中，依據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)研究

對(duì)深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，將現(xiàn)場(chǎng)的多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過手動(dòng)、自動(dòng)采集和批量錄入等方式分類存入數(shù)據(jù)庫(kù)，便于后續(xù)應(yīng)用；然后進(jìn)行BIM建模，并基于BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)展示、報(bào)表輸出、圖形展示、報(bào)警判定等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)可視化、信息化等。具體功能如圖3所示。

1)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建研究。

圖3 基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫(kù)主要基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)采集等技術(shù)，獲得及存儲(chǔ)深基坑數(shù)據(jù)信息，因此構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)必須對(duì)設(shè)備和檢測(cè)類型進(jìn)行分類，創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)庫(kù)涉及的數(shù)據(jù)表包括工程信息、周邊地質(zhì)環(huán)境、檢測(cè)項(xiàng)目信息、測(cè)點(diǎn)編碼信息、測(cè)點(diǎn)屬性信息、預(yù)警參數(shù)及人員信息。測(cè)點(diǎn)信息見表1，通過測(cè)點(diǎn)編號(hào)關(guān)聯(lián)查詢，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合使用。

表1 測(cè)點(diǎn)信息設(shè)計(jì)

2)BIM建模研究。

深基坑含有復(fù)雜的圍護(hù)樁、臨時(shí)設(shè)施以及內(nèi)支撐設(shè)備等構(gòu)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(guī)模大，因此采用常規(guī)的建模方式(單人單機(jī))難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化BIM建模。本文主要基于多分辨率層次模型自動(dòng)生成技術(shù)進(jìn)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(biāo)；接著根據(jù)建模目標(biāo)大小，確定深基坑模型精細(xì)程度。

依據(jù)文獻(xiàn)[9]提供的CAD模型，基于Autodesk Revit軟件，構(gòu)建BIM模型，具體建模步驟為：第一，將深基坑護(hù)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(chuàng)建內(nèi)支撐、鋼腰梁、冠梁以及三軸攪拌樁等，對(duì)各構(gòu)件創(chuàng)建單獨(dú)族文件，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化定義；第三，依據(jù)基坑圍護(hù)不同區(qū)域形式及構(gòu)件屬性，構(gòu)建BIM族模塊，提高建模效率，并提高不同族模塊統(tǒng)計(jì)的實(shí)時(shí)性；第四，對(duì)于特殊構(gòu)建，譬如格構(gòu)柱等，通過調(diào)整新的BIM族模塊進(jìn)行調(diào)整和修復(fù)。圖4為深基坑BIM模型。

圖4 深基坑BIM模型

3)測(cè)點(diǎn)模型研究。

在深基坑監(jiān)測(cè)過程中，常發(fā)生測(cè)點(diǎn)破壞、遮擋、結(jié)構(gòu)裂縫等現(xiàn)象，使得實(shí)際測(cè)點(diǎn)無(wú)法與設(shè)計(jì)圖紙完全吻合。為避免對(duì)測(cè)點(diǎn)模型進(jìn)行重復(fù)修改，優(yōu)化了測(cè)點(diǎn)BIM模型：在安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，基于坐標(biāo)生成測(cè)點(diǎn)模型，并以測(cè)點(diǎn)分類結(jié)構(gòu)樹形式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的展示與快速查詢。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)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(shù)體系，將BIM模型與地形、管線等多元空間數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的一體化管理。在數(shù)據(jù)對(duì)接方面，采用SuperMap GIS提供的BIM導(dǎo)入機(jī)制，以BIM的數(shù)據(jù)主流協(xié)議IFC為基礎(chǔ)，以關(guān)鍵字段“圖元ID”為媒介，確保模型與屬性意義對(duì)應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BIM與GIS無(wú)縫銜接、無(wú)損集成。

運(yùn)用SuperMap GIS提供的屬性查詢統(tǒng)計(jì)、室內(nèi)漫游等通用GIS功能，可以模擬建筑物建造過程，發(fā)揮GIS位置服務(wù)與空間分析特長(zhǎng)，進(jìn)行BIM模型顯示。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于BIM與GIS技術(shù)間信息交互。首先基于GIS的Skyline接口軟件提交操作請(qǐng)求，交互構(gòu)件的對(duì)象ID、參數(shù)、組織關(guān)系以及屬性等信息，服務(wù)端通過用戶權(quán)限對(duì)客戶是否合法進(jìn)行驗(yàn)證；然后通過IFC接口操作IFC數(shù)據(jù)，并將驗(yàn)證結(jié)果反饋給客戶端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GIS與BIM信息交互。

3 基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件基礎(chǔ)

基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件基礎(chǔ)為：搭建可視化系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、結(jié)構(gòu)模型信息交互、可視化與交互設(shè)計(jì)等。其中，搭建可視化系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境具體方法為：基于GL圖形庫(kù)，與圖形硬件相接，構(gòu)建交互性程序框架；通過與GL圖像庫(kù)相結(jié)合，在空間繪制三維物體，添加消息處理函數(shù)，使之進(jìn)行相應(yīng)消息操作，設(shè)置視口，形成完整框架。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型信息交互的方法為：基于C++語(yǔ)言讀取DXF數(shù)據(jù)文件，分析DXF數(shù)據(jù)文件格式及組成，構(gòu)建基于C++語(yǔ)言的數(shù)據(jù)通道，將BIM模型導(dǎo)入安全信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即可完成信息共享與傳遞。同時(shí)遍歷監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)，查詢關(guān)鍵字段，獲得有效數(shù)據(jù)，將其存入指定族文件?？梢暬c交互設(shè)計(jì)主要用于模型與監(jiān)測(cè)信息交互和可視化。

可視化與交互設(shè)計(jì)方法：可視化設(shè)計(jì)包括模型整體顯示和測(cè)點(diǎn)顯示設(shè)計(jì)，主要通過函數(shù)模型實(shí)現(xiàn)圖像平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，實(shí)現(xiàn)三維可視化操作；交互設(shè)計(jì)操作則是進(jìn)行模型構(gòu)建，通過GPS技術(shù)構(gòu)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(jìn)行交互操作。

3.2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)分析

基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)以深基坑為研究對(duì)象，考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境、施工工況等，結(jié)合計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深基坑安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布式管理。監(jiān)測(cè)范圍包括墻體水平位移、地下水位、樁頂豎向位移等。該系統(tǒng)主要包括測(cè)點(diǎn)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、階段性報(bào)告、報(bào)警管理等模塊。

1)可視化管理。對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型、屬性信息、設(shè)計(jì)圖紙、測(cè)點(diǎn)模型等進(jìn)行可視化顯示。圖6為深基坑安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化界面圖，用戶可以通過三維模型選擇測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、管理等。

圖6 深基坑安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化界面圖

2)深基坑監(jiān)測(cè)管理。深基坑監(jiān)測(cè)管理模塊屬于深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的核心模塊，主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警管理、階段性報(bào)告等。主要功能包括添加測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢(數(shù)據(jù)列表/時(shí)程曲線)、報(bào)警管理等。系統(tǒng)運(yùn)行完成后，可以獲得多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并依據(jù)地質(zhì)條件、施工狀況以及環(huán)境因素等，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。圖7為深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)展示及分析界面。

圖7 深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)展示及分析界面

以墻體水平位移為例，對(duì)基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的具體監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。圖8為墻體水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖，其中選擇的測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為CX2、CX3、CX5?；贕IS三維模型，可以快速獲得測(cè)點(diǎn)CX2、CX3、CX5詳細(xì)坐標(biāo)以及每個(gè)工況的水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

由圖可知，基于BIM技術(shù)的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的墻體水平位移數(shù)據(jù)與實(shí)際計(jì)算值基本比較吻合，表明該系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)深基坑安全信息。

圖8 墻體水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

綜上，基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信息的有效監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)深基坑三維可視化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。首先集成GIS與BIM技術(shù)，為系統(tǒng)三維可視化實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，然后通過具體工程實(shí)例，分析基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明：基于BIM的深基坑安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確快速定位，有效監(jiān)測(cè)深基坑安全信息，實(shí)現(xiàn)深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的三維可視化和信息共享。